数电课程设计报告(交通灯)讲解

-1-前言现如今，随着人口和汽车的日益增长，城市交通日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。交通信号灯常用于十字路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化、科学化、简便化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。本实验设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。设计任务及要求设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒。（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；（5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。本设计由王宇同学完成。由于所学知识有限，设计中难免出现错误，请老师批评指正。-2-目录第一章设计任务及设计目的………………………………………………1第二章系统概述………………………………………………………………22.1系统概述………………………………………………………………………22.2交通灯逻辑分析………………………………………………………………22.3总体设计方案…………………………………………………………………2第三章单元电路设计与分析………………………………………………53.1秒脉冲信号发生器的设计…………………………………………………53.2定时器的设计………………………………………………………………53.3控制器的设计………………………………………………………………63.4显示电路的设计……………………………………………………………9第四章综述及心得体会……………………………………………………104.1系统综述……………………………………………………………………104.2总结及心得体会……………………………………………………………10附录………………………………………………………………………………12附录一实验电路图………………………………………………………………12附录二芯片引脚图………………………………………………………………13附录三元器件清单………………………………………………………………16附录四焊接电路板………………………………………………………………17参考文献…………………………………………………………………………18-1-交通灯定时控制系统的设计、制作摘要：在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。第一章设计任务及设计目的1.1设计任务及要求设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒。（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；（5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。1.2设计目的（1）熟悉集成电路的引脚安排。（2）掌握各芯片的逻辑功能及使用方法。（3）了解PCB板结构及其接线方法。（4）了解数字交通灯控制电路的组成及工作原理。（5）学会用仿真软件对设计的原理图进行仿真。（6）熟悉数字交通灯控制电路的设计与制作。-2-第二章系统概述2.1系统概述：系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器、信号灯显示器五大部分组成。其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号，通过定时器向控制器发出三种定时信号，使相应的发光二极管发光。译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，产生倒计时时间显示，控制器根据定时器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。2.2交通灯逻辑分析：图1表示甲车道和乙车道的十字路口交通灯系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，绿灯表示允许车辆通行，红灯表示禁止通行，黄灯为过渡灯，表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。图1交通灯控制系统原理框图2.3总体设计方案：图1为交通灯的一个整体设计框图。系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。图中TL、TY为定时器的输出信号，ST为控制器的输出信号。TL：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，-3-TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号，由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。因此，用定时器分别产生两个时间间隔后，向控制器发出“时间已到”的信号，控制器根据定时器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号ST，定时器开始清零，准备重新计时。交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S0、S1、S2、S3表示。S0状态：甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮，此时甲车道允许车辆通行，乙车道禁止车辆通行。当甲车道绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S1状态：甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮，此时甲车道允许超过停车线的车辆继续通行，而未超过停车线的车辆禁止通行，乙车道禁止车辆通行。当甲车道黄灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S3状态：甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。此时甲车道禁止车辆通行，乙车道允许车辆通行，当乙车道绿灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。S2状态：甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。此时甲车道禁止车辆通行，乙车道允许超过停车线的车辆通行，而未超过停车线的车辆禁止通行。当乙车道红灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态------S0状态。S0、S1、S2、S3状态分别分配状态编码为00、01、10、11，由此得到控制器的状态，如表1所示。表1状态转换表控制器状态信号灯状态车道运行状态S0（00）甲绿，乙红甲车道通行，乙车道禁止通行S1（01）甲黄，乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行S3（11）甲红，乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行-4-控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：AG=1：甲车道绿灯亮；BG=1：乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮；BY=1：乙车道黄灯亮；AR=1：甲车道红灯亮；BR=1：乙车道红灯亮。由此得到交通灯的ASM图，如图2所示：图2交通灯控制系统的ASM图-5-第三章单元电路设计与分析3.1秒脉冲信号发生器的设计：本实验采用555定时器组成秒脉冲信号发生器。因为该电路的输出脉冲的周期T≈0.7(R1+2R2)·C,若T=1s，令C2=10μf，R1=47KΩ,那么R2≈47KΩ。其它参数为：C1=10nF。如图3所示。图3秒脉冲信号发生器3.2定时器的设计：用74LS190直接构成减法计数器，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST的作用下，计数器以减计数向控制器提供TY、TL的时间信号。74LS190是同步十进制可逆计数器，用它进行减计数与数字显示倒计时相符合。74LS190可以级联，只需要2片即可向控制器提供TL、TY的信号，倒计数可在数字显示电路中实现。用74190节省材料，节约成本，而且由于经常应用，因而使用起来较方便，具有其独特的优良性。如图4所示。-6-图中U4为个位计数器，U2为十位计数器。U4由555定时器供给其脉冲。当其从9计数到0时，产生一个低电平，随即有一个上升沿，供给U2做时钟脉冲，此时U2计数减一，实现两片芯片的级联。由于整个电路是从30计数，减一到01，再恢复至30，重新开始计数，所以，芯片由二者的TC共同与非再置数。输入分别为0000（0）和0011（3）。图4定时器电路图3.3控制器的设计：控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如图5所示。表2控制器的状态转换表输入输出现态状态转换条件次态状态转换信号Q1nQ0nTLTYQ1n+1Q0n+1ST00000101111110100X1XX0X10X1XX0X1000101111110100001010101-7-根据表2，写出状态方程和状态转换信号方程为：Q1n+1=Q1nQ0nTY+Q1nQ0n+Q1nQ0nTYQ0n+1=Q1nQ0nTL+Q1nQ0n+Q1nQ0nTSST=Q1nQ0nTL+Q1nQ0nTY+Q1nQ0nTY+Q1nQ0nTS用四选一数据选择器和D触发器实现，设A1A0=Q1nQ0n，其他变量通过数据输入端输入。数据选择器用74LS153，触发器用74LS74。设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将TL、TS看作输入信号，按照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输入端信号可以根据状态方程和转换信号方程得出。就可得到控制器的原理图，触发器的时钟输入端输入秒脉冲。系统的输出是在Q1Q0驱动下的六个发光二极管，各状态与信号灯的关系由表2给出，因此，得到二极管信号与控制器状态变量的关系为：甲车道：AG=Q1’*Q0’AY=Q1’*Q0AR=Q1乙车道：BG=Q1*Q0BY=Q1*Q0’BR=Q1’电路如图5所示。-8-图5控制器电路图表3信号灯与控制器状态编码表-9-3.4显示电路的设计：采用74LS190进行减计数，然后将输出通过7448接到七段显示译码器上。7448是用来驱动共阴数码管的。如图6所示。图6数码管显示电路-10-第四章综述及心得体会4.1系统综述：通过分析交通灯控制系统的要求可知，整个系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器构成。其中，秒脉冲信号发生器由555定时电路组成；定时器由两片同步十进制减法计数器74LS190芯片及若干与非门、非门、与门共同组成；控制器由一片数据选择器74LS153及一片双D触发器74LS74芯片构成；译码显示器由两片74LS190、两片译码管驱动芯片7448和两个七段数码管构成。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号，译码电路输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作。控制电路是系统的核心部分，由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作能够实现交通灯四种状态的自动转换。4.2总结及心得体会：这次课程设计历时一个星期。通过这一个星期的课程设计，我发现了自己的很多缺点与不足，自己知识的漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。在课程设计过程中，光有理论知识是不够的，还必须懂一