简易交通灯控制电路的设计

xxxxxx大学课程设计简易交通灯控制电路的设计班级学号学生姓名指导教师xxxxxx大学课程设计任务书课程名称电子线路课程设计课程设计题目简易交通灯控制电路的设计课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标1．东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间25s。2．东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。3．南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间15s。4．如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮，禁止该道路的车辆通行，特殊情况过后能恢复正常。二、设计要求1．在选择器件时，应考虑成本。2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。三、实验要求1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用multisim软件仿真。2．进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1.童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006年2.阎石，数字电子技术（第五版）．[M]北京：高等教育出版社，2005.3.陈孝彬《555集成电路实用电路集》高等教育出版社2002-84.王刚《TTL集成电路应用》机械工业出版社2000-10五、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表：序号评定项目评分成绩1设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）2设计结果可信（例如：系统分析、仿真结果）（15分）3态度认真，遵守纪律（15分）4设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分）5答辩（30分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：年月日一、概述本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路进行设计,使用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设计交通控制信号灯。在实际情况下，一个十字路有一个主干道和一个支干道。主干道的车流量较大，即要求主干道绿灯亮的时间长，支干道正好相反。设A代表东西方向即主干道，B代表南北即支干道；R代表红灯亮，Y代表黄灯亮，G代表绿灯亮。且设主、支干道红、黄、绿灯亮的四种状态分别由Q2、Q1的四种数值组合表示，时间设置如下（1代表灯亮，0代表灯灭）。表1四种状态表示亮灯颜色与时间组合状态东西方向(A)南北方向（B）时间编号Q2Q1AGAYARBGBYBRS00000110025S10100101005S21010000115S31101000105以设计要求为依据，本方案一共分为秒脉冲信号发生电路、计时电路、控制电路、计时显示电路、信号灯控制电路、紧急状态手动控制电路六大部分组成。最终达到包括两组红黄绿灯（配合十字路口的双向指挥控制）、一组手动与自动控制开关（针对交通警察指挥交通控制使用）、倒计时显示器（显示允许通行或禁止通行时间）在内的最终设计目标。二、方案论证2.1计数器的设计方案一：用74LS192直接构成减计数器，时钟脉冲上升沿到来时，在控制器的作用下置数后开始计数，计数器以减计数向显示译码器提供信号。方案二：定时器由与系统秒脉冲同步的计数器74LS161构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号作用下置数为反码，输出端接入非门后计数器实现计数和倒计时显示的双重功能。方案选择：74LS192是双时钟同步16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。然而由于对74LS192不太熟悉，并且在最初提供的芯片中并没有74LS192，所以最终选择了74LS161芯片。而且由于经常应用，因而使用起来较方便。因而选择方案二。所以最终确定的总体实验方案如下：由555时钟信号发生电路产生稳定的“秒”脉冲信号。用两片74LS161作为计数器分别作为高低位片，将其输出端通过非门与74LS47相连后，把74LS47输出端连到共阳极数码管上，实现倒计时；用一片74LS74即两个D触发器作为状态控制器，控制状态变量Q2Q1的变化，即实现变化：00-01-10-11；用两片计数器的C进位端进行与运算后作为状态控制器的脉冲；利用状态控制器与计数器的输出对计数器实现置数操作，从而实现模25，模15，模5的转换；状态控制器的输出Q2Q1连接至74LS138的两个地址输入端AB，第三个地址输入端C接地；六个灯按照不同状态分别与74LS18的前四个输出端连接。总体设计方案框图如图1：秒脉冲信号计时电路控制电路计时显示电路信号灯控制电路紧急开关图1总体设计方案框图在此电路中，555时钟信号发生器产生一个以秒为单位的CLK脉冲，计数器74LS161接受CLK脉冲，实现同步计时。通过非门连接计数器输出端与译码驱动电路，在数码管上显示倒计时。将计数器的进位输出C取反用以控制其自身循环置数，对计数器的两片74LS161的输出C通过与门来作为红绿灯状态控制器74LS74的脉冲信号，由此，状态从00变至01，历时25s；从01至10，历时5s；从10至11，历时20s；再从11变至00，历时5s，依次循环。状态不同，计数器置数和红绿灯如何显示不同；计数器置数不同，则模值不同，状态改变时间也不同。三、电路设计3.1秒脉冲信号发生器的设计3.1.1秒脉冲发生器的功能及组成元件秒脉冲发生器用于产生周期为1秒的的矩形波脉冲，其主要由555芯片组成的多谐振荡器来实现。3.1.2秒脉冲发生器的工作原理由555定时器构成的多谐振荡器如图3所示，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端和低电平触发端并接后接到R2和C的连接处，将放电端接到R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压𝑢𝑐为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出𝑢𝑜为高电平，放电管VT截止。这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压u𝑐按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出𝑢𝑜为低电平，放电管VT导通，把𝑢𝑐从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间𝑇1的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数T充=(𝑅1+𝑅2)×𝐶（1）由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间𝑇2的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数𝑇放=𝑅2×𝐶（2）随着C的放电，u𝑐下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出u𝑜。为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。电路一旦起振后，u𝑐电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。图2为工作波形。图2多谐振荡器工作波形图3555构成的多谐振荡器原理图3.1.3秒脉冲发生器电路的元件参数计算因为对于该电路有T=𝑇1+𝑇2(3)𝑇1=0.7(𝑅1+𝑅2)×𝐶(4)𝑇2=0.7×𝑅2×𝐶(5)T≈0.7(R1+2R2)×C(6)若令C=10μf，R1=43KΩ,那么R2=51KΩ。则T≈1.015s，对于信号灯来说精度足够。秒脉冲发生器电路如图4所示。图4555组成的秒脉冲发生电路此电路为计时电路提供时钟信号CLK。3.2计时电路的设计3.2.1定时器的功能及其组件计时器的功能是实现精确定时并驱动显示译码器实现倒计时输出，其电路组成元件有74LS161、74LS04（非门）、74LS08（二输入与门）、74LS86（异或门）。图54位二进制同步加法计数器74LS161引脚排列图74LS161是4位二进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS161的引脚图如图5所示，其功能表如表2所示。图中，𝑅𝐷′是低电平有效的异步清零输入端，𝐿𝐷′是低电平有效的同步并行置数控制端，ET、EP是计数控制使能端，C是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3输出端。表24位二进制同步加法计数器74LS161功能表CLK𝑅𝐷′LD′EPET工作状态×↑××↑01111×0111××0×1××101异步清零同步预置数保持保持（但C=0）计数3.2.2定时器电路工作原理定时器工作原理图如图6所示。图6两片74LS161级联组成的定时器电路两片74LS161之间采用并行连接，低位片的进位输出接入高位片的EP、ET使能端，高位片只有在低位片进位时才会进行计数或置数。此电路输出后接入非门使其输出为反码，当计数器输出原码为1111即反码为0000时，进位输出端C输出高电平，进行非运算后变为低电平接入LD’进行置数，并行输入端D3D2D1D0的数据被置入计数器。综上所述：高位片只有在高低位片QAQBQCQD输出都为1111时才会被置数，低位片QAQBQCQD为1111时高位片仅进行计数运算。若计数器分别输出25秒（S0）、5秒（S1）、15秒（S2）、5秒（S3），四个状态的计数信号，则需要系统的状态量Q2Q1和74LS161的输出QAQBQCQD共同控制芯片的置数端D0D1D2D3。由表1可以列出两个计数芯片的状态转换表如表3所示。表3两片74LS161的置数状态转换表（*表示不进行置数操作）状态高位片低位片Q2Q1QD’QC'QB'QA'D3'D2'D1'D0'QD’QC'QB'QA'D3'D2'D1'D0'000010****00001001000001****00001001010000000000000100100000000100000100100001000000001001110000000000000100000000001000000100由表3可以得出高位片：𝐷3=𝐷2=1(7)𝐷1=𝑄1+𝑄2(8)𝐷0=𝑄1+𝑄2′(9)低位片：𝐷3=𝐷0=Q𝐴∙𝑄𝐵(10)𝐷2=𝑄𝐴′⨁𝑄𝐵′(11)𝐷1=1(12)此电路的输出为计时显示电路的输入。3.3计时显示电路计时显示电路包含74LS47显示译码器和共阳极二极管。该电路将计时电路产生的倒计时数码进行可视化显示。此电路中显示译码器与数码管的对应关系为74LS48驱动共阴极数码管，74LS47驱动共阳极数码管。电路没有复杂逻辑关系，按照管脚关系认真连接即可。计时显示电路如图7所示。图7计时显示电路原理图3.4控制器电路的设计3.4.1控制器的功能及组成元件控制器的功能是按预定的状态循环控制着每个交通灯的亮和灭。其电路由74LS168芯片和74LS74芯片来实现。其中74LS138芯片为3线-8线译码器，用来驱动译码电路。74LS74芯片为边沿D触发器，用来实现四个状态的循环。3.4.2控制器电路工作原理如图8，为控制器状态图。00011110/0/0/0/1(Q2Q1/C)图8控制器状态图总状态数M=4，所以取触发器数目为2，取自然二进制数的00∼11作为S0∼S3的编码，得到状态转换表，如表4.表4触发器状态转换表状态变化顺序状态编码进位输出CQ2Q1S0000S1010S2100S3111选用2个CLK边沿触发的D触发器，分别用FF1、FF2表示。由于采用同步方案故时钟方程CLK=clk1=clk2=C1C2(13)其中C1C2分别为两个74LS161的进位输出端。表示电路次态/进位输出C与电路现态关系的卡诺图如图9所示。01001/010/0111/100/0图9电路次态/进位输出C与现态关系的卡诺图对图9拆分化简后可得出：Q1Q2𝑄2∗=𝑄1⨁𝑄2(14)𝑄1∗=𝑄1′(15)式（14）（15）为状态方程，比较D触发器的特性方程𝑄∗=𝐷(16)可得：𝐷2=𝑄1⨁𝑄2(17)𝐷1=𝑄1′(18)74LS138为3线-8线译码器，本系统中只有四个状态，所以将地址输入端高位C接地，Q2Q1分别接BA，此时输出Y0Y1Y2Y3分别表示S0S1S2S3四个状态。控制电路为全系统提供状态转换信号。原理图如图10。图10控制电路原理图3.5紧急状态手动控制电路的设计考虑到实际中可能遇到紧急情况需要禁止整个十字路口通行，即四个方向