《数字电子技术》课程设计说明书-十字路口交通管理控制器(可打印修改).pdf

武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 1附件 1：学 号：学 号：0120809320414课课 程程 设设 计计题题 目十字路口交通管理控制器学目十字路口交通管理控制器学 院信息工程学院专院信息工程学院专 业通信工程班业通信工程班 级级 姓姓 名指导教师名指导教师2010 年 7 月 6 日2010 年 7 月 6 日 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 2课程设计任务书课程设计任务书学生姓名：学生姓名：专业班级：专业班级：通信 0804 班 指导教师：指导教师：工作单位：工作单位：信息工程学院 题 目:题 目:十字路口交通管理控制器 初始条件：初始条件：7 段数码管，芯片：74LS192、74LS153、74LS00、74LS04、74LS32，红绿黄三色发光二极管，1k 电阻，5V 稳压源，方波函数信号发生器。要求完成的主要任务:要求完成的主要任务:在主、支道路的十字路口分别设置三色灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮要求压线车辆快速穿越。根据车流状况不同，可调整三色灯点亮或关闭时间。（1）基本部分可用 LED 模拟交通灯；主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为 60 秒、5 秒、25 秒；次道路绿、黄、红灯亮的时间分别为 20 秒、5 秒、65 秒；主、次道路时间指示采用倒计时制，用 2 位数码管显示。（2）扩展部分主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置；主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整时间安排：时间安排：7.2：理论设计7.37.4：安装调试或仿真7.5：撰写报告7.6：答辩指导教师签名：指导教师签名：2010 年 7 月 6 日 2010 年 7 月 6 日系主任签名：2010 年 7 月 6 日系主任签名：2010 年 7 月 6 日 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 3摘要摘要随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据检测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。本次设计的任务要求是十字路口交通管理控制器，就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计思路和实验调试等问题来进行具体分析。随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注，人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据检测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。本次设计的任务要求是十字路口交通管理控制器，就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计思路和实验调试等问题来进行具体分析。武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 4AbstractAbstractWith the development of society and economy,urban traffic problems and cause the attention of people,people,vehicles and road,the relationship of traffic management has become an important problem to be solved.Urban traffic control system is designed for urban traffic data traffic lights,traffic control and computer integrated management system of the channel,it is the modern urban traffic control system is one of the most important parts of it.The task of design requirement is crossing traffic management,urban traffic controller of the circuit principle,control system design and experiment on specific issues such as debugging.With the development of society and economy,urban traffic problems and cause the attention of people,people,vehicles and road,the relationship of traffic management has become an important problem to be solved.Urban traffic control system is designed for urban traffic data traffic lights,traffic control and computer integrated management system of the channel,it is the modern urban traffic control system is one of the most important parts of it.The task of design requirement is crossing traffic management,urban traffic controller of the circuit principle,control system design and experiment on specific issues such as debugging.武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 5目 录1 电路原理 52 方案的选择 62.1 方案一62.2 方案二72.3 方案的最终选择83 单元电路的设计 83.1 控制器电路83.2 倒计时显示部分 113.3 交通灯的显示部分 123.4 秒脉冲信号发生电路 134 电路总图145 电路的性能测试与仿真155.1 定时系统的测试 155.2 交通灯状态控制器的测试 166 小结与体会177 元器件清单 18参考文献 19 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 6十字路口交通控制管理器十字路口交通控制管理器1 电路原理 根据设计要求主道路绿、黄、红灯亮的时间分别为 60 秒、5 秒、20 秒，此道路绿、黄、红灯亮的时间分别为 20 秒、5 秒、25 秒。其时序关系如图 1 所示：图 1 交通灯时序工作图 根据要求中交通指示灯定时亮灭，时间指示采用倒计时显示，则需要由定时系统，计数器，时钟电路等来满足，状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过译码器分别点亮相应状态的信号灯。秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器对秒脉冲计数，达到控制每一种工作状态的持续时间。减法计数器的的回零脉冲时状态控制器完成状态转换。其工作框图如图 2 所示：时钟电路主道计数次道计数译码显示译码显示组合电路组合电路秒脉冲电路主绿主黄主红次绿次黄次红计 数 器组 合 逻 辑 电 路 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 7 图 2 交通管理控制器框图2 方案的选择2.1 方案一 图 3 为交通灯控制器的一个参考设计方案，在这一方案中，系统由控制器、定时器、秒脉冲信号发生器、信号灯组成。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要的标准信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。Tl 和 Ty 为定时器的输出信号，St 为控制器的输出信号.图 3 交通灯控制器框图 Tl：表示主道路或次道路绿灯亮的时间间隔，即车辆正常通行的时间间隔。定时到 Tl=1，否则 Tl=0.Ty：表示黄灯亮的时间间隔，定时到，Ty=1，否则 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。2.2 方案二设主干道方向红绿黄灯分别为 R,G,Y,次道路方向红绿黄灯分别为 r,g,y。用十进制减数计数器控制三种状态的保持和切换，主干道和次干道共用同步的脉冲信号，主干道方向先由 60s 减数到 0s 的时候切换为黄灯并开始 5s 倒计时，到第二次减数到 0s 时切换为绿灯并开始 25s 倒计时，待减数到 0s 时在切换为绿灯，为一个循环（周期为 90s）。同理，次干道方向红黄绿三灯保持亮的时间 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 8分别为 65s、20s、5s，一个循环也是 90s，可实现红黄绿的切换。如图 4 为工作流程图：图 4 交通灯工作流程图2.3 方案的最终选择根据设计要求，主道路绿、红、黄灯亮的时间分别为 60s、25s、5s，次道路绿、红、黄灯亮的时间为 20s、65s、5s。方案一可以通过能自动装入不同定时时间的定时电路以完成定时任务。方案二可以通过移位寄存器产生固定周期信号控制交通灯。比较两种方案，方案二电路简单易理解，但其不能满足主次道路通行时间不同的要求。方案一可以通过定时器满足这一点，而方案二只能预置时间不满足定时器，考虑到制作成本和考核重点，熟悉计数器的应用，因此选择方案二。3 单元电路的设计3.1 控制器电路 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 9根据设计要求各信号灯的工作顺序流程图如图 5 所示，由计数器控制交通灯不同状态下的切换与否。信号灯三种不同的状态分别用 S0（绿灯亮）表示、S1（黄灯亮）、S2（红灯亮）表示，其状态编码即状态及状态转换图如图 6 所示。图 5 信号灯的工作顺序流程图 主干道和次干道的交通灯始终在三种状态下工作，相互转换，在主干道亮绿灯和黄灯时次干道亮红灯，在主干道亮红灯时次干道亮绿灯黄灯，要是两部分交通灯在同时转换为下一个状态只需要相同的脉冲输入和转换的时间融合。武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 10图 6 交通灯状态转换图三种状态的转换使得我们只能用计数器做出一个三进制的转换器，同样我们可以用 74LS192 的加计数来实现这一过程，只需要加计数从 00 计算到 10 时下一位变为 00，由于 74LS192 是同步计数器，可以使之在 11 处重新置数位 00即可，具体电路图如图 7 所示：图 7 三进制转换部分图 7 中，PL 为置数端，低电平有效，所以 Q0Q1 为 11 的时候经过与非门使PL 工作马上将 Q0Q1 置为 00，而实现 00011000 的转换。三种状态变换时置数也分别不一样，在 00 的时候主干道置数 60s 开始倒计时，同时次干道置数 65s 开始计时，01 的时候主干道置数 5s 开始倒计时次干道置数 20s 开始倒计时，10s 的时候主干道置数 25s 开始倒计时次干道置数 5s开始倒计时。则可清除的形成以下状态：主干道绿灯变红灯时有 60s 减至 00s此时次干道红灯倒计时至 5s，主干道变黄灯由 5s 开始倒计时至 0s 而次干道红灯继续由 5s 倒计时至 0s，此时主干道变红为 25s 开始倒计时次干道变绿灯有20s 开始倒计时，20s 后主干道还处于红灯状态由 5s 继续倒计时，而此时次干道正为黄灯开始 5s 倒计时，5s 以后变为 00 状态，开始新一轮循环，便实现了 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 11时序图的要求。置数部分由双 4 选 1 数据选择器执行，由于置数只是 60、20、25、65、5故最高位可以直接接地，所以主干道和次干道各需 3 个数据选择器，每个数据选择器的两个输出分别控制十位和各位的低三位 ABC 端的置数，以次干道为例，如图 8 所示：图 8 数据选择器置数端3.2 倒计时显示部分减数计数显示部分为两个 74LS192 相互级联并接上 7 端数码管，分别控制十位和各位的输出，由低位的借位端 BO 连至高位的减数输入信号 DN 端实现60、65、25、20、5 进制的减数计算如图 9 所示：武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 12图 9 倒计时显示3.3 交通灯的显示部分由于置数位 60s 后开始倒计时的时候用于状态转换的 74LS192 此时 Q0Q1 处于 01 等待下次置数的输入，所以主干道 01 时显示绿灯 10 时显示黄灯 00 时显示红灯，次干道方面 01 是显示红灯 10 时显示绿灯 00 是显示黄灯：状态控制输出 主干道交通灯 次干道交通灯Q1Q0 G Y R g y r 00 0 0 1 0 1 001 1 0 0 0 0 110 0 1 0 1 0 0有真值表可求出各信号灯的逻辑函数表达式为：G=Q0 g=Q1 Y=Q1 y=10QQ R=10QQ r=Q0现在选择半导体发光二极管模拟交通灯,由于选用的压降 0.7V 电流为 2mA 的二极管故通过简单的计算用 1k 的电阻作为限流电阻，根据逻辑表达式设计组合电路以达到交通灯状态转换。故交通灯的显示电路组成如图 10 所示:武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 13图 10 交通灯显示电路3.4 秒脉冲信号发生电路 产生秒信号的电路有多种形式，图是利用 555 定时器组成的秒信号发生器。因为该电路输出脉冲周期为：T（R1+R2）Cln2,若 T=1s,令C=10F，R1=43K，R2=50K，经过计算的 T=1s，则 f=1/T=1Hz。从而使传输脉冲周期为 1s。图 11 555 定时器构成的多谐振荡器及输出图 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 14 由于课设用仿真软件 protues 可以直接用信号源代替有 555 定时器繁琐的做出的信号发生器，而在实物制作的时候才需要这部分电路所以只做简单的介绍。4 电路总图 电路总图如图 12 所示：武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 15图 12 电路总图5 电路的性能测试与仿真5.1 定时系统的测试 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 16用 protues 中绘制定时系统的电路图，观察两只译码显示器的变化，通过测试得知其分别显示 60 秒（65 秒）倒计时、5 秒（20 秒）倒计时、25 秒（5秒）倒计时。说明定时系统可以满足定时任务。结果如图 13：图 13 定时系统5.2 交通灯状态控制器的测试在 protues 中绘制交通灯状态控制部分。输入频率为 1HzD 信号源并接通 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 17电源后，观察交通灯的状态情况。交通灯的状态依次为：主绿次红主黄次红主红次绿主红次黄，满足四种状态的要求。具体仿真结果如图 14 所示：图 14 交通灯仿真测试6 小结与体会 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 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 18路上各有一组红、黄、绿交通灯，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。在做本次课程设计之前，我从没有注意过每天都看到的、习以为常的交通灯，当我知道本次课程设计自己的任务是做交通灯控制电路时，我开始在每次过马路时注意交通灯，并思考它的构造。我在做本次课程设计之前到图书馆查阅了与交通灯相关的资料，对其构造有了初步的了解，脑海中也有了大体思路，于是便迫不及待的开始了自己的设计。本以为交通灯时一个很简单的数字电子系统，自己可以很容易的完成任务，但在实际操作中还是遇到了一些障碍，我所能设计的只是主次道路的通行时间相同的交通灯控制系统，因为这种系统要求简单，容易做到。但不符合本次课程设计的要求，本次课程设计在其基础上添加了一点难度，我第一次设计的电路不能完全满足课设要求。在此期间我的设计一筹莫展，后来我放弃了开始的方案从新开始设计，最终得到了满足要求的电路，但是由于我的水平有限，电路并不是最合理最完善的电路，其中存在许多需要改进的地方。本次课程设计是我在平时中学到的数电知识得到了综合应用，并且将理论知识用于实践设计，使我对理论知识了解的更加透彻，也对自己所学的科目产生了更为浓厚的兴趣。在这次设计中，除了使用以前学习过的芯片，还接触到了自己从未了解过的芯片，可见自己的实际操作不仅可以加深对过去知识的记忆，更能见识新事物，扩展知识面。本次课程设计我使用的仿真软件是 protues，在单片机学习过程中我一直用 protues 做仿真使用起来比较熟练也加快了设计的速度同时也对 protues 又进行了一次联系。总之，通过这次课程设计我学到的很多知识，也得到了很多乐趣，希望以后有更多的机会来做这种实践练习。7 元器件清单类别 型号 数量 备注 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 19集成芯片 74LS192 6 74LS153 6逻辑门电路 非门 4 与非门 4 或门 2显示器 数码管 6 发光二极管 6 2 红 2 绿 2 黄电阻 1k 1电源 +5V 稳压源 1 信号源 函数信号发生器 1 参考文献1 姚福安 主编.电子电路设计与实践.山东科技出版社2 祁存荣 主编.电子技术基础实验.武汉理工大学出版社3 康花光 主编.电子技术基础数字部分.高等教育出版社 武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 204 粱宗善 主编.电子技术基础课程设计.华中理工大学出版社5 中国集成电路大全编写委员会编.中国集成电路大全 TTL 集成电路.北京：国防工业出版社，19856 绳广基 编著.数字逻辑电路设计与实验.上海：上海交通大学出版社7 74 系列芯片的应用.现代电子技术（半月刊）.第 128 期