交通灯课程操纵电路的设计.docx

交通灯控制电路摘要：交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车辆的流量，提高交叉路口车辆的通行能力，减少交通事故。本交通灯设计主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路组成。秒脉冲发生器由NE555产生脉冲，定时器由74LS160实现，控制器由74LS153和74LS74组成，译码电路采用74LS48和七段数码管来显示。控制器通过ST信号对定时器进行控制，从而显示红黄绿灯的转换。关键字：交通灯；控制器；秒脉冲发生器；定时器；译码器；引言交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。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。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。以下就交通灯控制系统的电路原理、设计和实验调试等问题来进行具体分析讨论。1 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）了解面包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 设计任务与要求21设计任务设计一个十字路口的交通灯控制电路22设计要求（1）要求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）要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；3 设计思路（1）设计秒脉冲发生器（2）设计交通灯定时电路（3）设计交通灯控制电路（4）设计交通灯译码电路（5）设计交通灯显示时间电路4 设计过程 4.1方案论证方案一 用数电电子技术来实现交通灯控制 交通灯控制系统的原理框图如图1-1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器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，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中： 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，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个工作状态的定时。 图1-1 系统的原理框图交通灯控制器的ASM 如图1-3所示（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。 （2）乙车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道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，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。 交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1、2所示，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，并作如下表1-2规定：表1-2由此得到交通灯的ASM图，如 图1-3所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。图1-3 交通灯的ASM图方案二 用单片机技术来实现交通灯控制 用单片机技术来来实现交通灯控制是最容易实现的，而且该电路可靠性也很高，但是这是要求设计者要有单片机编程的基础上才能完成设计。由于本人单片机编程基础不是很好，所以选用了数字电子技术来实现交通灯控制。4.2 单元电路的设计 4.2.1秒脉冲发生器 秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R8=15K、R9=68K,C3=10uF的电阻电容值决定了脉冲宽度。既T=(R8+2R9)C2ln2当T=1S，即可凑出R8、R9、C3其中C3=0.01uF是为了保持输出的波形的稳定。图1-4 秒脉冲发生器原理图秒脉冲还可以由芯片CD4060和74LS74及其外围电路构成如图1-5，该电路选用石英晶体结构成振荡器，在经过分频电路得到秒脉冲。振荡器的频率越高，计时精度越高。如果精度要求不高也可以采用集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器以及由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器。因此，该设计选着由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器来产生秒脉冲。图1-5 石英晶体和分频器构成的秒脉冲发生器4.2.2定时器 定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。计数器选用集成电路74LS160进行设计较简便。74LS160是10进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS160功能表如表1-6所示。表1-6CLK RD LD EP ET工作状态XXX 01111X0111 X X X X 0 1 X 0 1 1置零预置数 保持保持（C=0） 计数表中RD是低电平有效的同步清零输入端，LD是低电平有效才同步并行置数控制端，EP、ET是计 图1-3 交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0D3是并行数据输入端，Q0Q 3是数据输出端。设计如图1-6 图1-6 交通灯定时器其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK分别送给两个74LS160的清零端9处。如图所示：输入端3.4.5.6分别接地.。U1的7和10由U2的11、14经过与门相与后相连。.即：只有当时11、14处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲。当U13C74LS04的ST信号分别送给U1和U2的LOAD。就可以得到TY和TY非是秒脉冲的5倍；TL和TL非的结果是秒脉冲的25倍。除此，还可以用74LS163来实现这个定时器。但是由于该芯片不是十进制的计数器，因此在进位时要加上一个与门，设计如下图1-7。因为该电路与1-5的定时电路多用了一个与门，因此不选用。图1-7 由74LS193构成的定时电路4.2.3控制器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。列出控制器的状态转换表，如表1-6所示。选用两个D触发器74LS74做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1 00状态时，如果TL 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项X表示。其余情况依次类推，就可以列出了状态转换信号ST。表1-8 控制器状态转换表 根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号即可实现控制器的功能。控制器原理图如图1-9所示。图中R、C构成上电复位电路。由两个双多路转换器74LS153和一个双D触发器74LS74组成控制器。触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互交换。其原理为： CLK分别送给U6A和U6B的3和11的清零端。将TY接入U4的5和U5的4和5；TY非接入U4的4。如上图所示：74LS74两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态。选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的的现态值加到74LS153的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。4.2.4译码电路译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、4.2.5显示部分显示部分由74LS48和共阴极七段数码管组成，74LS48作为译码器，对74LS160的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出74LS160的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如图1-12图1-12 由74LS48和数码管组成的电路5 系统调试与结果（1）组装调试秒脉冲电路。（2）进行定时电路的组装和调试。当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到25时，能输电有效的定时时间到信号。（3）调试交通灯控制器以及显示部分。 （4）判断各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。最终调试如下：接上电源,便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为25秒，甲车道方向绿灯亮，行人车辆都可自由通行；乙车道方向车道的红灯亮，车辆禁止通行。时间显示器从预置的0秒，以每秒增1，增到25到0时，甲道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。从增至5秒又到0后时甲车道的黄灯转换为红灯；乙车道的红灯转换为绿灯。如此循环下去。6 主要元件集成电路：NE551片 74LS1602片 74LS082片 74LS042片 74LS1532片 74LS742片 74LS482片 5106AS2片74LS201片（74LS04芯片含有4个非门，08、20芯片同上）9个 15K欧姆1个 68K欧姆1个1片 10uF2片6个对于这个设计，刚开始做时有些困难后来克服了困难，做得特别认真。从收集资料到仿真在到做实物一共用了半个月的时间。在做PCB板的时候，花了很长的时间去布线，由于芯片太多，线很乱不得不手动布线，一共用了一天的时间才做好。 通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力.现在设计已经做好了,但是控制器控制信号灯不是很好。虽然花了很多的时间，但学到了很多东西。做课程设计的时候,自己把整个书本都看了几遍，增强了自己对知识的理解，很多以前不是很懂的问题现在都已经一一解决了。在课程设计的过程中，我想了很多种方案，对同一个问题(像计数器的接法)都想了很多种不同的接法，运用不同的芯片进行了比较，最后还是采取了上面的方法进行连接。9 附录92总原理图图1-13 仿真图一图1-14 仿真图二 9.2 PCB图结束语 理论的学习使我们掌握了有关近现代的电力电子器件的原理和功能。随着科技的不断发展进步数字电路器件也同我们的生活息息相关，在我们的生活中扮演的角色也越来越重要。 在做数字电路课程设计的过程中我们更能认真和全面的对所学知识有一个全面和系统更深刻的了解和掌握。在这个过程中我们认真的查阅了大量的资料和工具书增长了我们的知识，开阔了我们的视野，是一种让学生更加接近社会和生活的有效方法。在这次设计中，由于我们知识的欠缺，设计的并不详细，知识的衔接也不理想，错误应该是有的，但我们已经努力了，设计中错误的地方希望老师能谅解.参考文献1 康华光. 电子技术基础. 北京：高等教育出版社，1999年2罗杰等编. 电子技术基础试验. 北京：高等教育出版社，2008年 3 金唯香等编. 电子测试技术. 长沙：湖南大学出版社，2004年4 阎石. 数字电子技术基础. 北京：高等教育出版社，2001年致 谢经过李敏君老师的细心教导和指点，以及自己不断的搜索努力，本设计已经基本完成。在这段时间里，老师严谨的治学态度和热忱的工作作风令我十分钦佩并受益非浅，在此对李老师表示深深的感谢。通过这次毕业设计，使我深刻地认识到学好专业知识的重要性，也理解了理论联系实际的含义，并且检验了大学两年学习成果。虽然在这次设计中对于知识的运用和衔接还不够熟练。但是我将在以后的工作和学习中继续努力、不断完善。这两周的设计是对过去所学知识的系统提高和扩充的过程，为今后的发展打下了良好的基础