交通灯控制逻辑电路设计

数字电子技术课程设计题目交通灯控制逻辑电路设计系(部)信息工程系班级11通信1班姓名学号指导教师2013年7月1日至7月7日共1周2013年7月5日课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）说明书（20分）设计成果（40分）总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定指导教师签名：年月日课程设计说明书目录1引言.............................................................11.1功能要求......................................................11.2总体方案设计..................................................12设计原理.........................................................22.1白天工作模式..................................................22.2夜晚工作模式和总设计图........................................23总体设计.........................................................33.1单元电路......................................................33.1.1秒脉冲产生电路............................................33.1.2信号灯转化器..............................................43.1.3JK触发器..................................................53.1.4倒计时计数器..............................................63.1.5倒计时计数器与信号灯转化器的连接..........................73.1.6黄灯闪烁控制..............................................83.1.7白天夜间模式的转换........................................93.2时序仿真结果..................................................93.2.1白天工作模式..............................................93.2.2夜间工作模式.............................................104仿真软件简介....................................................125设计总结........................................................136参考文献........................................................147附录............................................................15课程设计说明书11引言城市十字交叉路口为确保车辆、行人安全有序地通过，都设有指挥信号灯。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。因此如何采用合适的方法，使交通信号灯的控制与交通疏导有机结合，最大限度缓解主干道与匝道、城市同周边地区的交通拥堵情况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门以待解决的主要问题。以下就一个简单的交通灯控制系统的电路原理、设计和仿真测试等问题来进行具体分析。1.1功能要求要求东西方向的红、黄、绿灯和南北方向的红、黄、绿灯按照上面的工作时序进行工作，黄灯亮时应为闪烁状态；1)南北和东西车辆交替进行，各通行时间24秒2)每次绿灯变红灯时，黄灯先闪烁4秒，才可以变换运行方向3)十字路口要有数字显示作为时间提示，以倒计时按照时序要求进行显示；4)可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀状态(选作：通行时间和黄灯闪亮时间可以在0-99秒内任意设定)1.2总体方案设计依据功能要求，交通灯控制系统应主要由秒脉冲信号发生器、倒计时计数器电路和信号灯转换器组成，原理框图如图1.1.1所示。秒脉冲信号发生器是该系统中倒计时计数电路和黄灯闪烁点控制电路的标准时钟信号源。倒计时计数器输出两组驱动信号T5和T0，分别为黄灯闪烁和变换为红灯的控制信号，这两个信号经信号灯转换器控制信号灯工作。倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信号灯转换器的工作。图1-1交通信号灯的逻辑框图秒脉冲发生器倒计时计数器信号灯转换器GYRGYR白天工作模式夜间工作模式课程设计说明书22设计原理2.1白天工作模式图2-1信号指示灯白天工作流程图2.2夜晚工作模式和总设计图南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮。因此总设计图如下图所示：图2-2总设计图东西信号灯南北信号灯组合逻辑电路计数器分频器秒脉冲产生电路系统电源工作方式控制开关南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，各20秒。南北方向黄灯闪亮4秒，东西方向红灯亮4秒。南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，各20秒。南北方向红灯亮4秒，东西方向黄灯闪亮4秒。课程设计说明书33总体设计3.1单元电路3.1.1秒脉冲产生电路秒脉冲产生电路的功能是产生标准秒脉冲信号，主要由振荡器和分频器组成。振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的进度决定了计时器的准确度，可由石英晶体振荡电路或555定时器与RC组成的多谐振荡器构成。一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大，故在设计时，一定根据需要设计出最佳电路。石英晶体振荡器具有频率准确、振荡稳定、温度系数小的特点，但如果精度要求不高的时候可以采用555构成的多谐振荡器。振荡周期与频率的计算公式为：T=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C,电源电压为Vcc=12V，其中电路图中C1的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计中要求输出T=1S，选取电容为C=10nF，R1=28.86MΩ，根据振荡周期计算，选择电阻R2=57.72MΩ。用multisim进行仿真，仿真图如图所示：555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI28.86M¦¸R157.72M¦¸R2100¦¸Rl10nFC10nFCfVDD12VVs0636261VDD64图3-1555构成的多谐振荡器此电路就可以产生脉冲频率为1赫兹的脉冲。以下对555定时器进行简介：课程设计说明书4NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。图3-2555定时器内部逻辑电路3.1.2信号灯转化器信号灯状态与车道运行状态如下：S0:东西方向车道的绿灯亮，车道通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；S1:东西方向车道的黄灯亮，车道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；S2:东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道通行；S3：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道缓行。用以下6个符号来分别代表东西（A）、南北（B）方向上个灯的状态：GA=1:东西方向车道绿灯亮；YA=1：东西方向车道黄灯亮；RA=1：东西方向车道红灯亮；GB=1：南北方向车道绿灯亮；YB=1：南北方向车道黄灯亮；RB=1：南北方向车道红灯亮。课程设计说明书5实现信号灯的转换有多种方法，现采用比较典型的方法进行设计，实现信号灯的转换工作。若选用JK触发器，则原理如下。3.1.3JK触发器设状态编码为S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其输出为Q1，Q2，则其与信号灯状态关系如表3—1所示。表3-1状态编码与信号灯关系表现态次态输出Q0Q100011110Q0*Q1*01111000GAYARAGBYBRB100001010001001100001010可以得出信号灯状态的逻辑表达式：GA=Q1’Q0’YA=Q1’Q0RA=Q1GB=Q1Q0YB=Q1Q0’RB=Q1’JK触发器的输出状态是与J输入端的状态相同的，同时分析表3-1，触发器0的现态与触发器1的次态相同，触发器1的现态与触发器0的次态相反，因此可以将触发器0的输出端Q、Q’（现态）分别接触发器1的J、K输入端（次态），触发器1的输出端Q、Q’（现态）分别接触发器0的K、J端（次态），取触发器0为、触发器1为，连接后的电路如下图所示：U1A7473N1J141CLK11Q121K3~1CLR2~1Q13U1B7473N2J72CLK52Q92K10~2CLR6~2Q8U2A7408NU2B7408NU2C7408NU2D7408NU4B7408NU4C7408NGa12.5VYa12.5VRa12.5VGb12.5VYb12.5VRb12.5VVCC5V3710VCC11GNDJ9°´¼ü=SpaceVCC5VR15k¦¸555_VIRTUALTimerGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRI28.86M¦¸R157.72M¦¸R2100¦¸Rl10nFC10nFCfVDD12VVs0525150VDDU13A7404NU26A7408N222U15A7432N1U14B7408N3740U19A7408N3138U14A7408N842U16A7432NU17B7408N439U18A7408N64546GND4144VCC394712图3-3JK触发器连接的电路图课程设计说明书63.1.4倒计时计数器十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们更直观的把握时间。具体工作方式为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数位“4”和“0”。十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。在倒计时过程中计数器还向信号灯转换器供模4的定时信号T4和模0的定时信号T0，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯的变换。倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。根据要求，采用两片74190芯片构成计数器，因为74190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能、保持功能。采用两片74190芯片可设计成00～99的百进制计数器，再根据线路连接的改变将其连接成24进制计数器。74190没有专用的清零输入端，但可以借助QD、QC、QB、QA的输出数据间接实现清零功能。其功能表如下图所示：表3-274190的功能表CTEND/UCLKLOADABCDQAQBQCQD0ABCD011减计数001加计数110000要实现24s的倒计时，需选用两个74190芯片级联成一个从99到00的计数器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器，再把个位数74190芯片输出端QD用一个与门连起来，再接在十位数74190芯片的CLK端。当个位数减到0时，再减1就会变成9，0（0000）和9（1001）之间的QA、QD同时由0变为1，把QA、QD起来接在十位数74190芯片的CLK端，此时会给十位数74190芯片一个脉冲数字减1，相当于借位。则又74190芯片的功能性质可知，当个位数74190的C管脚和十位数74190的B管脚同时置1，CTEN端接低电频，加/减计数控制端D/U接高电频实现减计数，预置端LOAD接高电频时计数，接低电频时预置数。因此，工作开始时，LOAD为0，计数器预置