数电交通灯课程设计.doc

贺州学院数字电路课程设计报告书课题名称交通灯控制电路姓名学号系部物理与电子信息工程系专业电气工程及其自动化指导教师2010年12月7日※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※级学生数字电路课程设计2一、设计任务及要求：设计任务：设计一个十字路口的交通灯控制电路要求：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；指导教师签名：20年月日二、指导教师评语：指导教师签名：20年月日三、成绩20年月日3目录1设计目的………………………………………………………42设计思路………………………………………………………43设计过程………………………………………………………43.1方案论证……………………………………………………43.2电路设计……………………………………………………63.2.1秒脉冲发生器………………………………………………………63.2.2定时器………………………………………………73.2.3控制器………………………………………………93.2.4译码电路……………………………………………103.2.5显示部分……………………………………………113.2.6总原理图……………………………………………124系统调试与结果………………………………………………125主要元件………………………………………………………126结论……………………………………………………………137设计心得体会…………………………………………………138附录……………………………………………………………138.1总原理图……………………………………………………138.2PCB图………………………………………………………149参考文献…………………………………………………………144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3设计过程3.1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。5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控制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AG=1甲车道绿灯亮甲车道通行BG=1乙车道绿灯亮乙车道通行AY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行BY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行AR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通行BY=1乙车道红灯亮乙车道禁止通行6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。3.2．单元电路的设计3.2.1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。如图1-4所示，R9=68K、C3=10uF组成一个串联RC充放电电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C3上得到一个三角波。此三角波送到NE555的2脚输入端。由7NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。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1-4-4，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1-4-4石英晶体和分频器构成的秒脉冲发生器3.2.2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。8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4-1所示。表4-1CLKRD’LD’EPET工作状态X↑XX↑01111X0111XXXX01X011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，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。设计如图1-5图1-5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。9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1-5-5。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1-5-5由74LS193构成的定时电路3.2.3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1-6控制器状态转换表根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中1用原变量表示，0用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：10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1-7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。图1-7交通灯控制器其原理为：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。3.2.4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、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表1-8所示。表中A、B代表甲、乙车道。11表1-8控制器状态编码与信号灯关系表Q1Q0AG绿灯AY黄灯AR红灯BG绿灯BY黄灯BR红灯00100001010100011000110011001010由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CLK脉冲，一部分送给了定时器的74LS160芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS160芯片的情况下，通过芯片74LS10将会输出TY、TY非；TL、TL非。即TY和TY非放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和TL非放大的结果是秒脉冲的25倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY。TY非；TL。TL非分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片74LS08组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路图设计如图1-9图1-9译码器部分原理图123.2.5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1-9图1-9由74LS48和数码管组成的电路4系统调