仿真大作业

2013届课程大作业《交通信号灯自动定时系统》基于PROTEUS的电路设计与仿真课程大作业学生姓名王春景学号5011209204所属学院信息工程学院专业计算机科学与技术班级计算机13-2班指导教师孟洪兵教师职称副教授塔里木大学教务处制塔里木大学信息工程学院课程大作业第1页共12页前言随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调，多值化方向发展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.随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确。正文2.1设计目的（1）培养基于PROTEUS的电路设计能力。（2）熟悉由模拟图到实物图的转化过程。（3）掌握交通信号灯控制电路的设计、组装和调试方法。2.2设计内容及要求（1）主干道和支干道交替放行30s,支干道每次放行20s。（2）每次绿灯变红时，黄灯先亮5s，此时原红灯不变。（3）用十进制数字显示放行及等待时间。（4）用中、小规模集成电路组成交通信号灯电路，并在并在实验仪上进行组装、调试；（5）画出各单元电路图、整机逻辑框图和逻辑电路图，写出设计、实验总结报告。2.3交通信号灯基本原理及设计方法十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一个支干道的十字路口如图3-1所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮时表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。干道主红黄绿支道红黄绿干图2-3-1路口交通指挥系统示意图设主干道通行时间为N1，干道通行时间为N2，主、支干道黄等的时间均为N3，按主支塔里木大学信息工程学院课程大作业第2页共12页干道通行的时间来看，设置N1﹥N2﹥N3。系统工作流程图如图2-3-2所示。主干道绿灯亮，支干道红灯亮计数器由N1到30递增增计数主干道黄灯亮，支干道红灯亮计数器由N3到5递增计数主干道红灯亮，支干道绿灯亮计数器由N2到20递增计主干道红灯亮，支干道黄灯亮计数器由N3到5递增计S1S2S3S0图2-3-2系统工作流程图要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整机电路的原理框图如图2-3-3所示。四个路口设有红、黄、绿三色灯和两位8421BCD码的计数、译码显示器。显示器主控电译码器计数器时钟信号发生器信号灯译码驱动电路主干道信号灯支干道信号灯图2-3-3交通信号灯控制原理图2.3.1主控制器十字路口车辆运行情况只有4种可能：1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30s。2）30s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5s。3）5s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20s。4）50s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5s。5s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。状态转换图如图2-3-4所示。塔里木大学信息工程学院课程大作业第3页共12页S0S2S1S330s后5s后20s后5s后图2-3-4状态转换图十字路口车辆运行情况只有4种可能，实现这4个状态的电路，可用两个触发器构成，也可用一个二-十进制计数器或二进制计数器构成。我采用二-十进制计数器74LS90实现。采用反馈归零法构成4进制计数器,即可从输出端QBQA得到所要求的4个状态。图2-3-5为74LS90管脚排列图,逻辑图如图2-3-6所示。为以后叙述方便，设X1=QB,X0=QA。图2-3-574LS90管脚排列图74LS90QAQBQCQDR01R02S91S92CP0CP1图2-3-6主控制器的逻辑图2.3.274LS90的引脚功能(1)计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。(2)计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。(3)若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。(4)若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则构成异步5421码十进制加法计数器。塔里木大学信息工程学院课程大作业第4页共12页(5)清零、置9功能。a)异步清零当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。b)置9功能当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA＝1001。2.3.3计数器（1）计数器的作用：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行30s、20s、5s三种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。（2）计数器的工作情况：计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态S0时开始60s计数；30s后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始5s计数；5s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始20s计数；20s后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S3，计数器又开始5s计数；5s后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0，开始新一轮循环。根据以上分析，设30s、20s、5s计数的归零信号分别为A、B、C，则计数器的归零信号L为：L=A+B+C其中：A=S0QC2=QC2B=S2QB2QA2=QB2QA2C=S1QB1QA1+S3QB1QA1=X0QB1QA1考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将L取反后送到主控制器的CP端作为主控制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器(74LS90)。图2-3-7主控制器2.3.4信号灯译码驱动电路主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为1，灯灭塔里木大学信息工程学院课程大作业第5页共12页为0，则控制信号灯的译码电路的真值表。表二控制信号灯的译码电路的真值表主控制器状态主干道支干道X1X0红灯R黄灯Y绿灯G红灯r黄灯y绿灯gS000S101S210S311001010100100100100001010由灯控制真值表可写出六盏等的逻辑式,经化简获的六盏灯逻辑式为：R=QBr=QBY=QBQAy=QBQAG=QBQAg=QBQA图2-3-8信号灯译码驱动电路逻辑图根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图2-3-8所示。将状态控制器，状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，如图2-3-9所示。图2-3-9状态译码电路塔里木大学信息工程学院课程大作业第6页共12页2.3.5置数电路由真值表可分别写出各灯的逻辑表达式：R=S2+S3=X1X0+X1X0=X1Y=S1=X1X0G=S0=X1X0r=S0+S1=X1X0+X1X0=X1y=S3=X1X0g=S2=X1X0门电路是数字逻辑电路的基本组成单元，门电路按逻辑功能可分为：与门、或门、非门以及与非门、或非门、异或门、同或门、与或非门。若按电路结构组成的不同，可分为立元件门电路、CMOS集成门电路、TTL集成门电路等。各种集成门电路通常都封装在集成芯片内。此次设计采用的集成电路有74LS04、74LS00、74LS20、74LS10引脚排列图如下图所示这些集成电路的封装形式均为双列直插式。为双列直插式集成电路的右下方通常是地线GND，左上方引脚一般是电源线VCC，其它引脚的用途如图中符号所示，每个集成电路都有自己的代号，与代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途。如74LS00是二输入端与非门，它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门。74LS04、74LS00、74LS20引脚图如图2-3-10所示123456789101112131474ls04vccGND74LS04非门内部结构引脚图123456789101112131474ls00vccGND二输入与非门内部结构引脚图123456789101112131474ls20vccGND2D2CNC2B2A2Y1A1BNC1C1D1Y四输入与非门内部结构引脚图图2-3-102.3.6数字显示译码驱动电路（1）共阴极LED七段数码管数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字塔里木大学信息工程学院课程大作业第7页共12页段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。此次设计采用的是共阴极连接如图2-3-11所示图2-3-11共阴极数码管引脚图（2）74LS48译码驱动器74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器图2-3-1274LS48译码器引脚图引脚功能如下：74LS48的输入端是四位二进制信号(8421BCD码)，a、b、c、d、e、f、g是七段译码器的输出驱动信号，高电平有效。可直接驱动共阴极七段数码管，LT非、RBI非、BI非/非RBO是使能端，起辅助控制作用。各引脚的功能：其功能介绍如下：BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。塔里木大学信息工程学院课程大作业第8页共12页表三74LS48的真值表图2-3-13数码管连接电路图2.3.7555秒脉冲信号发生器555定时器是种中规模集成电路，只要外部配上适当阻容元件，就构成脉冲产生和整形电路。（1）555定时器的引脚时器555定时器内部结构和引脚排列图，如内部电路图2-3-14，引脚排列图2-3-15。555定时器内部含有一个基本RS触发器，配个电压比较器C1,C2,一个放电三极管T由三个5K的电阻的分配器，555定时器因此而得名一个输出缓冲器G3。比较器C1的参考电压为2VCC/3加在同相输入端C2的参考电压为VCC/3加在反相输入端，两者均由分在器上图2-3-14555的内部电路图塔里木大学信息工程学院课程大作业第9页共12页图2-3-15555定时器引脚排列图555定时器引线端的用途如下：1．1端为接地线；2．2端为低电平触发端，也称为触发输入端。当2端的输入高电压高于VCC/3时，C2输出为1；当输入电压低于VCC/3时，C2的输出为0，使基本触发器置1；3．3端U0为输出端；4．4端是复位端，当=0时，基本触发器直接置0，使Q=0，=1；5．3端UDD为电压控制端，如果CO端另加控制电压，则可以改变C1，C2的参考电压。工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01uF的电容接地，以防旁路干扰；6．6端TH为高电平触发端，当输入电压低于2VCC/3时，C1的输出为1；当输入电压高于2VCC/3时，C1的输出为0，