交通信号灯课程设计最终版,交通信号灯控制器课程设计

('目录摘要......................................................................2关键词.....................................................................2引言.....................................................................2一、交通信号灯的设计目的以及要求...........................................3二、交通信号灯基本原理及设计方法...........................................3三、主控制器...............................................................53.174LS90引脚排列图与逻辑图.............................................53.274LS90的功能表及引脚功能.............................................6四、计数器.................................................................74.1计数器的作用..........................................................74.2计数器的工作情况......................................................74.3控制信号灯的译码电路的真值表..........................................84.4置数电路..............................................................94.5状态译码电路.........................................................10五、译码显示电路..........................................................115.15.1共阴极共阴极LED七段数码管.................................................115.2CD4511译码器........................................................11六、555振荡器构成的秒脉冲电路............................................136.1555定时器的引脚.....................................................136.2555定时器构成的多谐振荡器...........................................156.3555定时器工作原理...................................................16七、交通灯信号灯控制总体框图..............................................17八、组装和调试过程........................................................17九、仿真结果..............................................................19总结....................................................................24参考文献.................................................................251摘要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，全部由数字电路组成,比以前的方案更为精确。关键词：控制器计数器信号灯译码电路引言黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族遍及全世界陆、海、空交通领域了。中国最早的马路红绿灯，是于1908年出现在上海的英租。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。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。2一.交通信号灯的设计目的以及要求智能化交通灯能确保车的安全、迅速地通行，在交叉道口设置红绿灯三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线之外。设计要求如下：1.用红绿灯三色发光二极管作信号灯，用传感器或逻辑开关代替传感器作检测车辆是否到来的信号，设计制作一个交通灯控制器；2.主干道处于常通行的状态，而支干道有车来才允许通行，当主干道允许通告亮绿灯时，支干道亮红灯，而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯。3.当主支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行45S，支干道每次放行25S，设立45S和25S计时显示电路。4.在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5S的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线之外，设置5S计时显示电路。二.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，按主支干道通行的时间来看，设置N1﹥N2﹥N3。系统工作流程图如图所示。3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。交通信号灯控制原理电路框图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45s。2）5s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25s。4）5s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情主干道绿灯亮，支干道红灯亮计数器由N1到45递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25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显示器译码器计数器时钟信号发生器支干道信号灯信号灯译码驱动电路主干道信号灯主控电路4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。状态转换图如图所示。三.主控制器3.174LS90引脚排列图与逻辑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。下图为74LS90管脚排列图,逻辑图如图所示。为以后叙述方便，设X1=QB,X0=QA。74LS90管脚排列图S0S1S2S345s后5s后25s后5s后状态转换图574LS90QAQBQCQDR01R02S91S92CP0CP1主控制器的逻辑图3.274LS90的功能表及引脚功能.74LS90功能表输入输出功能清0置9时钟QDQCQBQAR0(1)R0(2)S9(1)S9(2)CP1CP2110××0××0000清00××011××1001置90××00××0↓1QA输出二进制计数1↓QDQCQB输出五进制计数↓QAQDQCQBQA输出8421BCD码十进制计数QD↓QAQDQCQB输出5421BCD码十进制计数11不变保持6如表74LS90功能表，74LS90逻辑功能为(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。(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。四.计数器4.1计数器的作用计数器的作用有二：一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45s、25s、5s3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。4.2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80s计数；45s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25s计数；25s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7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45s、25s、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=其中：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)。下图为计数器。8图计数器(利用74LS90正计数功能)4.3控制信号灯的译码电路的真值表主控制器的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，灯灭为0，则控制信号灯的译码电路的真值表。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：4.4置数电路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、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是二输入端四与非门，它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门。74LS04、74LS00、74LS10引脚图如下图所示：9123456789101112131474ls04vccGND图74LS04六非门内部结构引脚图123456789101112131474ls00vccGND图74LS00四入与非门内部结构引脚图图74LS10三输入与非门内部结构引脚图4.5状态译码电路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，如图所示。10图状态译码电路五.译码显示电路译码显示电路主要是由共阴极共阴极LED七段数码管，CD4511译码器组成。5.15.1共阴极共阴极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：11图共阴极数码管引脚图5.2CD4511译码器图CD4511管脚功能排列图1.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。2.数码连接译码电路12CD4511是一种BCD码输入端,其中D是高电位;a、b、c、d、e、f、g是输出端,输出高电平有效,和共阴极半导体发光数码管各发光段的阳极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，CD4511和数码管的管脚排列图:图七段数码显示器管脚接法图数码管连接电路图3.真值表共阳极数码管的数字显示真值表如下表所示：表七段显示译码电路真值表13六.555振荡器构成的秒脉冲电路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。6.1555定时器的引脚555定时器内部结构和引脚排列图，如内部电路图，引脚排列图。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，两者均由分在器上取得。14图555的内部电路图图555定时器引脚排列图555定时器个引线端的用途如下：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，使基本触发器置0，即Q0=0，=1，这时定时器输出U0=0；157．7端D为放电端。当基本触发器的=1时，放电晶体管T导通，外接电容元件通过T放电；8．8端VCC为电源端，可在4.3-1.6V范围内使用，若为CMOS电路，则VCC=3-18V。表7-1555定时器功能表，它全面表示了555的基本功能。555定时器功能表6.2555定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器产生矩形波的自激振荡电路，由于矩形波包含和高次谐波成分，因此称为多谐振荡器。如图7-3555定时器图7-4波形图采用555设计的多谐振荡器及其工作波形，其振荡频率与实际的数字钟频率略有出入，但可以通过校时装置校时。多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用555实现多谐振需要外接电阻R1，R2和电容C，并外接+3V的直流电源。只需在+VCC端接上+3V的电源，就能在3脚产生周期性的方波。16图本次设计的秒脉冲电路图6.3555定时器工作原理接通电后，它经过电阻和对电容C充电，当上升略高于时，比较器C1的输出为“0”，将触发器置“0”，为“0”。这时，＝1，放电管T导通，电容C通过和T放电，下降。当下降略低于时，比较器C2的输出为“0”，将触发器置“1”，又由“0”变为“1”。由于＝0，放电管T截止，又经过和对电容C充电。如此重复上述过程，为连续的矩形波。第一个暂稳状态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的（＋）Cln2＝（＋）第二个暂稳状态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时间：17Cln2＝振荡周期=+(＋2)振荡频率占空比由式可得,占空比大于总是>%50。若设占空比=%50，又知交通信号灯的振荡周期是1S，可得到本次所需要的元器件阻值：R1≈4.7KΩR2≈4.7KΩC1≈100uFC2≈0.01uF七.交通灯信号灯控制总体框图根据设计各部分功能可画出交通信号灯控制系统总体框图：18图交通信号灯控制系统总体框图19八.组装和调试过程在电路板上按整机框图把主控制器、计数器、信号灯译码器、数子显示译码器和秒脉冲信号发生器焊接好然后按以下步骤进行调试：1．秒脉冲信号发生器的调试，按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和分频电路，使输出设计符合设计要求。2．将秒脉冲信号送入主控制器的CP端，观察主控制器的状态是否是按00、01、10、11、00…的规律变化。3．将秒脉冲信号送入计数器的CP端，接入主控制器的状态信号X0、X1，并把主控制器的状态信号送入主控制器的CP端，观察计说器是否按45秒、5秒、25秒、5秒、45秒…循环计数。4．把主控制器的状态转换信号X1、X0接至信号灯的译码电路，观察6个发光二极管是否按设计要求发光。5．整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作。以上是本次设计的全过程，由以上分析知此设计所需材料有：3片74LS90、2片4511BD和2个共阴数码管、1个555定时器、7片74LS04、4片74LS00、2片74LS15、4片74LS10、20个390ohm电阻、2个4.7k电阻、1个100UF电容、1个0.01UF电容和导线若干。2021九.仿真结果图1第一次45秒开始时绿红22图2第一次45秒结束时绿红23图3第一次5秒开始时黄红24图4第一次5秒结束时黄红25图5第一次25秒开始时红绿26图6第一次25秒结束时红绿27图7第一次最后5秒开始时红黄28图8第一次最后5秒结束时红黄29图9第二次45秒开始时绿红30总结经过将近两周的时间，在我们的共同努力之下终于完成了这次的课程设计。在这次课程设计中我学到了很多知识，了解了很多课是不能学到的知识，受益匪浅。但在这次课程设计中我们也遇到了很多困难，由于自己知识的不足，我们也走了很多弯路。使我们意思到了，自己学习的局限性，使我们明白了学习应该善于总结，敢于创新，灵活运用所学知识。一下就是我这次课程设计的心得。首先，当我们拿到课程设计书后，我们首先查了很多有关这次课程设计的资料，对课程设计内容有了一个粗略的了解。然后我们对课程设计内容做了细致分析，我们做出了一个整体的设计，设计了一个整体的设计电路。在这些过程后，我们对设计中所学要用到的常用芯片作了了解。首先我们弄清了所需要使用到的芯片的型号，以及其所能实现的功能和它的管脚图。另外，我们对元器件的参数作了精确的计算，对由555定时器构成多谐振荡器的电阻值、电容值作了详细的计算。其次，我们这次课程设计内容可分为几部分，主控制器，计数器，译码显示电路，555振荡器构成的秒脉冲电路。其中主控制器，计数器都是由74ls90芯片及必要门电路构成。所以我们对74ls90芯片做了细致的查询。74ls90芯片可以构成二进制，五进制，十进制。在这次课程设计中我们要用到三片74ls90芯片，其中两片分别都连成十进制，由第三片控制构成45进制，25进制，5进制（第三片作为控制端）。而且74ls90芯片是上升沿触发，所以三个计数的输出端一接一个非门在接到芯片的时钟端。这种设计与我们平常上课时的电路有所不同，灵活了许多。之前我们只知道用一两个芯片构成一种进制的方法，而这次我们用到了控制端，使两个能分别构成三种计数之间的转换。所以我感觉学习知识的时候，应该灵活运用，把课本的知识多扩展，争取做到举一反三。最后我们用仿真软件对电路进行了仿真。之前我们对一些仿真软件不了解，操作起来不熟练，但最后经过反复的尝试我们终于方针成功了。在这个过程中，我们用的是Multisim10。在我们第一次仿真时，经过很长时间我们还是得不到结果，最后才发现，原来电路连接有问题，最后经过改正后终于仿真成功了。真是感觉很高兴，这么长时间的努力有了回报，很有成就感。通过此次课程设计，我不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来电子的发展方向，使自己在专业知识方面和动手能力方面有了质的飞跃。总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现31其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。参考文献1.毕满清.《模拟电子技术基础（第一版）》2.韩焱.《数字电子技术基础（第三版）》32',)