交通灯控制电路设计

课 程 设 计 课程名称   数字电子技术课程设计  目名称     交通灯控制电路设计  学生学院   物理与光电工程学院    专业班级   13电子科学与技术1班  学    号         3113008268        学生姓名           李玉祥          指导教师           陈元电          2014年06月 29 日 1 设计题目摘要 1.1 选题B：交通灯控制电路设计  由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。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内。实现红、绿灯的自动指挥对城市交通管理现代化有着重要的意义。 1.2 设计任务与要求  （1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。  （2）当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。  （3）主支干道交替允许通行，主干道每次放行30s、支干道20s。设计30s和20s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，设置5s计时显示电路。 2 原理电路和程序设计  2.1 方案比较  方案一：秒脉冲发生器使用晶振产生，数码管使用共阳极7段数码管，计数器利用时序逻辑电路的设计方法设计。  方案二：秒脉冲发生器使用555定时器，数码管使用共阴极7段数码管，减法计数器使用MSI的74LS190。  由于交通灯计数器不需要很精确的秒脉冲，而且555定时器如果利用进度高的小型电位器的话也可以达到很高的精度，而且不需要分频器；直接利用触发器设计计数器的话工作量大，而且电路复杂，话费多，所以使用集成芯片74LS190来作为计数器。74LS190是高电平输出，故使用共阴极的数码管。 2.2 整体电路 2.3 单元电路设计及工作原理  实现上述任务的控制器整体结构，如图所示。 3电路设计计算与分析  3.1时钟脉冲信号的产生  时钟脉冲信号由555定时器与相应大小的电阻和电容连接而成的多谐振荡器来产生。由于电路中需要的脉冲信号周期为1S，如果选用的电容分别是10UF和0.01UF，则根据周期计算公式T=(R1+2R2)CLN2，可得到R1+2R2的阻值为151K欧，因此我们令R1等于39K欧，R2等于51K欧，则连接而成的由555定时器构成的多谐振荡器如下图所示。 3.2主控制器 主控电路是本课题的核心，主要控制30s、20s、5s三个定时器，它的输出一方面经译码后分别控制主干道和支干道的三个信号灯，另一方面控制定时电路启动。主控电路属于时序逻辑电路，可采用状态机的方法进行设计。 主干道和支干道各自的三种灯（红、黄、绿），正常工作时，只有4种可能，即4种状态： 主绿灯和支红等亮，主干道通行，启动30s定时器，状态为S0； 主黄灯和支红灯亮，主干道停车，启动5s定时器， 状态为S1； 主红灯和支绿灯亮，支干道通行，启动20s定时器，状态为S2； 主红灯和支黄灯亮，支干道停车，启动5s定时器，状态为S3。 四种状态的转换关系如图5： 图5交通灯控制状态转换图 可用2个JK触发器达上述四种状态的分配和转换。  3.3计时器电路  计时器电路是本次设计中做复杂也最为关键的一部分，这一部分又可以分为输出和输入两部分。输入的信号除了秒脉冲时钟信号以外，更重要的是主控电路对其输入的置数信号。输出信号为三部分，分别是主次干道的计时显示电路、置数端开关控制信号、主控电路的脉冲控制信号。 （1）百进制计数器电路  这一部分我们选用两片十进制计数器芯片74LS190D级联而成。74LS190D可以实现加计数和减计数，由U/D控制，当输入为低电平时进行加计数，反之则为减计数，本次设计选用减计数，因此U/D端输入始终为高电平。CTEN端为扩展功能端，接入低电平时正常工作，级联接线如图3-4所示。 （2）置数端开关信号与主控器脉冲信号输出电路  当计数器每完成一个状态的计数后，需要打开自己的置数端接受主控器下一个状态的置数，同时输出脉冲送往主控器使其产生新的状态。由于每完成一个计数状态，计时器都会有一个低电平进位输出，我们可以将这个低电平送往置数端开关端口打开置数端，同时反向后送往主控器切换状态。但由于进位输出信号过于短暂，可能使主控器电路来不及反应就消失，造成电路不稳定。为了解决这一个问题，使进位输出信号有足够的宽度，我们想到用基本RS触发器组成反馈置数电路，由于进位输出信号是低电平，所以反馈电路可设计如图3-5所示。   图3-5  基本RS触发器组成的进位输出电路 3.4计时器显示电路  在本次设计中，主道和次道的计时显示电路我们仅仅用数码显示管DCD_HEX来完成，用于计时状态的显示，主道于此道显示器接法相同，如图3-9所示。 3.5元件选择 序号 名称 型号参数 数量 备注 1 加/减法计数器 74LS190D 2   2 七段数码管 DCD-HEX 4   3 4位二进制计数器 74LS163D 1   4 3线－8线译码器 74LS138D 1   5 反相器 74LS04D 4   6 或门 74LS32D 3   7 与门 74LS08D 2   8 或非门 74LS08D 2   9 电阻 150KΩ 2   10 电阻 51KΩ 1   11 电阻 39KΩ 1   12 电容 1uF 2   13 电容 10uF 1   14 电容 10nF 1   15 555计时器 LM555CM 1   16 发光二极管 大 2 红色 17 发光二极管 大 2 黄色 17 发光二极管 大 2 绿色           4电路和程序调试过程与结果 4.1主红灯和支绿灯亮，支干道通行，启动20s定时器 4.2主红灯和支黄灯亮，支干道停车，启动5s定时器 4.3主绿灯和支红等亮，主干道通行，启动30s定时器 4.4主黄灯和支红灯亮，主干道停车，启动5s定时器 5总结 5.1作品的优点 1）实验仿真作品基本符合本课程设计任务和要求 2）实验所用元器件不多，连线较简单 5.2作品的缺点 1）实验亮灯顺序是: 主红灯和支绿灯亮，支干道通行，启动20s定时器 主红灯和支黄灯亮，支干道停车，启动5s定时器 主绿灯和支红等亮，主干道通行，启动30s定时器 主黄灯和支红灯亮，主干道停车，启动5s定时器 与实验要求有些差异。 2）实验数码管控制电路只在主干道有，支干道的数码显示还是由主干道的数码控制电路。一旦主干道的数码管控制电路损坏，主支干路的数码管都不能显示，给交通带来极大不便。 5.3实验心得 通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。同时这次电路设计实习，使得我对数字电路更感兴趣，并且，在设计的过程中，积极去查阅资料，不仅学会了 独立思考，而且学会了在遇到困难的时候不慌忙，不乱阵脚，仔细查找问题。更好的提高了自己的动手能力，还主动帮助同学查找问题。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。  这次课程设计，我不仅对Multisim仿真软件操作更熟练，对各种芯片，比如74ls163，,7ls190，74ls138， 555等，都有了比较深入的了解。同时，也发现自己对课本知识的掌握很不足，所以课程设计也是一次让我巩固课本知识的实践机会。 参考文献 1.阎 石《数字电子技术基础（第五版）》北京:高等教育出版社,2005