交通信号灯数字电路设计

交通信号灯可动控制器 一、 设计目的 1、巩固和加强《数字电子技术》课程的理论知识。 2、掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程。 3、掌握电子电路安装和调试的方法及其故障排除方法，学会用EWB 路仿 真。 4、 通过查阅手册和文献资料， 培养学生独立分析问题和解决问题的能力。 巩固所学知识，加强综合能力，提高实验技能，启发创新能力的效果 1、5、培养学生创新能力和创新思维。让学生通过动手动脑解决实际问题， 巩固课程中所学的理论知识和实验技能。 南北方向绿灯(NSG)亮 70s,东西方向红灯亮 EWR)亮; 二、 设计任务 设计一个交通灯控制电路,实现对城市十字路口的交通灯控制。 技术要求为： 1、东西方向绿灯(EWG)亮 70s,南北方向红灯亮(NSR)亮; 2、东西方向黄灯(EWY)亮 5s,南北方向红灯亮(NSR)亮; 3、南北方向黄灯(NSY)亮 5s,东西方向红灯亮(EWR)亮。 设计任务分析 本实验的知识点为：任意进制数加减计数器设计，触发器，555 定时电路的 工作原理以及基本控制逻辑电路的设计方法，参数计算和检测调试。 （1）秒振荡电路应能输出频率分别为为 1H 幅度为 5V 的时钟脉冲，要求误 差不超过 0.1S。为提高精度，可用 555 设计一个输出频率为 1Hz 的多谐振荡器 （2）计数器电路应具有 75 秒倒计时功能，可以通过 2 片 74LS190 级联来实 现。 （3）各个方向的倒计时显示可共用一套译码显示电路，只要用 2 个 4 输入 的 BCD_HEX 数码管接 74LS190 的输出即可实现。 （4）主控制电路和信号灯译码驱动用各种门电路和 JK 触发器组成，应能实 现计时电路的转换、各方向信号灯的控制。 三、 设计框图 首先分析实际交通灯控制电路，从主干道（南北方向）和支干道（东西方 向）入手，路口均有红、黄、绿三个交通灯显示数码管。其示意图如下： 图 1-1 十字路口交通信号灯控制示意图 1．系统工作流程图 设主干道通行时间为 N 1，支干道通行时间为 N2，主、支干道黄灯亮的时间均 为 N 3，通常设置为 N1=N2N3。系统工作流程图如图所示： 图 1-2 系统工作流程 2．系统硬件框图 硬件结构框图如图所示： 图 1－3 硬件结构框图 由于 Multisim 带有不需要译码的 4 输入 DCD_HEX 数码管，为了简便，在仿 真电路中直接使用 DCD_HEX 数码管，没有使用译码电路。 四．系统单元电路及设计原理 (1) 状态控制器 由流程图可见，系统有 4 种不同的工作状态，状态编码分别为 11、10、01、 00，状态编码为两个下降沿触发的 JK 触发器 74LS112 的输出： B Q 和 A Q。 当为 11 时，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。 当为 10 时，东西方向黄灯闪，南北方向红灯亮。 当为 01 时，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮。 当为 00 时，东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪。 JK 触发器由下面两路特殊的时钟信号驱动，所以会循环的在这四种状态之 间转换。 绿色的波形 （上） 为 B Q的时钟， 红色波形 （中） 为 A Q的时钟， 蓝色波形 （下） 为 555 定时器得到的1HZ 的时钟信号。 绿色信号的下降沿正好在第75 个时钟处， 红色信号的下降沿有两个一个在第70 个时钟处，另一个在第75 个时钟处。 这部分电路由纯粹的组合逻辑电路来实现， 思路如下： 当两片 192 计数器的 置数端都有效时（即输出为00）， B Q的时钟信号为0，否则为 1。 设计组合电路， 判断 当两片 192 的输出为 05 （即倒计时 70 秒） 时， 输出 C Q 为 0，否则 C Q为 1。这样得到了这样两个波形： 再把他们进行与操作，便可得到 A Q的时钟信号。 A Q 和 B Q的波形： (2) 状态译码器 以状态控制器输出作译码器的输入变量，根据 4 个不同通行状态实现对主、 支干道三色信号灯的控制要求，6 盏灯控函数真值表如表 2 所示。 表 2 由真值表得灯控函数逻辑表达式 R=NOT B Q，Y= B Q AND NOT A Q，G= B Q AND A Q r= B Q，y=NOT B Q AND NOT A Q，g= A Q AND NOT B Q Y 和 y 的控制信号在输入之前与时钟信号进行一下与操作， 为了达到黄灯闪 烁的效果。 电路图如下： (3) 递减计时系统 计数器选用集成电路 74190 较简便。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。 74190 没有专用的清零输入端， 但可以借助 QA、 QB、QC、QD 的输出数据间接实现清零功能。74190 功能表如表 3 所示。 表 3 选用两片 74190 时间控制可逆计数器，两片计数器之间采用异步级连方式， 利用个位计数器的借位输出脉冲直接作为十进制计数器的计数脉冲， 个位计数器 输入秒脉冲作为计数脉冲。 信号灯递减计数器电路图 (4) 秒脉冲发生器 秒振荡电路可由 555 多谐振荡器构成，参数计算如下： 取 C2=10F，要得到 1HZ 的方波信号，低电平时间 T2=0.5S，高电平时间 T1=0.5S 由（R1+2R2）C*0.69=T，T1=(R1+R2)*C*0.69，T2=R2*0.69*C， 得：R2=72.4k，R1=0，在仿真时，为了便于观察，可以缩短周期，这里取 R2=724，R1=1得到的近似为100HZ的方波。 五.系统总电路 进行主电路连接,得到完整的电路图,并进行运行、检测、调试.完整电 路图如下: 六． 系统调试仿真 用 Multisim 软件按照电路图连接电路并运行。上电以后，由于系统默认 仿 真时 间 比较慢 ， 数 码 管显 示 更 新 比较慢 ，调整 系统 仿真时 间， 在 Simulate-Interactive Simulation Setting 中，调整 Maximun time step ， 直到得到比较好的显示效果。也可以通过成倍的减小 555 的参数来调整时钟信 号，从而得到比较好的显示效果。 通过观察数码管的显示和红绿灯的亮灭，满足设计要求，一开始数码管从 75 减到 0，东西方向的绿灯亮 70 秒，然后东西方向的黄灯闪烁 5 秒，南北方向 的红灯一直亮，之后，数码管又恢复到 75，南北方向的绿灯亮 70 秒，然后黄灯 闪烁 5 秒，东西方向的红灯一直亮。 使用虚拟示波器观察 555 输出波形和控制信号 A Q B Q的波形， 都符合设计 要求。 七． 设计体会 通过这次交通灯的课程设计， 使我得到了一次用专业知识、 专业技能分析和 解决现实问题的能力。 使我在单片机的基本原理、 单片机应用学习过程中， 以及 在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步， 为日后成为一名合格 的应用型人才打下良好的基础。 综合课程设计让我把以前学习到的知识得到巩固 和进一步的提高认识， 对已有知识有了更深层次的理解和认识。 在此，由于自身 能力有限，在课程设计中碰到了很多的问题， 我通过查阅相关书籍、 资料以及和 周围同学交流得到解决。