数电课程设计-交通灯

本科课程设计专用封面 设计题目： 交通灯虚拟控制器设计与制作

所修课程名称： 数字电子技术课程设计

修课程时间： 2016 年 12 月 19 日至 12 月 23 日

完成设计日期： 2016 年 12 月 23 日

评阅成绩：

评阅意见：

评阅教师签名： 2016 年 12 月 23日

工 学院 2014 级 电气工程及其自动化 专业 姓名 米翰思 学号 2014180225

………………………………（装）………………………………（订）………………………………（线）……………………………… 目 录

一．设计要求 ....................................................... 1

二．题目分析 ....................................................... 1

三．总体方案 ....................................................... 1

四．原理图设计 ..................................................... 1

4.1秒脉冲发生器 ................................................ 1

4.2定时器 ...................................................... 2

4.3控制器 ...................................................... 3

4.4信号灯显示 .................................................. 5

4.5显示部分 .................................................... 6

4.6主要器件的选件 .............................................. 7

4.7.设计原理图 .................................................. 8

五．各部分定性说明以及定量计算 ..................................... 9

六．在设计过程中遇到的问题及排除措施 ............................... 9

七．设计心得体会 ................................................... 9

7.1系统综述 .................................................... 9

参考文献 ........................................................... 9

1

交通灯虚拟控制器设计与制作 一．设计要求 设计并制作一具有三种信号灯的十字路口交通灯控制器。要求： 1）由一条主干道和一条支干道汇合成的十字路口，每个入口处设置-红、绿、黄三盏信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车量有时间停在禁行线外； 2）信号灯变换次序为：主支干道交替允许通行，主干道每次放行45s，亮5s黄灯，让行驶中的车辆有时间停在禁行线外；支干道放行30s，亮5s黄灯，让行驶中的车辆有时间停在禁行线外。 3）各计时电路采用倒计时显示。 二．题目分析 交通灯在实际应用当中，红灯亮时，禁止通行；绿灯亮时，则允许通行；黄灯亮时，则提示司机将行驶中的车辆减速并并准备停下来。 一般交通灯控制电路电路主要由定时器、控制器、译码和显示几个部分组成。设计十字交通叉路口的两条道路分别为东西向和南北向，东西向和南北向的红、绿、黄三色信灯是相互关联的。分析交通灯的点亮规则，可以归结为：东西向绿灯亮时，南北向红灯亮；东西向黄灯亮时，南北向红灯还要亮；东西向红灯亮时，南北向绿灯亮，或者南北向黄灯亮。因此，可以得到其工作时序，即南北向红灯亮的时间是东西向绿灯和黄灯亮的时间这和；东西向红灯亮的时间是南北向绿灯和黄灯亮的时间这和；东西向、南北向的红灯、绿灯和黄灯不能同时亮。 三．总体方案 根据设计任务和要求，而确定交通灯控制器电路的系统工作框图如下1-1所示。通过主控制计数器（74LS74）控制电路的运作和红绿黄灯三种信号灯的转换，用两条QQ̅控制信号灯的显示。

四．原理图设计 4.1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R1=1MΩ、𝑅2=1MΩ,C1=1μF的电阻电容值决定了脉冲宽度。既T=t1+t2，𝑡1=0.693(𝑅1+𝑅2)𝐶1，𝑡2=0.639𝑅2𝐶1，因此R1=1MΩ、𝑅2=1MΩ,C1=1μf。 如图2所示，R1=1MΩ、C1=1μF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，、C1上得到一个三角波。此三角波送到NE555的2脚输入端。由NE555内啊的比较器和门电路共同作用，维挂7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。 秒脉冲发生控 制 器 译 码 器 定 时 器 甲车道信号灯

乙车道信号灯 图 1 系统的原理框图

图 2 NE555管脚分布图

2

4.2

定时器 计数电路上边74LS192为高位片，下边74LS192为低位片，低位片DOWN输入秒脉冲信号，高低位片的DCBA输入分别为时间设置电路的从左至右的八个Y输出端。高低位片的输出QA QB QC QD全部通过二极管后由三极管放大回到LOAD时钟信号端。当计数器倒计时为0000 0001时，当下一个低位片的脉冲上升沿来临时，输出信号变为0000 0000 时，反馈置数信号变为0，产生一个下降沿脉冲，使控制器状态发生改变，这是置数信号仍然为0实现置数。当置数完成后置数信号才变为1，然后开始正常倒计数，原理如图6所示：

输入 输出 MR 𝑃𝐿̅̅̅̅ 𝐶𝑃𝑢 𝐶𝑃𝑑 𝑃3 𝑃2 𝑃1 𝑃0 𝑄3 𝑄2 𝑄1 𝑄0 图 3 秒脉冲发生器原理图

图 5 74LS192芯片管脚分布图 图 4 LM555内部设计图 3 1 

      0 0 0 0 0 0   d c b a d c b a 0 1 1     加计数 0 1 1     减计数 表格 1 74LS192功能表 4.3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，如下表所示。选用D 触发器74LS74做为时寄存器产生两种状态，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，则控制保持在00状态；否则控制器转换到

𝑄1𝑛+1𝑄0𝑛+1=01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项＂X＂来表示。其余况依次类推，就可以列出状态转换信号ST。 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的项所对应的输入或状态转图 6 定时器

图 7 74LS74管脚分布图 4 换条件变量相与，其中＂1＂用原变量变示，＂0＂用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程： 𝑄1𝑛+1=𝑄1𝑛̅̅̅̅𝑄0𝑛𝑇𝑌+𝑄1𝑛𝑄0𝑛+𝑄1𝑛𝑄0𝑛̅̅̅̅𝑇𝑌̅̅̅ 𝑄0𝑛+1=𝑄1𝑛̅̅̅̅𝑄0𝑛̅̅̅̅𝑇𝐿+𝑄1𝑛̅̅̅̅𝑄0𝑛+𝑄1𝑛𝑄0𝑛𝑇𝐿̅ 𝑆𝑇=𝑄1𝑛̅̅̅̅𝑄0𝑛̅̅̅̅𝑇𝐿+𝑄1𝑛̅̅̅̅𝑄0𝑛𝑇𝑌+𝑄1𝑛𝑄0𝑛𝑇𝐿+𝑄1𝑛𝑄0𝑛̅̅̅̅𝑇𝑌 INPUTS OUTPUTS 𝑃𝑅𝐸̅̅̅̅̅̅ 𝐶𝐿𝑅̅̅̅̅̅̅ CLK D Q 𝑄̅ L H   H L H L   L H L L   H H H H ↑ H L L H H ↑ L L H H H L  𝑄0 𝑄0̅̅̅̅ 表格 2 74LS74功能表 5 4.4信号灯显示 信号灯由3种颜色的LED组成，分别为红、黄、绿三种颜然的LED，其中红色与绿色由74LS74芯片控制亮灭，当倒计时至3秒时，由74LS192输出角发信号至NE555使NE555开始工作产生脉冲信号，使黄色LED闪烁，闪烁频率可调，原理与秒脉冲产生器相似，原理如图9所示：

图

8 控制器

图 9 黄色LED闪烁器 6 4.5显示部分 显示部分由74LS48和七段数码管组成，74LS48作为译码器，对74LS192的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出来74LS192的计数。即交通灯需要显示的时间。其如图10所示：

表格 3 74LS48芯片功能表

图 10 由74LS48和数码管组成的显示电路 7 4.6主要器件的选件 数量 描述 封装 备注 2 74LS_IC, 74LS192D IPC-7351\DO16 2 74LS_IC, 74LS48D IPC-7351\DO16 1 74LS_IC, 74LS74D IPC-7351\DO14 6 DIODE, 1N4148 IPC-2221A/2222\DO-35 4 BJT_NPN, 2N3707 Generic\TO-92 4 LED_red Ultiboard\LED9R2_5V 4 LED_green Ultiboard\LED9R2_5Vg 4 LED_yellow Ultiboard\LED9R2_5Vy 2 TIMER, LM555CM IPC-7351\M08A 2 SEVEN_SEG_DECIMAL_COM_K Generic\7SEG8DIP10A 共阴极 2 RPACK_VARIABLE_2X7, 180 Ω Generic\DIP-14 数码管电阻排 1 CAPACITOR, 10uF 瓷片电容 2 CAPACITOR, 10nF 3 CAP_ELECTROLIT, 1uF 电解电容 2 POTENTIOMETER, 1MΩ 滑动变阻器 1 POTENTIOMETER, 1MΩ 2 POTENTIOMETER, 1MΩ 1 RESISTOR, 5.1kΩ 电阻 2 RESISTOR, 10kΩ 6 RESISTOR, 1kΩ 2 RESISTOR, 50Ω 表格 4 主要器件参数 8

4.7.设计原理图

图 11 设计原理图 9 五．各部分定性说明以及定量计算 NE555脉冲频率计算，若设计1HZ频，则由计算式T=0.693(𝑅1+2𝑅2))𝐶1可得(𝑅1+2𝑅2))𝐶1=1.42857143，又因为𝑅1+𝑅2≤3.3MΩ，且𝑅1、𝑅2≥1KΩ，查阅资料后选择C1=1μf，R1=1MΩ、𝑅2=1MΩ，其中𝑅1、𝑅2为可调电阻，因此只需微调𝑅1、𝑅2便可以得到1HZ的脉冲方波。 六．在设计过程中遇到的问题及排除措施 线路太多，焊接过程中出现了焊接错误及布线凌乱，因为焊接技术不够强硬，出现了不少的虚焊及脱焊，导致了调试不成功。仿真期间遇到了面包板的接触不良，面包板的短路问题，导致实物仿真的过程出现了特别多的问题，如74LS48芯片无输出问题、数码管不亮、NE555产生波形不理想导致74LS192计时不正确等现象，但还是一步一步的的探索及请老师才得以解决这些问题。 七．设计心得体会 7.1系统综述 这次课程设计历时一个期。通过这一个星期的课程设计，我发现了自己的很多缺点与不足，自己知识的漏洞，看到时了知己的实践经验还不比较缺乏，理论平面系实际的能力还急需提高。 在课程设计过程中，光有理论知识是不够的，还必须懂一些实践中的知识。首先，我们要做好课前的仿真练习，只有仿真通过了，才能做接下来的硬件焊接部分。其次，在焊接电路之前，我们必须查阅好各个芯片的引脚图，知道一个芯片共有几个引脚，哪个引脚该接什么。最后，在焊接的时候，一定要细心，不能够三心二意，因为线比较多，所以一定要全神贯注。 结果出不来，不要急躁；看到其它同学提前完成了设计，不要急躁；当找不到问题所在处时，也不要急躁。总而方之，就是得静下心来，不急不躁，慢慢检查，慢慢体会。 本次课程设计也让我加深了对电子线路基本知识的理解，提高了我的综合运用所学知识的能力，增强了我的根据课程需要选学参考资料，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。同时我也初步学习到时了关于课程设计的基本方法、步骤和撰写设计论文的格式。 通过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐。还记得做仿真那晚，弄到了晚上八点半，就是为了解决一些硬件上出现的问题和疑问，最后还是找到了问题的所在。从仿真到硬件焊接，从硬件焊接到结果出来，我们经历了很多，在这期间，我们学到了很多，也收获很多。对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理：我们不能当事满足现在，要不断的挑战自己，迎难而上，不屈不挠，奋斗到底！既然是一名战士，那么就要不停的战斗，永不停息！ 参考文献 [1] 郭荣佐，数字电子技术基础，北京：高等教育出版社，2008年1月。 [2] 罗杰，电子技术基础实验，北京：高等教出版社，2008年