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数电电路课设--交通灯（word版）.docx

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.25M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    交通灯控制系统设计报告
    华北科技学院课程设计 交通灯控制系统设计报告 目 录 一．设计任务和要求………………………………………02 二．系统模块功能关系设计………………………………02 三．电路设计计算与分析…………………………………03 3-1 时钟脉冲信号的产生………………………………03 3-2 主状态控制电路……………………………………03 3-3 信号灯驱动电路……………………………………04 3-4 计时器电路…………………………………………06 3-5 计时器显示电路………………………………………10 3-6 总体电路图仿真……………………………………11 四．PCB 制板说明及其附图…………………………………12 五． 电路设计总结与心得…………………………………14 六．附录………………………………………………… 16 七． 参考文献………………………………………………17 1
    华北科技学院课程设计 一．设计任务和要求 利用所学数字电路知识，设计简单交通灯控制电路。在由一 条主干道和一条支干道汇合形成的十字交叉路口，为确保车辆安 全、迅速地通行，在交叉路口的每一个入口处设置红、黄、绿三 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止线外，以此实现红绿灯对城市交通的 自动指挥。 （1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。 （2）当主道允许通行时绿灯亮，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，主干道每次允许放行 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。 二．系统模块功能关系设计 本系统设计中，根据要求可以建立四个功能模块，分别是主 控制器模块、时钟脉冲信号发生模块、计时器与时间显示模块、 信号灯驱动模块。主控模块起到控制和联系其它各模块的作用， 其它模块反过来作用于主控模块，实现整个系统的正常运行。经 过最终设计与论证，得到个模块的关系如下图所示： 时 钟 脉 冲 主控制电路 计时器电路 2 信号 灯与 时间 显示
    华北科技学院课程设计 三．电路设计计算与分析 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 144K 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 成的多谐振荡器如图 3-1 所示。 VCC 5V VCC R1 39kΩ 49 R2 51kΩ 54 U34 555_TIMER_RATED XSC1 VCC OUT 50 Tektronix 1 2 3 4 T P G RST DIS THR TRI CON GND C1 10uF 53 C2 10nF GND GND 图 3-1 555 定时器构成的多谐振荡器 2.主状态控制电路 主控电路是本系统的核心，它的输入信号来自主干道和次干 道计时系统有进位输出时产生的脉冲，它的输出一方面经显示驱 动电路控制主干道和次干道信号灯的状态，另一方面控制计时系 统的置数，根据信号灯的不同状态，给主干道和次干道计时器置 入时间信号，让计时器按照预定的时间间隔工作。主控电路属于 3
    华北科技学院课程设计 时序逻辑电路，由于主干道和次干道各自的三种灯正常工作时只 有四种可能，即四种状态：主绿灯和支红灯亮，主道通行；主黄 灯和支红灯亮，主干道准备停车；主红灯和支绿灯亮，支干道通 行；主红灯和支黄灯亮，支干道停车。因此，我们可以用双 D 触 发器构成二进制加法器，实现四个状态的循环转换，关系图如图 3-2 所示。 主绿灯支红灯 亮 S0 主 红 灯 支 黄 灯 亮 S3 11 00 10 01 主 黄 灯 支 红 灯 亮 S1 主 红 灯 支 绿 灯 亮 S2 图 3-2 主控器状态转换图 双 D 触发器的连接如图 3-3 所示。 U19A 4 ~1PR 5 6 1Q 1D ~1Q 1CLK 2 3 U20A 4 ~1PR 5 6 1Q 1D ~1Q 1CLK 2 3 ~1CLR 1 3 74LS74D ~1CLR 1 1 74LS74D 图 3-3 双 D 触发器构成的二进制计数器 令左边触发器两个输出端为 Q1 和 Q1’,右边触发器的两个输出端 分别为 QO 和 Q0’，则 Q1Q0 的状态变化依次是 00、01、10、11。 3.信号灯驱动电路 4
    华北科技学院课程设计 主控制器的四种状态分别要控制主、支干道红黄绿灯的亮与 灭。令灯亮为“1”，灯灭为“0”，主干道红黄绿灯分别为 R、Y、 G，支干道红黄绿灯分别为 R、Y、G，则信号灯驱动电路真值表为： 输 入 输 出 Q1 0 0 1 1 Q0 0 1 0 1 R 0 0 1 1 Y 0 1 0 0 G 1 0 0 0 R 1 1 0 0 Y 0 0 0 1 G 0 0 1 0 由以上真值表可得到各灯的逻辑表达式分别为： R=Q1Q0’+Q1QO=Q1; Y=Q1’Q0; G=Q1’+Q0’ R=Q1’Q0’+Q1’Q0=Q1’;Y=Q1Q0; G=Q1Q0’ 因此得到主支干道的信号灯驱动电路如图 3-4 所示。 主干道 X5 X1 X7 支干道 X6 X3 X8 2.5 V 2.5 V 2.5 V 2.5 V 2.5 V 2.5 V 13 12 11 7 5 10 U15A 74LS04D U11A 74LS08D U12B 74LS08D U14D 74LS08D U17B 74LS04D 74LS08D U10C 6 8 U19A 4 ~1PR 4 9 U20A 4 ~1PR 5 6 1Q 1D ~1Q 1CLK ~1CLR 1 2 3 74LS74D 5 6 1Q 1D ~1Q 1CLK ~1CLR 1 2 3 74LS74D 图 3-4 信号灯驱动电路图 5
    华北科技学院课程设计 4.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 1 3 1 7 6 2 3 2 1 3 1 7 6 2 3 O C R ~ N I M / X A M K L C D A O L ~ N E T C ~ D / U ~ D Q C Q B Q A Q U1 74LS190D D C B A O C R ~ N I M / X A M K L C D A O L ~ N E T C ~ D / U ~ D Q C Q B Q A Q U2 74LS190D D C B A VCC 5V 4 1 1 1 4 5 GND GND 0 1 5 1 1 9 4 1 1 VCC 0 1 1 5 1 9 1 1 5 4 16 图 3-4 计时器级联电路图 （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 6
    华北科技学院课程设计 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。 接 CO1 接 CO2 U16C 74LS05N U18D 74LS05N 17 18 U21A 74LS01N 20 接时钟脉冲 CP U22C 74LS01N U21B 74LS01N 19 接 LOAD 21 接主控器 CLK 端 图 3-5 基本 RS 触发器组成的进位输出电路 （3）由主控器状态控制的置数信号输入 按照设计要求，当主干道允许通行并亮绿灯时，主道计数器 需置入 30S 信号，30S 计完以后输出进位信号和主控脉冲信号，主 控电路进入下个状态，给主道计数器置入 5S 信号，同时主道黄灯 亮起，开始 5S 计时，5S 计完以后输出进位脉冲和主控脉冲信号， 置数端被打开，主控制器接到脉冲切换到下一个状态，给主计数 器输入下一个置数信号；在此过程中，次道信号灯一直是红色禁 止通行，计时器共计 35S 时间，因此，在主道开始亮绿灯允许通 行时，支道计数器应该被主控器置入 35S 计数信号，30S 后尽管主 控器状态发生变化，但次道仍然为红灯，次计数器没有进位输出， 置数开关关闭，不允许置数，直到 35S 后有进位输出而打开置数 端开关。35S 后，次道计数器和主道计数器同时送出进位输出， 7
    华北科技学院课程设计 两个置数开关被打开，主控器接受脉冲切换状态，并送出新的置 数信号，此时由于次道绿灯亮起允许通行，应该被置入 20S 计时 信号，20S 后输出进位信号，置数端打开，同时送出主控器脉冲， 使主控器切换到下一个状态，即次道黄灯亮起，接受 5S 置数信号， 并开始计时，直到 5S 后再次输出进位信号，打开置数开关，接受 新的置数，与此同时输出主控脉冲，使主控器状态变化。在次道 这 25S 的绿黄灯过程中，主道一直是红灯禁止通行，因此主计数 器在次道绿灯亮起的时刻应该被置入 25S 计时信号开始计时，直 到 25S 后与次道同时输出进位信号和主控脉冲信号，进入下一个 状态。至此，主次道以及主控器完成一次状态循环，具体关系如 图 3-6 所示。 主道信号灯 绿 黄 红 红 进位脉冲 冲 主道计时器 30s 5s 25s × 次道信号灯 红 红 黄 绿 进位脉 次道计时器 35s × 20s 5s 灯状态信号 主控制器 00 01 10 11 置数信号 图 3-6 主控器置数关系图 对于主干道和支干道计时器的置数信号输入端，设主道分别为 D1、 8
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