数字电子课程设计交通灯控制电路设计.docx
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数字电子课程设计交通灯控制电路设计
数
字
电
子
课
程
设
计
交通灯控制逻辑电路设计
一.简述
伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高,汽车的数量在不断的增加,交通的问题日益突出,单单依靠人力来指挥交通已经不可行了,所以,设计交通灯来完成这个需求就显的越加迫切了.为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。
为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过,往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。
其中红灯(R)亮,表示该条道路禁止通行;黄灯(Y)亮表示停车;绿灯(G)亮表示允许通行。
二、设计任务及方案
(1)设计要求:
1.设计一个十字路口的交通灯控制电路,要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行,每次通行时间都设为25秒;
2.要求黄灯先亮5秒,才能变换运行车道;
3.黄灯亮时,要求每秒钟闪亮一次。
(2)实际目的:
1.了解并掌握电路的一般设计方法,具备初步的独立设计能力。
2.进一步熟悉常用电子器件的类型和特性,并掌握合理选用的原则。
3.提高综合运用所学的理论知识。
独立分析和解决问题的能力。
4.进一步熟悉电子仪器的正确使用方法。
5初步掌握对电子线路安装与调试使用方法。
三、设计原理与参考电路
1.分析系统的逻辑功能:
交通灯控制系统的原理框图如图12-1所示。
它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源,译码器输出两组信号灯的控制信号,经驱动电路后驱动信号灯工作,控制器是系统的主要部分,由它控制定时器和译码器的工作。
图中:
TL:
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒,即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到,TL=1,否则,TL=0。
TY:
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到,TY=1,否则,TY=0。
ST:
表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。
由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
图12-1交通灯控制系统的原理框图
算法图12-2.交通灯控制器的ASM
(1)图甲车道绿灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行,乙车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔TL时,控制器发出状态信号ST,转到下一工作状态。
(2)甲车道黄灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行,乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。
(3)甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时,控器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。
(4)甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上位过县停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,系统又转换到第
(1)种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、11、10,并分别用S0、S1、S3、S2表示,则控制器的工作状态及功能如表12-1所示,控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见,把灯的代号和灯的驱动信号合二为一,并作如下规定:
表12-1控制器工作状态及功能如下:
控制状态
信号灯状态
车道运行状态
S0(00)
甲绿,乙红
甲车道通行,乙车道禁止通行
S1(01)
甲黄,乙红
甲车道缓行,乙车道禁止通行
S3(11)
甲红,乙绿
甲车道禁止通行,甲车道通行
S2(10)
甲红,乙黄
甲车道禁止通行,甲车道缓行
AG=1:
甲车道绿灯亮;
BG=1:
乙车道绿灯亮;
AY=1:
甲车道黄灯亮;
BY=1:
乙车道黄灯亮;
AR=1:
甲车道红灯亮;
BY=1:
乙车道红灯亮;
由此得到交通灯的ASM图,如图12-2所示。
设控制器的初始状态为S0(用状态框表示S0),当S0的持续时间小于25秒时,TL=0(用判断框表示TL),控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于25秒时,TL=1,控制器发出状态转换信号ST(用条件输出框表示ST),并转换到下一个工作状态。
依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。
2.单元电路的设计
(1)定时器
定时器由与系统秒脉冲(由时钟脉冲产生器提供)同步的计数器构成,要求计数器在状态信号ST作用下,首先清零,然后在时钟脉冲上升沿作用下,计数器从零开始进行增1计数,向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。
74LS163是4位二进制同步计数器,它具有同步清零、同步置数的功能。
74LS163的外引线排列图和时序波形图如图12-3所示,其功能表如表12-2所示。
图中,是低电平有效的同步清零输入端,是低电平有效才同步并行置数控制端,CTp、CTT是计图12-2交通灯的ASM图数控制端,CO是进位输出端,D0~D3是并行数据输入端,Q0~Q3是数据输出端。
由两片74LS163级联组成的定时器电路如图12-4所示。
图12-374LS163的外引线排列图和时序波形图
(2)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。
从ASM图可以列出控制器的状态转换表,如表12-3所示。
选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生4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,则控制器保持在00状态;如果,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"表示。
其余情况依次类推,同时表中还列出了状态转换信号ST。
图12-4定时器电路图
表12-2是74ls163的功能表:
表12-3是控制器状态转换表:
根据表12-3、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的项所对应的输人或状态转换条件变量相与,其中"1"用原变量表示,"0"用反变量表示,然后将各与项相或,即可得到下面的方程:
根据以上方程,选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数,将触发器的现态值()加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号.即可实现控制器的功能。
控制器的逻辑图如图12-5所示。
图中R、C构成上电复位电路。
(3)译码器
译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态,翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表12-4所示。
图12-5控制器逻辑图
四、实验内容及方法
实验仪器设备
1.数字电路实验箱
2.集成电路74LS741片,74LS101片,74LS002片,74LS1532片,74LS1632片,NE5551片
3.电阻51KΩ1只,200Ω6只
4.电容10Uf1只
5.其它发光二极管6只
表12-4控制器状态编码与信号灯关系表
状态
AGAYAR
BGBYBR
00
1 0 0
0 0 1
01
0 1 0
0 0 1
10
0 0 1
1 0 0
11
0 0 1
0 1 0
1.设计、组装译码器电路,其输出接甲、乙车道上的6只信号灯(实验时用发光二极管代替),验证电路的逻辑功能。
2.设计、组装秒脉冲产生电路。
3.组装、调试定时电路。
当CP信号为1Hz正方波时,画出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL.、TY的波形,并注意它们之间一的时序关系。
4.组装、调试控制器电路。
5.完成交通灯控制电路的联调,并测试其功能。
实验结果
1、设甲、乙通道各有红绿黄三只灯,交通灯显示情况:
(1)甲通道绿灯,乙通道红灯;
(2)甲通道红灯,乙通道绿灯;
(3)甲通道黄灯,乙通道红灯;
(4)甲通道红灯,乙通道黄灯;
(5)甲通道红灯,乙通道红灯;
a、手动操作交通灯显示:
(1)→(3)→
(2)→(4)→
(1)。
紧急状态交通灯显示(5)。
b、自动操作交通灯显示:
其中
(1)、
(2)持续20秒,
(2)、(4)持
续4秒。
2、设甲、乙通道各有红绿(直行和右转G1、左转G2)黄四只灯,交通灯显示情况:
(1)甲通道绿灯,G1持续20秒,然后G2持续20秒;B通道红灯;共40秒;
(2)甲通道红灯;乙通道绿灯,G1持续20秒,然后G2持续20秒;共40秒;
(3)甲通道黄灯闪烁,闪烁频率1Hz;B通道红灯;共4秒;
(4)甲通道红灯;乙通道黄灯闪烁,闪烁频率1Hz;共4秒;
自动操作交通灯显示:
(1)→(3)→
(2)→(4)→
(1)。
五、心得体会
我们运用所学的课本知识,以及查阅相关的文献,对设计过程中、所遇到的问题都一一的攻破,经这次设计证明,将所学的知识和电子设计方法想结合,大大的调动了我们学习的积极性,并有利于我们系统的科学地培养我们的实际动手能力,工程设计能力及创新设计能力,活耀了我们的思维,既符合由简到繁,循序渐进的教学规律,又能激发我们对电子线路设计的兴趣。
现代的社会是电子工艺的社会,很多的科技发明都是由计算机技术和电子技术结合而达到符合人们的生活要求的。
作为一名即将毕业的大学生,我认识到不仅要学好课本上的知识,还要学会吧学到的知识应用到现实生活中,要做到理论联系实际,认识其重要性和必要性。
在这两周紧张而充实的课程设计期间,我不仅要查阅资料,还要先复习以前学习过的知识,通过温故而知新,使我一开始就有了应该怎样完成“交通灯”的设计的方案。
在这次课程设计实习中,我收获很大,通过这次电子技术课程设计,学会了一些基本的画图技能,能够设计较为简单的一些电路。
这次课程设计主要是对以前电子技术理论课程的应用。
在这次课程设计过程中,结合实际的应用来理解以前学了而没有学会的知识,这给我对理论课的学习提供了很大的帮助。
也使我意识到理论和实际相结合的重要性。
参考文献:
1、《数字电路于逻辑设计》主编:
曹国清中国矿业大学出版社
2、《电子技术基础》主编:
康华光华中理工大学出版社
3、《电子技术课程设计指导》主编:
彭介华高等教育出版社
4.《电子线路设计-实验-测试》主编:
谢自美(第二版).
5、《实用电子控制电路》主编:
方大千、鲍萧伟国防工业出版社
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