数字交通灯设计.docx
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数字交通灯设计
毕业论文
题目:
基于数字电路交通灯设计
学院:
物理与电子工程学院
专业:
电子信息工程
毕业年限:
2012
学生姓名:
张旺东
准考证号:
412310100025
指导教师:
王春莲
目录
摘要1
关键词2
引言3
第一章方案论证4
1.1脉冲发生器设计论证4
1.2定时器电路设计论证4
1.3控制电路设计论证5
1.4信号灯的设计论证5
1.5时间显示电路的设计论证6
第二章电路设计8
2.1脉冲电路设计8
2.1.1NE555的引脚图及功能8
2.1.2秒脉冲发生器电路的元件参数计算9
2.2定时器电路设计10
2.2.1定时器电路所用芯片的引脚图及功能10
2.2.2定时器电路的工作原理11
2.3控制电路的设计12
2.3.1控制器所用芯片的引脚图及功能12
2.3.2控制电路的工作原理13
2.4信号灯的设计16
2.5时间显示电路的设计17
2.5.1时间显示电路所用芯片的引脚图及功能17
2.5.2时间显示电路的工作原理18
第三章电路分析与调试19
总结20
致谢21
参考文献22
附录A电路原理图23
附录BPCB板图24
附录C元器件清单25
基于数字电路交通灯设计
姓名:
张旺东指导老师:
王春莲届别:
2009级专业:
电子信息工程系班级:
09级电信本科班准考证号:
412310100025
摘要
交通灯在交通控制和管理方面起着越来越重要的作用。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统,它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
本设计结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理,并给出了一种简单实用的交通灯数字控制的电路设计方案。
交通灯的控制系统主要由脉冲信号发生器、定时电路、控制电路、信号灯转换器、时间显示电路组成。
Abstract
Thetrafficlighthasbecomingincreasinglyimportantintrafficcontrolandmanagement.Basedontheactualtrafficsituationinurbanandruralareas,thisdesignexpoundstheoperationalprinciplesofcontrolsystemoftrafficlightandgiveasimpleandpracticalcircuitdesignofdigitalcontroloftrafficlight.
关键词
交通灯;脉冲信号发生器;计时器;译码器
Keywords
Trafficlight;Pulsesignalgenerator;Timer;Decoder
引言
随着社会经济的发展和机动车辆的增加,城市交通问题越来越引起人们的广泛关注。
人、车、路三者关系的协调,是交通部门需要解决的关键问题,而交通灯控制系统在三者的协调中起着相当关键的作用,它用于交通数据检测、交通信号控制和交通疏导,是现代化交通控制系统中最重要的组成部分。
因此,如何设计简单、可靠、成本相对低廉的交通灯控制系统,将是此领域需要研究的重要课题。
交通灯控制系统包括脉冲信号发生电路、计时电路、数字显示译码驱动电路、控制电路等几个部分,其设计结构简单、控制方法新颖、精度高、可靠性好、成本低。
第一章方案论证
根据要求与设计的目的,该交通灯信号控制器电路由四大部分构成,由思路分析可知其总原理方框图如下:
图1-1交通灯信号控制器电路原理方框图
1.1脉冲发生器设计论证
555定时器是一款非常实用的集成芯片,它经常被用来定时。
因为555定时器输出稳定,驱动能力强。
电路如图1-2所示:
图1-2由555定时器组成的多谐振荡器
1.2定时器电路设计论证
所谓倒计时计数是指进行减计数。
这里我们采用功能强大的74LS192芯片。
它是一块可预置数可逆计数芯片。
它的时序波形图如图1-3所示:
图1-374LS192的时序波形图
LOAD为置数控制端;
A、B、C、D为数据输入口;
UP为加计数脉冲输入;
DOWN为减计数脉冲输入;
QA、QB、QC、QD为数据输出;
CO为加计数进位输出(低电平有效);
BO为减计数进位输出(低电平有效);
题中要求倒计时25秒,可以是0-24秒倒计时也可以是1-25秒倒计时。
习惯上1-25秒更符合人的特点。
而且我们要进行25秒、20秒、5秒的不同时刻交通灯的控制,经过多次设计和仿真发现采用1-25秒更为方便。
1.3控制电路设计论证
控制器是交通灯控制电路的核心。
控制器主要是通过定时器对定时器循环的控制和对交通灯的控制。
我们可以通过定时器的输出用一些由门组成的控制器进行控制。
1.4信号灯的设计论证
题中已要求采用发光二极管作信号灯,并且使用红、绿、黄三种颜色。
为了更逼真我们将在各条通道上使用两组相同灯作为各个方向的交通信号灯,而且从各个方向看去灯的从左到右的顺序为绿、黄、红排列。
如图1-4所示
图1-4信号灯布局
1.5时间显示电路的设计论证
这里的译码是把定时器输出的BCD码译成数码管显示的符号代码。
它不仅要能译码还要有一定的驱动能力。
由此我们选用了驱动能力强的74LS48。
其功能引脚图如图1-5所示:
图1-574LS48引脚图
表1-174LS48功能表
十进制
或功能
输入
输出
A3A2A1A0
abcdefg
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
灭灯
灭零
灯测试
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
×
1
0
1
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
0
×
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
××××
0000
××××
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0(入)
0
1
1111110
0110000
1101101
1111001
0110011
1011011
1011111
1110000
1111111
1111011
0001101
0011001
0100011
1001011
0001111
0000000
0000000
0000000
1111111
数码显示器的选择
译码驱动电路的输出是高电平有效,所以要选用共阴数码管。
第二章电路设计
2.1脉冲电路设计
2.1.1NE555的引脚图及功能
利用555定时器为主组成多谐振荡器,输出4Hz的矩型方波,实现脉冲电路功能。
555定时器的原理图如图2-1所示,功能表如表2-1所示:
图2-1555定时器原理图
表2-1555定时器功能表
输入
输出
阀值输入(
)
触发输入(
)
复位(
)
输出(
)
放电管T
0
0
导通
1
1
截止
1
0
导通
1
不变
不变
2.1.2秒脉冲发生器电路的元件参数计算
图中NE555外引线排列如图2-2(a)所示,其中1脚是电路地GND;8脚是正电源端Vcc,工作电压范围为5~18V;2脚是低触发端TR/;3脚是输出端OUT;4脚是主复位端Rd/;5脚是控制电压端CO;6脚是高触发端TH;7脚放电端DIS。
系统所需要的秒脉冲由定时器NE555所构成的多谐振荡器提供,多谐振荡器如图2-2(b)所示。
图2-2(a)
图2-2(b)
根据功能表和电路图计算如下:
由公式T=0.7(R1+2R2)C计算。
根据电容的常用标称值,当C=47μF时R1+2R2=30.395kΩ。
可取R1=10K,R2=10K。
用电脑仿真发现周期为0.99秒,基本符合要求。
2.2定时器电路设计
2.2.1定时器电路所用芯片的引脚图及功能
74LS192是上升沿触发,引脚图如图2-3所示,
图2-374LS192引脚图
CPU为加计数时钟输入端;
CPD为减计数时钟输入端;
LD/为异步预置端,低电平有效;
CR为异步清零端,高电平有效;
CO/为进位输出端,当1001后输出低电平;
BO/为借位输出端,当0000后输出低电平;
D3D2D1D0为数据预置端;
Q3Q2Q1Q0为数据输出端。
倒计时器初始状态为00100101,当输入一个脉冲,计时器就会减一。
低位的状态是0000时,再来一个脉冲,BO端就会由1→0,这时高位的CPD端由0→1。
高位因得到一个上升沿,从而触发,进行减1运算。
低位的状态变为1001。
当高低位的状态都为0000时,它们的LD端就会接低电平,从而进行异步置数。
计时器状态变为00100101。
秒脉冲再来就会重复以上操作。
功能表如表2-2所示:
表2-274LS192功能表
输入
输出
CR
LD/
CPU
CPD
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
x
x
x
x
x
x
x
0
0
0
0
0
0
x
x
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1
1
x
x
x
x
加计数器
0
1
1
x
x
x
x
减计数器
2.2.2定时器电路的工作原理
由于要显示2位数,所以需要2片74LS192级联组成。
当减到00时让芯片置数成25,这样第00秒将显示25而不会显示00。
第0秒时定时器输出将是0000和0000。
我们注意到十位显示只显示0、1、2,也就是只使用低位的两根线就行了,高位两根将一直输出00。
这样我们只要对六根输出线进行同时或在控制定时计数芯片置数。
又与定时计数芯片跳到00000000时就进行了置数,所以输出在极短的时间内又跳到置数25。
从74LS192的时序逻辑图中可以看出,它是在计数脉冲的上升沿时进行的相应动作,所以当它置数后要等到下一秒钟的上升沿到来时再进行一次减计数。
由于没有找到六输入的或门,我们发现可以使用两个3输入或非门和一个与非门,即
通过查阅74系列的资料后,我们找到了74LS27四个3输入或非门和74LS00四2输入与非门。
由此我们设计电路图如图2-4所示:
图2-4定时器电路图
2.3控制电路的设计
2.3.1控制器所用芯片的引脚图及功能
74LS107引脚图如图2-5所示,功能表如表2-3所示。
图2-574LS107引脚图
CLK1、CLK2为时钟输入端
J1、K1、J2、K2为数据输入端
Q1、Q2、/Q1、/Q2为输出端
CLR1、CLR2直接复位端(低电平有校)
表2-374LS107功能表
输入
输出
CLR
CLK
J
K
Q
Q/
L
X
X
X
L
H
H
↓
L
L
Q0
Q0/
H
↓
H
L
H
L
H
↓
L
H
L
H
H
↓
H
H
Q0/
Q0
H
H
X
X
Q0
Q0/
2.3.2控制电路的工作原理
控制电路的特点:
控制电路分为两部分:
译码电路和译码以后实现红绿灯交替工作的电路。
要想详细了解电路的特点,首先应了解交通灯的实际工作过程。
当启动交通灯系统开关后,交通灯开始工作:
某方向(假设为东、西方向)红灯亮,南、北方向绿灯亮,LED数码管从25s开始减数记数;
20s后,东、西方向的红灯、南、北方向的黄灯有频率地闪亮,LED数码管从5s开始减数记数;
5s后,东、西方向绿灯亮、南、北方向红灯亮,南、北方向的黄灯灭,LED数码管返回到25s开始减数记数;
20s后,南、北方向的红灯继续亮,东、西方向的黄灯有频率地闪亮,LED数码管从5s开始减数记数;
5s后,东、西方向红灯亮、南、北方向绿灯亮,东、西方向的黄灯灭,LED数码管返回到25s开始减数记数;
依此循环往复。
图2-6状态转换图
控制电路基本原理:
我们假定高电平表示该灯亮,低电平表示该灯灭,用L表示绿灯,Y表示黄灯,H表示红灯,1表示1条车道,2表示另一条车道。
根据设计要求,我们画出信号灯的时序逻辑图如图2-7所示:
图2-7各车道信号灯时序逻辑图
经过仔细观察和研究:
各灯亮灭的周期为50秒,红灯25秒变化一次,也就是一个计数周期。
电路要记住循环次数而且以两次为一个周期,这使我们想到了触发器。
当定时计数器置数端由1到0时,定时器开始置数,同时也出现了一个下降沿。
我们可以用这个下降沿作为触发器的脉冲信号。
触发器的两个输出端正好可以控制两个红灯的亮灭。
触发器我们选用74LS107。
考虑到TTL逻辑器件的高电平驱动能力不强,对红灯我们采用如图2-8所示电路:
图2-8红灯控制电路
对于绿灯和黄灯的控制,我们从25秒中选出05秒到01秒让黄灯亮,其余时间有绿灯亮。
表2-4定时器输出真值表
由表2-4可以看出只要QB1、QA1、QD0为0且QC0、QB0不能全为1.。
对QB1、QA1、QD0为0这一条件可以用3输入或非门实现,对于QC0、QB0不能全为1可以用一与非门实现。
如图2-9所示:
图2-95秒控制电路
当计数到5秒时,U5B将输出5秒的低电平。
这样我们就可以通过这个电路和触发器电路配合控制绿灯和黄灯的交替亮灭。
为了提高驱动能力,我们尽量使控制电路低电平有效,所以再使用74LS27上一多余的或非门组成一非门电路对U5B的输出取反来驱动绿灯亮。
为了提高黄灯的警示作用,让其闪烁,再用74LS00上一个多余的与非门对脉冲和U7C的输出进行与得到5秒的闪烁低电平信号。
如图2-10所示:
图2-10绿灯和黄灯接口电路
2.4信号灯的设计
每条信号上都要安排两个灯,这两个灯可以是并联也可以是串联,为了减小限流电阻上的损耗功率,同时也考虑到是逻辑芯片高电平输出有4V左右,而发光二极管的驱动电平为1V到2V,我们采用了并联方式。
如图2-11所示:
图2-11信号灯模型
2.5时间显示电路的设计
2.5.1时间显示电路所用芯片的引脚图及功能
74LS48的外引线排列如图2-12所示,功能表如表2-5。
A3A2A1A0组成8421BCA码为输入端,Ya~Yg为输出端。
、
、
为使能控制端,都是低有效。
为灯测试输入端,
为灭零输入端,
为灭灯输入/灭零输出端。
图2-1274LS48引脚图
表2-574LS48功能表
十进制
或功能
输入
输出
A3A2A1A0
abcdefg
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
灭灯
灭零
灯测试
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
×
1
0
1
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
×
0
×
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
××××
0000
××××
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0(入)
0
1
1111110
0110000
1101101
1111001
0110011
1011011
1011111
1110000
1111111
1111011
0001101
0011001
0100011
1001011
0001111
0000000
0000000
0000000
1111111
2.5.2时间显示电路的工作原理
时间显示器由两片七段显示译码器74LS48和两片半导体数码管构成。
其组成如图2-13所示,译码显示电路较简单,直接将定时器输出的BCD码接入74LS48的输入端输出端直接接对应的数码管引脚。
因74LS48的控制端是低电平有效要将控制端全部接高电平才能正常显示。
图2-13时间显示电路图
第三章电路分析与调试
1.通过前面的设计后,我们画出了整个电路的原理图,再在仿真软件里进行了仿真,仿真都达到了理想的效果。
再在protel里进行电路板的设计,经过几小时的的设计得到了令人满意的PCB图,由于顶层线不多,我们选择用单面板做,省成本,成功率也高些。
这样做出板后,对线路进行检查,没发现有短路或断路的线,再安装好各元器件。
再次对线路、焊点引脚进行了检查排错,直至无误。
2.在做好电路板后开始通电试验后,开始几秒钟数码管显示一些乱符号,但过了几秒后进入了正常的显示,一个周期结束后返回到置数的25秒开始倒计时。
之后一直如此循环。
说明电路已经正常工作了。
至于开始为什么不能正常显示,我们分析,由于通电瞬间芯片电源后各门的信号输入是同时给给的,输入和输出可能不相配,导致出现一些乱符号。
随着脉冲的推移,各门电路开始进入正常的输入和输出。
3.显示正常后我们发现绿灯和黄灯的亮度不够,查看分析后找到了原因,触发器的输出高电平不够。
我们在触发器的输出端分别接一个1K的上拉电阻,绿灯和黄灯发光正常了。
总结
通过这次对交通信号灯控制电路的设计与制作,让我对课程设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识,使我更加清楚了课本知识的重要性。
在此次交通信号灯控制电路的设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体使用方法。
在操作与仿真的时候有很多的问题,平时的学习与操作都不是很踏实。
在连接进制的进位接法中,要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正了,从而提高了自己检验并纠正错误的能力,为自己接下来的专业学习打好了基础,在成功完成设计的同时也增强了自信。
通过这次毕业设计学习,让我对各种电路都有了大概的了解,也学会了常用绘图软件的使用,更让我懂得了学习的书本知识仔实际应用中的不足,以后的学习中更应该重视操作与动手能力的培养。
只有亲手做,亲手体验才能更易巩固所学知识,尝到了将理论应用于实践的甜头,也认识到以后应更加重视理论和实践相结合,才能更好的学到知识。
同时,课程设计也是培养我们耐心的一次动手操作实践的机会,在仿真中出现的错误,我们会认真的去找错误,并且去通过不断的查找与调试来完成任务,这个过程对我们的耐心有很大程度的提高,希望学校给更多的机会给我们,在以后的学习中,我们也会充分利用每次实践的机会提高自己的能力。
致谢
随着毕业日子的到来,毕业设计也接近了尾声。
经过一个多月的奋战我的毕业设计终于完成了。
在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结,但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。
毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。
自己要学习的东西还太多,以前老是觉得自己什么东西都会,什么东西都懂,有点眼高手低。
通过这次毕业设计,我才明白学习是一个长期积累的过程,在以后的工作、生活中都应该不断的学习,努力提高自己知识和综合素质。
在此要感谢我的指导老师王春莲老师对我悉心的指导,感谢所有老师给我的帮助。
在设计过程中,我通过查阅大量有关资料,与同学交流经验和自学,并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富,使我终身受益。
参考文献
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[2]陈大钦电子技术基础实验[M].第3版.高等教育出版社.2008.
[3]梁宗善电子技术基础课程设计[M].武汉:
华中理工大学出版社.
[4]彭介华电子技术课程设计指导[M].北京:
高等教育出版社.
[5]杨志忠数字电子技术[M].北京:
高等教育出版社.
[6]王正勇ProtelDXP使用教程[M].北京:
高等教育出版社.
[7]高吉祥电子技术基础实验与课程设计[M].电子工业出版社.2003.
附录A电路原理图
附录BPCB板图
附录C元器件清单
名称
规格
数量
电阻
47KΩ
2
1KΩ
1
数字芯片
NE555
1
74LS192
2
74LS107
1
74LS27
1
74LS00
1
74LS48
2
74LS04
1
电容
0.01μF
1
10μF
1
LED灯
-------
12
LED数码管
2
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 数字 交通灯 设计