課程設(shè)計---交通信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要3</b></p><p><b>　　關(guān)鍵詞3</b></p><p><b>　　引 言3</b></p><p>　　一、交通信號燈的設(shè)計目的以及要求4</

2、p><p>　　二.交通信號燈基本原理及設(shè)計方法5</p><p><b>　　三、主控制器7</b></p><p>　　3.1 74LS90引腳排列圖與邏輯圖7</p><p>　　3.2 74LS90的功能表及引腳功能.8</p><p><b>　　四、計數(shù)器9</b

3、></p><p>　　4.1計數(shù)器的作用9</p><p>　　4.2計數(shù)器的工作情況9</p><p>　　4.3控制信號燈的譯碼電路的真值表11</p><p>　　4.4秒信號產(chǎn)生電路12</p><p>　　五.譯碼顯示電路14</p><p>　　5.1譯碼顯示電路連

4、接圖14</p><p>　　5.2 CD4511譯碼器14</p><p>　　六.交通燈總體框圖17</p><p>　　七.組裝和調(diào)試過程17</p><p><b>　　總 結(jié)18</b></p><p>　　參考文獻。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

5、。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。18</p><p>　　交通信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著各種交通工具的發(fā)展和交通指揮的需要，第一盞名副其實的三色燈(紅、黃、綠三種標志)于1918年誕生。它是三色圓形四面投影器，被安

6、裝在紐約市五號街的一座高塔上，由于它的誕生，使城市交通大為改善。 </p><p>　　當前，大量的信號燈電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)， 多值化方向發(fā)展隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注.隨著社會的發(fā)展,城市規(guī)模的不斷擴大,城市交通成為制約城市發(fā)展的一大因素,因此,有許多設(shè)計工作者為改善城市交通環(huán)境設(shè)計了許多方案,而大多數(shù)都為交通指揮燈,本電路也正是基于前人設(shè)計

7、的基礎(chǔ)上進行改進的.全部有數(shù)字電路組成,比較以前的方案更為精確。</p><p>　　關(guān)鍵詞：控制器 計數(shù)器 信號燈 譯碼電路</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　黃色信號燈的發(fā)明者是我國的胡汝鼎，他懷著“科學救國”的抱負到美國深造，在大發(fā)明家愛迪生為董事長的美國通用電器公司任職員。一天，他站在繁華的十字路口等待綠

8、燈信號，當他看到紅燈而正要過去時，一輛轉(zhuǎn)彎的汽車呼地一聲擦身而過，嚇了他一身冷汗?；氐剿奚?，他反復琢磨，終于想到在紅、綠燈中間再加上一個黃色信號燈，提醒人們注意危險。他的建議立即得到有關(guān)方面的肯定。于是紅、黃、綠三色信號燈即以一個完整的指揮信號家族，遍及全世界陸、海、空交通領(lǐng)域了。 </p><p>　　中國最早的馬路紅綠燈，是于1908年出現(xiàn)在上海的英租。 從最早的手牽皮帶到20世紀50年代的電氣控制，從采用計

9、算機控制到現(xiàn)代化的電子定時監(jiān)控，交通信號燈在科學化、自動化上不斷地更新、發(fā)展和完善。</p><p>　　當前，大量的信號燈電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)， 多值化方向發(fā)展隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注.隨著社會的發(fā)展,城市規(guī)模的不斷擴大,城市交通成為制約城市發(fā)展的一大因素,因此,有許多設(shè)計工作者為改善城市交通環(huán)境設(shè)計了許多方案,而大多數(shù)都為交通指揮燈,本電路

10、也正是基于前人設(shè)計的基礎(chǔ)上進行改進的.全部有數(shù)字電路組成,比較以前的方案更為精確。</p><p>　　一、交通信號燈的設(shè)計任務以及要求</p><p>　　十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全運行。實現(xiàn)紅綠燈的自動指揮是城市交通自動化的重要課題。本課題利用數(shù)字路的基本知識和設(shè)計方法，設(shè)計一個簡單的交通燈控制系統(tǒng)要求。</p><p>　　1.掌握系統(tǒng)設(shè)計的一

11、般步驟和方法，掌握一個大的系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的相互作 用和相互制約關(guān)系；</p><p>　　2.運用數(shù)字電路理論知識自行設(shè)計并實現(xiàn)一個較為完整的小型數(shù)字系統(tǒng)。通過系統(tǒng)設(shè)計、電路安排與調(diào)試、寫設(shè)計論文等環(huán)節(jié)，初步掌握工程設(shè)計的具體步驟和方法，提高分析問題和解決問題的能力，提高實際應用水平；</p><p>　　3.學會用中規(guī)模器件設(shè)計一個符合要求的系統(tǒng)，并熟悉常用中規(guī)模器件的用法。<

12、/p><p>　　4.學會按照電路圖在面包板上合理布局使各器件在系統(tǒng)中的連線更簡單，清晰；</p><p>　　5.掌握連接實物圖的一般步驟和方法，學會系統(tǒng)安裝與調(diào)試的一般步驟和方法。</p><p>　　6.在實踐中運用理論知識，培養(yǎng)實際動手能力；</p><p>　　7.主干道的通行時間長于支干道的通行時間；</p><p

13、>　　8.每次由綠燈變?yōu)榧t燈或由紅燈變?yōu)榫G燈的前5秒四個路口要亮黃燈以提示過往車輛及行人注意路燈變化，安全通行；</p><p>　　9.設(shè)計正計時30s、20s計時數(shù)碼實現(xiàn)電路，要求每秒鐘改變一次數(shù)字； </p><p>　　10．在一個主支干道的十字路口，東西和南北方向各設(shè)置一個紅，黃，綠三種顏色的交通燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行。在綠燈變紅燈時先要求黃燈亮5秒鐘，

14、以便讓后來車輛準備停車。由于主干道車輛較多，支干道車輛較少，所以要求主干道處于通行狀態(tài)的時間要長一些，為30秒；而支干道通行時間為20秒。</p><p>　　二.交通信號燈基本原理及設(shè)計方法</p><p>　　十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。有一個主干道和一個支干道的十字路口如圖3-1所示。每邊都設(shè)置了紅、綠、黃色信號燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行，在綠燈變

15、紅燈時先要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓停車線以外的車輛停止運行。因為主干道上的車輛多，所以主干道放行的時間要長。</p><p>　　路口交通指揮系統(tǒng)示意圖</p><p>　　設(shè)主干道通行時間為N1，干道通行時間為N2，主、支干道黃等的時間均為N3，按主支干道通行的時間來看，設(shè)置N1﹥N2﹥N3。系統(tǒng)工作流程圖如圖所示。</p><p><b>　　系統(tǒng)工作流

16、程圖</b></p><p>　　要實現(xiàn)上述交通信號燈的自動控制，則要求控制電路由時鐘信號發(fā)生器、計數(shù)器、主控制器、信號燈譯碼驅(qū)動電路和數(shù)字顯示譯碼驅(qū)動電路等幾部分組成，整機電路的原理框圖如圖所示。四個路口設(shè)有紅、黃、綠三色燈和兩位8421BCD碼的計數(shù)、譯碼顯示器。 </p><p>　　十字路口車輛運行情況只有4種可能：1）設(shè)開始時主干道通行，支干道不通行，這種情況下主綠燈

17、和支紅燈亮，持續(xù)時間為30s。2）30s后，主干道停車，支干道仍不通行，這種情況下主黃燈和支紅燈亮，持續(xù)時間為5s。3）5s后，主干道不通行，支干道通行，這種情況下主紅燈和支綠燈亮，持續(xù)時間為20s。4）50s后，主干道仍不通行，支干道停車，這種情況下主紅燈和支黃燈亮，持續(xù)時間為5s。5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復。因此，要求主控制電路也有4種狀態(tài)，設(shè)這4種狀態(tài)依次為：S0、S1、S2、S3。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖所示。</p>

18、;<p><b>　　三、主控制器</b></p><p>　　3.1 74LS90引腳排列圖與邏輯圖</p><p>　　十字路口車輛運行情況只有4種可能，實現(xiàn)這4個狀態(tài)的電路，可用兩個觸發(fā)器構(gòu)成，也可用一個二-十進制計數(shù)器或二進制計數(shù)器構(gòu)成。我采用二-十進制計數(shù)器74LS90實現(xiàn)。</p><p>　　采用反饋歸零法構(gòu)成4進制

19、計數(shù)器,即可從輸出端QBQA得到所要求的4個狀態(tài)。圖4-1 74LS90管腳排列圖,邏輯圖如圖所示。為以后敘述方便，設(shè)X1=QB,X0=QA。</p><p>　　74LS90管腳排列圖</p><p><b>　　主控制器的邏輯圖</b></p><p>　　3.2 74LS90的功能表及引腳功能.</p><p>&

20、lt;b>　　74LS90功能表</b></p><p>　　如表7 4LS90功能表：7 4LS90邏輯功能為</p><p>　　(1)計數(shù)脈沖從CP1輸入，QA作為輸出端，為二進制計數(shù)器。 </p><p>　　(2)計數(shù)脈沖從CP2輸入，QDQCQB作為輸出端，為異步五進制加法計數(shù)器。 </p><p>　　(3)若

21、將CP2和QA相連，計數(shù)脈沖由CP1輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端，</p><p>　　則構(gòu)成異步8421碼十進制加法計數(shù)器。</p><p>　　(4)若將CP1與QD相連，計數(shù)脈沖由CP2輸入，QA、QD、QC、QB作為輸出端，</p><p>　　則構(gòu)成異步5421碼十進制加法計數(shù)器。</p><p>　　(5)清零、置9功能

22、。</p><p><b>　　a) 異步清零</b></p><p>　　當R0(1)、R0(2)均為“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”時，實現(xiàn)異步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。</p><p><b>　　b) 置9功能</b></p><p>　　當S9(1)、S9(2)均為“

23、1”；R0(1)、R0(2)中有“0”時，實現(xiàn)置9功能，即QDQCQBQA＝1001。</p><p><b>　　四、計數(shù)器</b></p><p><b>　　4.1計數(shù)器的作用</b></p><p>　　計數(shù)器的作用有二：一是根據(jù)主干道和支干道車輛運行時間以及黃燈切換時間的要求，進行30s、20s、5s 3種方式的

24、計數(shù)；二是向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，主控制器根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。</p><p>　　4.2計數(shù)器的工作情況</p><p>　　計數(shù)器除需要秒脈沖作時鐘信號外，還應受主控制器的狀態(tài)控制。計數(shù)器的工作情況為：計數(shù)器在主控制器進入狀態(tài)S0時開始60s計數(shù)；30s后產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進入狀態(tài)S1，計數(shù)器開始5s計數(shù)；5s后又產(chǎn)生歸零脈

25、沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進入狀態(tài)S2，計數(shù)器開始20s計數(shù)；20s后也產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進入狀態(tài)S3，計數(shù)器又開始5s計數(shù)；5s后同樣產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器回到狀態(tài)S0，開始新一輪循環(huán)。</p><p>　　根據(jù)以上分析，設(shè)30s、20s、5s計數(shù)的歸零信號分別為A、B、C，則計數(shù)器的歸零信

26、號L為：</p><p><b>　　L=A+B+C</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　A=S0 QC2= QC2 </p><p>　　B=S2 QB2 QA2= QB2 QA2</p><p>　　C=S1 QB1 QA1+S3 QB

27、1QA1= X0 QB1 QA1</p><p>　　考慮到主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下降沿觸發(fā)，將L取反后送到主控制器的CP端作為主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。可選用集成異步十進制加法記數(shù)器(74LS192)。圖5-1計數(shù)器。</p><p>　　圖計數(shù)器(利用74LS192減計數(shù)功能)</p><p>　　4.3控制信號燈的譯碼電路的真值表</p><p

28、>　　主、支干道上紅、黃、綠信號燈的狀態(tài)主要取決于狀態(tài)控制器的輸出狀態(tài)。它們之間的關(guān)系見真值表2。對于信號燈的狀態(tài)，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。</p><p>　　表2 信號燈信號的狀態(tài)</p><p>　　根據(jù)真值表，可求出各信號燈的邏輯函數(shù)表達式為：</p><p><b>　　主干道：； ；</b></p>

29、<p>　　支干道：； ； </p><p>　　由邏輯表達式可得狀態(tài)譯碼器電路</p><p><b>　　主干道譯碼電路：</b></p><p><b>　　支干道譯碼電路：</b></p><p>　　4.4秒信號產(chǎn)生電路</p><p>　　

30、產(chǎn)生秒信號的電路有多種形式，555定時器在實際應用中，除了單一品種的電路外，還可組合出很多不同電路，如：多個單穩(wěn)、多個雙穩(wěn)、單穩(wěn)和無穩(wěn)，雙穩(wěn)和無穩(wěn)的組合等。利用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，其管腳如下圖7所示。圖8是利用555定時器組成的秒信號發(fā)生器及其產(chǎn)生的波形圖。</p><p>　　圖5 555定時器的引腳圖</p><p>　　圖6 555定時器組成的秒信號發(fā)生器及</p

31、><p>　　根據(jù)功能要求采用以下邏輯門電路構(gòu)成：</p><p>　　門電路是數(shù)字邏輯電路的基本組成單元，門電路按邏輯功能可分為：與門、或門、非門以及與非門、或非門、異或門、同或門、與或非門。若按電路結(jié)構(gòu)組成的不同，可分為立元件門電路、CMOS集成門電路、TTL集成門電路等。各種集成門電路通常都封裝在集成芯片內(nèi)。此次設(shè)計采用的集成電路有74LS04、74LS08、74LS32引腳排列圖如下圖

32、所示 這些集成電路的封裝形式均為雙列直插式。為雙列直插式集成電路的右下方通常是地線GND，左上方引腳一般是電源線VCC，其它引腳的用途如圖中符號所示，每個集成電路都有自己的代號，與代號對應的名稱形象地說明了集成電路的用途。如74LS08是二輸入端四與門，它說明這個集成電路中包含四個二輸入端的與門。74LS04、74LS08、74LS32引腳圖如下圖所示：</p><p>　　圖74LS04六非門內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖&l

33、t;/p><p>　　圖74LS08四與門內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖</p><p>　　圖74LS32四或門內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳圖</p><p><b>　　五．顯示電路</b></p><p>　　5．1譯碼顯示電路連接圖</p><p>　　5．2 CD4511譯碼器</p><p>　　

34、圖 11 段鎖存譯碼器/驅(qū)動器CD4511管腳圖</p><p>　　CD4511引腳說明：</p><p>　　A0 ~A3：并行數(shù)據(jù)輸入端</p><p><b>　?。狠敵鱿[控制端</b></p><p><b>　　LE：數(shù)據(jù)鎖定控制</b></p><p>&l

35、t;b>　?。簾魷y試</b></p><p><b>　　VDD：正電源</b></p><p><b>　　Vss：地</b></p><p>　　Ya~Yb：數(shù)據(jù)輸出端</p><p><b>　　功能表：</b></p><p>

36、　　表 5段鎖存譯碼器/驅(qū)動器CD4511功能表</p><p><b>　　3. 真值表</b></p><p>　　共陽極數(shù)碼管的數(shù)字顯示真值表如下表所示</p><p>　　表 七段顯示譯碼電路真值表</p><p><b>　　六．交通燈總體框圖</b></p><p&

37、gt;　　根據(jù)設(shè)計各部分功能可畫出交通信號燈控制系統(tǒng)總體框圖：</p><p><b>　　七.組裝和調(diào)試過程</b></p><p>　　在電路板上按整機框圖把主控制器、計數(shù)器、信號燈譯碼器、數(shù)子顯示譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器焊接好然后按以下步驟進行調(diào)試：</p><p>　　1．秒脈沖信號發(fā)生器的調(diào)試，按照數(shù)字電子鐘的方法逐級調(diào)試振蕩電路和分

38、頻電路，使輸出設(shè)計符合設(shè)計要求。</p><p>　　2．將秒脈沖信號送入主控制器的CP端，觀察主控制器的狀態(tài)是否是按00、01、10、11、00…的規(guī)律變化。</p><p>　　3．將秒脈沖信號送入計數(shù)器的CP端，接入主控制器的狀態(tài)信號X0、X1，并把主控制器的狀態(tài)信號送入主控制器的CP端，觀察計說器是否按30秒、5秒、20秒、5秒、30秒…循環(huán)計數(shù)。</p><p

39、>　　4．把主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號X1、X0接至信號燈的譯碼電路，觀察6個發(fā)光二極管是否按設(shè)計要求發(fā)光。</p><p>　　5．整機聯(lián)調(diào)，使交通信號燈控制電路正常工作。 </p><p>　　以上是本次設(shè)計的全過程，由以上分析知此設(shè)計所需材料有：1片74LS90、2片CD4511和2個共陽數(shù)碼管、1個555定時器、1片74LS04、3片74LS08、1片74LS32、14個400

40、ohm電阻、1個50k電阻、1個43k電阻﹑6個10 ohm電阻、2個10UF電容和導線若干。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過這個課程設(shè)計，我真正體會到了學有所用，同時也讓我更加深刻的了解數(shù)字邏輯電路。對于本次課程設(shè)計，讓我印象深刻的是最后的調(diào)試過程，第一次摁下開關(guān)的時候，在心里祈禱自己的電路板不要出錯，當結(jié)果呈現(xiàn)在自己面前的時

41、候，又開始檢查自己的電路板哪里出錯，用萬用表測試每根電路，檢查焊接處焊的是否牢固，如果自己沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，全組的成員一起討論，一起研究，找出問題所在，直到調(diào)試成功。這次課程設(shè)計讓我體會到一種共同學習共同進步的學習氛圍，體會到小組合作的重要性。整個設(shè)計我都參與其中，這令我的分析以及動手能力有了很大的提高。也讓我明白在今后的學習中，當別人與自己的意見不一致時，不要輕易否定別人，注意找出自己的問題所在，如果自己沒有錯誤，想辦法讓自己的伙伴意識到