交通燈控制邏輯電路上交

1、唐 山 學(xué) 院 數(shù)字電子技術(shù) 課 程 設(shè) 計 題 目 交通燈控制邏輯電路設(shè)計 系 (部) 信息工程系 班 級 13自動化 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2014年 12 月 29 日至 2015 年 1 月 2 日 共 1 周2014年 12 月 30 日 數(shù)字電子技術(shù) 課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目、內(nèi)容及要求設(shè)計題目：交通燈控制邏輯電路設(shè)計 設(shè)計內(nèi)容：1、交通燈時序工作流程圖如下：2、要求東西方向的紅、黃、綠燈和南北方向的紅、黃、綠燈按照上面的工作時序進(jìn)行工作，黃燈亮?xí)r應(yīng)為閃爍狀態(tài)；（1）南北和東西車輛交替進(jìn)行，各通行時間24秒（2）每次綠燈變紅燈時，黃燈先閃爍4秒，才可以變換運行方向3、十字路口

2、要有數(shù)字顯示作為時間提示，以倒計時按照時序要求進(jìn)行顯示；4、可以手動調(diào)整和自動控制，夜間為黃燈閃耀狀態(tài)（選作：通行時間和黃燈閃亮?xí)r間可以在0-99秒內(nèi)任意設(shè)定）設(shè)計要求： 1、根據(jù)任務(wù)要求設(shè)計中的各個電路模塊； 2、給出multisim仿真結(jié)果； 3、設(shè)計說明書要包含設(shè)計總結(jié)；二、設(shè)計原始資料multisim仿真軟件三、要求的設(shè)計成果（課程設(shè)計說明書、設(shè)計實物、圖紙等）1、課程設(shè)計說明書2、multisim仿真圖四、進(jìn)程安排2014-2012-7-2 根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計電路，并用multisim進(jìn)行仿真2014-7-32014-7-4 撰寫課程設(shè)計說明書，答辯五、主要參考資料1.王鴻明，段玉生.

3、電工與電子技術(shù).高等教育出版社，2009.122.閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社，2009.23.吳俊芹.電子技術(shù)實訓(xùn)與課程設(shè)計.機(jī)械工業(yè)出版社，2009.4指導(dǎo)教師（簽名）：教研室主任（簽名）：課程設(shè)計成績評定表出勤情況出勤天數(shù) 缺勤天數(shù)成績評定出勤情況及設(shè)計過程表現(xiàn)（20分）課設(shè)答辯（20分）說明書（20分）設(shè)計成果（40分）總成績（100分）提問（答辯）問題情況綜合評定 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日課程設(shè)計說明書（正文部分）說明：1. 頁眉，宋體，小四號，加粗，居中；頁眉內(nèi)容：“課程設(shè)計說明書”2. 一級標(biāo)題，黑體，三號，居中，二級標(biāo)題，黑體，小三號；三級標(biāo)題，黑體，四號；正文，宋

4、體，小四號，20磅行距。目 錄1 引言11.1功能要求11.2總體方案設(shè)計22 設(shè)計原理32.1白天工作模式32.2夜間工作模式和總設(shè)計圖33 總體設(shè)計43.1單元電路43.1.1 秒脈沖產(chǎn)生電路43.1.2 信號燈轉(zhuǎn)化器53.1.3 JK觸發(fā)器63.1.4 倒計時計數(shù)器73.1.5 倒計時計數(shù)器與信號燈轉(zhuǎn)化器的連接83.1.6 黃燈閃爍控制93.1.7 白天夜間模式轉(zhuǎn)換93.2時序仿真結(jié)果103.2.1 白天工作模式103.2.2 夜間工作模式114 仿真軟件簡介135 設(shè)計總結(jié)14 參考文獻(xiàn)15 附錄161 引言隨著世界范圍內(nèi)城市化和機(jī)動化進(jìn)程的加快，城市交通越來越成為一個全球化的問題。城

5、市交通基礎(chǔ)設(shè)施供給滯后于高速機(jī)動化增長需求，道路堵塞日趨加重，交通事故頻繁，環(huán)境污染加劇等問題普遍存在。目前，全國大中城市普遍存在著道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象，交通事故頻發(fā)，這給人民的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的損失。如何解決城市交通問題已成為全社會關(guān)注的焦點和大眾的迫切呼聲。探究城市交通發(fā)展中存在問題的原因，無論是從宏觀上還是從微觀上分析，其根本原因在于城市交通系統(tǒng)的管理機(jī)制不適應(yīng)。城市十字交叉路口為確保車輛、行人安全有序通過，都設(shè)有指揮信號燈。交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯效果。以下就一個簡單的交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、

6、設(shè)計和仿真測試等問題來進(jìn)行具體分析。1.1功能要求1、要求東西方向的紅、黃、綠燈和南北方向的紅、黃、綠燈按照上面的工作時序進(jìn)行工作，黃燈亮?xí)r應(yīng)為閃爍狀態(tài)；（1）南北和東西車輛交替進(jìn)行，各通行時間24秒（2）每次綠燈變紅燈時，黃燈先閃爍4秒，才可以變換運行方向2、十字路口要有數(shù)字顯示作為時間提示，以倒計時按照時序要求進(jìn)行顯示；3、可以手動調(diào)整和自動控制，夜間為黃燈閃耀狀態(tài)（選作：通行時間和黃燈閃亮?xí)r間可以在0-99秒內(nèi)任意設(shè)定）1.2總體方案設(shè)計依據(jù)功能要求，交通燈控制系統(tǒng)應(yīng)主要有秒脈沖信號發(fā)生器、倒計時計數(shù)器電路和信號燈轉(zhuǎn)換器組成，原理框圖如圖1.1.1所示。秒脈沖信號發(fā)生器是該系統(tǒng)中倒計時計

7、數(shù)器電路和黃燈閃爍點控制電路的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源。倒計時計數(shù)器輸出兩組驅(qū)動信號T5和T0，分別為黃燈閃爍和變換為紅燈的控制信號，這兩個信號燈轉(zhuǎn)換器控制信號燈工作。倒計時計數(shù)電路是系統(tǒng)的主要部分，由它控制信號燈轉(zhuǎn)換器的工作。白天工作模式綠 黃 紅信號燈轉(zhuǎn)換器倒計時計數(shù)器秒脈沖發(fā)生器夜間工作模式綠 黃 紅圖1-1 交通信號燈的邏輯框圖2 設(shè)計原理2.1白天工作模式南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，各亮20s南北方向黃燈閃爍4s，東西方向紅燈亮4s南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮，各亮20s南北方向紅燈亮4s，東西方向黃燈閃爍4s圖2-1 示信號燈白天工作模式2.2夜間工作模式和總設(shè)計圖南北東西各方向黃燈亮

8、，每秒閃動一次，其它燈不亮。所以總設(shè)計圖為下圖所示南北信號燈東西信號燈系統(tǒng)電路組合邏輯電路計數(shù)器工作方式控制開關(guān)分頻器秒脈沖產(chǎn)生電路圖2-2 總設(shè)計圖3 總體設(shè)計3.1單元電路3.1.1秒脈沖產(chǎn)生電路秒脈沖產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號，主要由振蕩器和分頻器組成。振蕩器是計時器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的進(jìn)度決定了計時器的準(zhǔn)確度，可由石英晶體振蕩電路或555定時器與RC組成的多諧振蕩器構(gòu)成。一般來說，振蕩器的頻率越高，計時的精度就越高，但耗電量將增大，故在設(shè)計時，一定根據(jù)需要設(shè)計出最佳電路。石英晶體振蕩器具有頻率準(zhǔn)確、振蕩穩(wěn)定、溫度系數(shù)小的特點，但如果精度要求不高的時候可以采用555構(gòu)成

9、的多諧振蕩器。 振蕩周期與頻率的計算公式為：T=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C,電源電壓為Vcc=12V，其中電路圖中C1的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，課程設(shè)計中要求輸出T=1S，選取電容為C=10nF，R1=28.86M，根據(jù)振蕩周期計算，選擇電阻R2=57.72M。用multisim進(jìn)行仿真，仿真圖如圖所示：圖3-1 555構(gòu)成的多諧振蕩器此電路就可以產(chǎn)生脈沖頻率為1赫茲的脈沖。以下對555定時器進(jìn)行簡介：NE555是一種應(yīng)用特別廣泛作用很大的的集成電路，屬于小規(guī)模集成電路，在很多電子產(chǎn)品中都有應(yīng)用。NE555的是用內(nèi)部的定時器來構(gòu)成時基電路，給其他的

10、電路提供時序脈沖。圖3-2 555定時器內(nèi)部邏輯電路 3.1.2信號燈轉(zhuǎn)換器信號燈狀態(tài)與車道運行狀態(tài)如下： S0:東西方向車道的綠燈亮，車道通行；南北方向車道的紅燈亮，車道禁止通行； S1:東西方向車道的黃燈亮，車道緩行；南北方向車道的紅燈亮，車道禁止通行； S2:東西方向車道的紅燈亮，車道禁止通行；南北方向車道的綠燈亮，車道通行； S3：東西方向車道的紅燈亮，車道禁止通行；南北方向車道的黃燈亮，車道緩行。 用以下6個符號來分別代表東西（A）、南北（B）方向上個燈的狀態(tài)：GA=1: 東西方向車道綠燈亮；YA=1：東西方向車道黃燈亮；&

11、#160;RA=1：東西方向車道紅燈亮； GB=1：南北方向車道綠燈亮； YB=1：南北方向車道黃燈亮； RB=1：南北方向車道紅燈亮。實現(xiàn)信號燈的轉(zhuǎn)換有多種方法，現(xiàn)采用比較典型的方法進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)信號燈的轉(zhuǎn)換工作。若選用JK觸發(fā)器，則原理如下。 JK觸發(fā)器設(shè)狀態(tài)編碼為S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其輸出為Q1，Q2，則其與信號燈狀態(tài)關(guān)系如下表所示表3-1 試驗所用主要儀器現(xiàn)態(tài) 次態(tài) 輸出Q0 Q1 Q0* Q1* GA YA RAGB YB RB0 0 0 11 0 00 0 10 1 1 10 1 00 0 11 1 1 00 0

12、11 0 01 0 0 00 0 10 1 0可以得出信號燈狀態(tài)的邏輯表達(dá)式： GA =Q1Q0 YA =Q1Q0 RA =Q1 GB =Q1Q0 YB =Q1Q0 RB=Q1 JK觸發(fā)器的輸出狀態(tài)是與J輸入端的狀態(tài)相同的，同時分析表3-1，觸發(fā)器0的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器1的次態(tài)相同，觸發(fā)器1的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器0的次態(tài)相反，因此可以將觸發(fā)器0的輸出端Q、Q（現(xiàn)態(tài)）分別接觸發(fā)器1的J、K輸入端（次態(tài)），觸發(fā)器1的輸出端Q、Q（現(xiàn)態(tài)）分別接觸發(fā)器0的K、J端（次態(tài)），取觸發(fā)器0為 、觸發(fā)器1為 ，連接后的電路如下圖所示：圖3-3 JK觸發(fā)器連接的電路圖3.1.4 倒計時計數(shù)器十字路口要有數(shù)字顯示作為倒計時提示

13、，以便人們更直觀的把握時間。具體工作方式為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置顯示器為某值，然后以每秒減1，計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)位“4”和“0”。十字路口綠、黃、紅燈變換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進(jìn)入下一步某方向的工作循環(huán)。在倒計時過程中計數(shù)器還向信號燈轉(zhuǎn)換器供模4的定時信號T4和模0的定時信號T0，用以控制黃燈的閃爍和黃燈向紅燈的變換。 倒計時顯示采用七段數(shù)碼管作為顯示，它由計數(shù)器驅(qū)動并顯示計數(shù)器的輸出值。 根據(jù)要求，采用兩片74190芯片構(gòu)成計數(shù)器，因為74190是十進(jìn)制同步可逆計數(shù)器，它具有異步并行置數(shù)功能、保持功能。采用兩片74190芯片可設(shè)計成0099的百進(jìn)制計數(shù)器，再根據(jù)線路連接的改變將其連接成

14、24進(jìn)制計數(shù)器。74190沒有專用的清零輸入端，但可以借助QD、QC、 QB、 QA的輸出數(shù)據(jù)間接實現(xiàn)清零功能。其功能表如下圖所示：表3-2 74190的功能表CTEN D/U CLK LOADA B C D QA QB QC QD 0 A B C D 0 1 1 減計數(shù) 0 0 1 加計數(shù) 1 1 0 0 0 0 要實現(xiàn)24s的倒計時，需選用兩個74190芯片級聯(lián)成一個從99到00的計數(shù)器，其中作為個位數(shù)的74190芯片的CLK接秒脈沖發(fā)生器，再把個位數(shù)74190芯片輸出端QD用一個與門連起來，再接在十位數(shù)74190芯片的CLK端。當(dāng)個位數(shù)減到0時，再減1就會變成9，0（0000）和9（10

15、01）之間的QA 、QD同時由0變?yōu)?，把QA 、QD起來接在十位數(shù)74190芯片的CLK端，此時會給十位數(shù)74190芯片一個脈沖數(shù)字減1，相當(dāng)于借位。則又74190芯片的功能性質(zhì)可知，當(dāng)個位數(shù)74190的C管腳和十位數(shù)74190的B管腳同時置1，CTEN端接低電頻，加/減計數(shù)控制端D/U接高電頻實現(xiàn)減計數(shù)，預(yù)置端LOAD接高電頻時計數(shù)，接低電頻時預(yù)置數(shù)。因此，工作開始時，LOAD為0，計數(shù)器預(yù)置數(shù)，置完數(shù)后，LOAD變?yōu)?，計數(shù)器開始倒計時，當(dāng)?shù)褂嫊r減為00時，LOAD又變?yōu)?，計數(shù)器又預(yù)置數(shù)，如此循環(huán)下去。則連接后的電路如下圖所示：圖3-4 倒計時計數(shù)器電路 倒計時計數(shù)器與信號燈轉(zhuǎn)化器的連

16、接倒計時計數(shù)器向信號燈轉(zhuǎn)換器提供定時信號T4和定時信號T0以實現(xiàn)信號燈的轉(zhuǎn)換。TO表示倒計時減到數(shù)“00”時（即綠燈的預(yù)置時間，因為到“00”時，計數(shù)器重新置數(shù)），此時給信號燈轉(zhuǎn)換器一個脈沖，使信號燈發(fā)生轉(zhuǎn)換，一個方向的綠燈亮，另一個方向的紅燈亮。接法為：把個位、十位計數(shù)器的輸出端QA、QB、QC、QD分別用一個4輸入或非門連起來，再把這兩個4輸入或非門的輸出用一個與門連起來。T4表示倒計時減到數(shù)“04”時，給信號燈轉(zhuǎn)換器一個脈沖，使信號燈發(fā)生轉(zhuǎn)換，綠燈的變?yōu)辄S燈，紅燈不變。接法為：當(dāng)減到數(shù)為“04”（0000 0100）時，把十位計數(shù)器的輸出端QA、QB、QC、QD用一個4輸入或非門連起來，

17、個位計數(shù)器的輸出端QB、QD用一個兩輸入或非門連起來，再把這兩個或非門與個位計數(shù)器的的輸出端QA、QC用一個4輸入與門連接起來。最后將T4和T0兩個定時信號用或門連接接入信號燈轉(zhuǎn)換器的時鐘端。則連接圖如下圖所示：圖3-5交通燈信號控制器電路圖 黃燈閃爍控制要求黃燈為閃爍狀態(tài)，即黃燈0.5秒亮，0.5秒滅，故用一個頻率為1赫茲的脈沖與控制黃燈的輸出信號用一個與門連接至黃燈。在中已用555定時器連接成了頻率為1赫茲的多諧振蕩器。 白天夜間模式的轉(zhuǎn)換根據(jù)任務(wù)書的要求，要用一個手動開關(guān)來控制白天模式與晚上模式的改變。由經(jīng)過修改之后的組合邏輯電路輸出與輸入的表達(dá)式可以看出，白天與夜間模式的轉(zhuǎn)換由單刀雙擲

18、開關(guān)與與門或或門控制。當(dāng)開關(guān)接上邊時為白天工作模式，開關(guān)接地時為夜晚工作模式。則電路連接如下圖3-5所示：圖3-6 白天夜間的切換開關(guān)在實際生活中，手動開關(guān)電路畢竟不方便，因此實際應(yīng)用中可設(shè)計自動開關(guān)電路。用光敏電阻或光敏二極管、光敏三極管組成光亮度檢測電路，光亮度檢測電路檢測的電信號送入滯回電壓比較器，滯回電壓比較器根據(jù)光亮度輸出高低電平信號，這個信號經(jīng)延時電路后（可用單穩(wěn)態(tài)電路實現(xiàn)），作為白天與夜間的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。這樣當(dāng)天黑以后經(jīng)一段延時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)成夜間工作方式。第二天天量后經(jīng)一段延時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換成白天工作方式。在本次課程設(shè)計中選擇使用手動切換白天與夜晚模式的選擇。3.2 時序仿真結(jié)果

19、 白天工作模式交通燈從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。信號燈采用紅、綠、黃發(fā)光二燈模擬。 在實際電路中，開關(guān)J2和J7閉合，使個位74190的C管腳接高電平，A、B、D接低電平；十位74190的B管腳接高電平，A、C、D接低電平，并且白天夜間的切換開關(guān)不接地。計數(shù)器的開關(guān)如下圖所示：圖3-7 置數(shù)法的開關(guān)連接方法白天的工作狀態(tài)結(jié)果如下圖3-8所示：圖3-8 白天工作狀態(tài) 夜間工作模式南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其它燈不亮，將設(shè)置的手動開關(guān)，撥動

20、到接地狀態(tài)。電路圖工作結(jié)果如下圖3-9所示：圖3-9 夜間工作狀態(tài)4仿真軟件簡介NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進(jìn)行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。有如下特點：1通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計電路 ；2通過交互式

21、SPICE仿真, 迅速了解電路行為； 3借助高級電路分析, 理解基本設(shè)計特征 ；4通過一個工具鏈, 無縫地集成電路設(shè)計和虛擬測試 ；5通過改進(jìn)、整合設(shè)計流程, 減少建模錯誤并縮短研發(fā)時間。5 設(shè)計總結(jié)通過本次課程設(shè)計，使我對數(shù)電知識有了更深更廣更深刻的理解和掌握。課設(shè)的學(xué)習(xí)不同于課本的學(xué)習(xí)，課設(shè)是真正要求一個人的思維能力的，課程設(shè)計中的每一步?jīng)]一個小小的細(xì)節(jié)都必須做到準(zhǔn)確無誤。這次課程設(shè)計更讓我懂得了一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S是多么的重要。電路的連接，芯片和其它各種器件的放置，電路的檢查，都需要一個人的動手能力，對個人的能力提高很有幫助。時間很緊，這一周又在忙碌中過去了，經(jīng)過一周的數(shù)電課程設(shè)計，我從原先看

22、見電路圖就一頭霧水到現(xiàn)在能夠設(shè)計復(fù)雜的數(shù)字鐘電路，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電路的仿真與實物板的制作與調(diào)試，之間的巨大變化著實令人吃驚。但是這種進(jìn)步來之不易，因為這期間我遇到了很多的困難，發(fā)現(xiàn)了很多的問題，正是在解決問題的期間我才慢慢地熟悉了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)知識，才慢慢學(xué)會了如何去按照給定的要求設(shè)計出合適的電路，作出電路的實物并對電路進(jìn)行調(diào)試。本次課程設(shè)計主要是運用本學(xué)期所學(xué)到的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識來設(shè)計一個符合要求的數(shù)字鐘，本次設(shè)計不僅要求我們要掌握數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)知識，還要求我們對數(shù)字鐘的各個組成部分的原理，包括振蕩器的原理、計數(shù)器的原理、譯碼驅(qū)動原理都有深刻的理解和掌握，本次課程設(shè)計最重要的是要求我們能夠運用所學(xué)的知識將幾種單元電路組