電子技術(shù)課程設(shè)計報告
——交通燈控制電路
XX大學(xué)機自學(xué)院自動化系
自動化
專業(yè)
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學(xué)號:
指導(dǎo)老師:
2018年X月X日
一、主要用途：
交通信號燈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。
在十字交叉路口，為保證交通秩序和行人安全，一般在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號燈，其中紅燈亮，表示該條道路禁止通行；黃燈亮表示該條道路上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行；綠燈亮表示該條道路允許通行。交通燈控制電路自動控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮各種車輛和行人安全通行，實現(xiàn)十字路口交通管理的自動化。
二、設(shè)計任務(wù)及要求：
設(shè)計一個主干道和支干道十字路口的交通燈控制電路，其要求如下：
1.一般情況下，保持主干道暢通，主干道路燈亮、支干道紅燈亮，并且主干燈亮的時間不少于60
S；
2.當(dāng)主干道綠燈亮超過60
S，且支干道有車時，主干道紅燈亮，支干道綠燈亮，但支干道綠燈亮的時間不得超過30S；
3.每次主干道或支干道綠燈亮變紅燈時，黃燈先亮5S。
三、設(shè)計思路步驟及仿真調(diào)試
設(shè)計分析
分析可知，所需的交通燈有以下四個狀態(tài)：
a.主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，此時主干道允許車輛通行，支干道禁止車輛通行。當(dāng)主干道綠燈亮夠60秒后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。
b.主干道黃燈亮，支干道紅燈亮，此時主干道允許超過停車線的車輛繼續(xù)通行，而未超過停車線的車輛禁止通行，支干道禁止車輛通行。當(dāng)主干道黃燈亮夠5秒后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。
c.主干道紅燈亮，支干道綠燈亮。此時主干道禁止車輛通行，支干道允許車輛通行，當(dāng)支干道綠燈亮夠30秒后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。
d.主干道紅燈亮，支干道黃燈亮。此時主干道禁止車輛通行，支干道允許超過停車線的車輛通行，而未超過停車線的車輛禁止通行。當(dāng)支干道紅燈亮夠5秒后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。
以上a,b,c,d四種狀態(tài)依次交替循環(huán)，達到指揮交通的功能。
分析得出，交通燈系統(tǒng)共由脈沖信號模塊，交通燈模塊，控制模塊，倒計時模塊四部分組成，如下圖1所示。
主干道
A1
A2
A3
控制
模塊
倒計時
模塊
脈沖信號模塊
發(fā)生器
T0
支干道
B1
B2
B3
圖1
交通燈控制系統(tǒng)原理框圖
整個系統(tǒng)的核心是利用能夠進行60進制、30進制以及5進制并切換的減法計數(shù)器，在譯碼器及與非門的配合下實現(xiàn)交通燈信號燈的切換。
1.脈沖信號模塊
信號的產(chǎn)生采用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器。取R1=10kΩ，C2=10uF，通過
f=1tpL+tph≈1.43R1+2R2C2=1
設(shè)計計算得R2≈66kΩ，此處采用100kΩ滑動變阻器。
設(shè)計如下圖2所示的多諧振蕩器，產(chǎn)生1Hz的方波周期信號。
圖2
多諧振蕩器
2.交通燈模塊
設(shè)主干道紅燈、黃燈、綠燈分別為A1、A2、A3；支干道紅燈，黃燈、綠燈分別為B1、B2、B3，如下圖3所示。
圖3
交通燈模塊
3.控制模塊
使用74LS163N十進制計數(shù)器構(gòu)成三進制的加法計數(shù)器，同時用與非門控制三個顏色交通燈的亮與滅。
74LS163N的CP信號由倒計時模塊高位74LS192N的BO控制。即每當(dāng)?shù)褂嫊r的高位產(chǎn)生借位信號時通過BO傳給74LS163N一個信號使之變燈。
令前述的a,b,c,d四種交通燈狀態(tài)依次為00,01,10,11，以74163N的QA,QB輸出。
主干道紅燈、黃燈、綠燈分別為A1、A2、A3；支干道紅燈，黃燈、綠燈分別為B1、B2、B3?？傻谜嬷当砣缦隆?/p>
QB
QA
A1
A2
A3
B1
B2
B3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
由真值表化簡可得各信號燈的邏輯表達式：
A1=QB,A2=QBQA,A3=QBQA,B1=QB,B2=QBQA,B3=QBQA
故采用與非門控制連接交通燈和74LS163N如下圖4：
圖4
74163N和與非門構(gòu)成的交通燈控制模塊
4.倒計時模塊
倒計時模塊由減法計數(shù)器和7段數(shù)碼管顯示器組成。
十字路口的交通燈要有數(shù)字顯示，且是倒計時，以便人們能夠更好的把握好時間。具體的工作方式為：當(dāng)主干道的綠燈亮?xí)r，將顯示器置為60s，然后每秒減1，計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為00，此時變燈并置05s，再執(zhí)行每秒減1，減到00后變燈并置30s，遞減。一次工作循環(huán)結(jié)束，而進入下一工作循環(huán)。
倒計時模塊選用兩片74LS192級聯(lián)，通過將低位的借位端BO與高位的減數(shù)計數(shù)控制端DOWN連接，構(gòu)成減法計數(shù)器。CP由多諧振蕩器的輸出端接到低位74LS192的減數(shù)計數(shù)控制端DOWN控制。
預(yù)置端LOAD接高電平時計數(shù)，接低電平時預(yù)置數(shù)。因此，工作開始時，LOAD為0，計數(shù)器預(yù)置數(shù)，置數(shù)后，LOAD變?yōu)?，計數(shù)器開始倒計時，當(dāng)?shù)褂嫊r減到數(shù)00時，LOAD又變?yōu)?，計數(shù)器又預(yù)置數(shù)，之后又倒計時，如此循環(huán)下去。
這可以借助兩片74190的借位端BO來實現(xiàn)，用或門將兩個BO連起來，再接在預(yù)置數(shù)端LOAD上。當(dāng)?shù)褂嫊r減到數(shù)00時，兩個BO均產(chǎn)生一低電平信號，通過或門使兩片74190的LOAD端置數(shù)。
由于四種狀態(tài)的置數(shù)各不相同，設(shè)高位74LS192N的置數(shù)端依次為DH,CH,BH,AH,低位的置數(shù)端依次為DL,CL,BL,AL,由前述的真值表和8位置數(shù)端在各狀態(tài)下的取值，分析可得，DH=0,CH=A3,BH=QA,AH=B3
DL=0,CL=QA,BL=0,AL=QA
故可利用信號燈和74163N輸出端的信號結(jié)合與非門控制置數(shù)端在不同狀態(tài)下的取值。設(shè)計如下圖5
圖5
減法計數(shù)器和7段數(shù)碼管顯示器構(gòu)成的倒計時模塊
三、電路的測試與仿真
狀態(tài)a：
符合設(shè)計要求1：一般情況下，保持主干道暢通，主干道路綠燈亮、支干道紅燈亮，并且主干燈亮的時間不少于60
S；
狀態(tài)b：
符合設(shè)計要求3：每次主干道或支干道綠燈亮變紅燈時，黃燈先亮5S。
狀態(tài)c：
符合設(shè)計要求2：當(dāng)主干道綠燈亮超過60
S，且支干道有車時，主干道紅燈亮，支干道綠燈亮，但支干道綠燈亮的時間不得超過30S；
狀態(tài)d：
符合設(shè)計要求3：每次主干道或支干道綠燈亮變紅燈時，黃燈先亮5S。
綜上所述：該交通燈符合設(shè)計要求。
四、總結(jié)
這次數(shù)電設(shè)計對我是一個很大的挑戰(zhàn)。一開始時我完全沒有思路，后來通過在網(wǎng)上查閱了一些文獻，理清了設(shè)計過程，明白了無論多復(fù)雜的功能結(jié)構(gòu)，都要先分析要設(shè)計哪些模塊，再將各個模塊分別設(shè)計，最后匯總。
還有在設(shè)計時一定要了解清楚芯片各個針腳的功能，否則會遇到很多麻煩。在設(shè)計時我用到74LS192芯片，但由于網(wǎng)上資料不夠詳細，我對于BO端口的功能不是很清楚，導(dǎo)致起初我一直以為只要減法計數(shù)器減到0時BO就一直為低電平輸出，使我無法設(shè)計置位端LOAD。后來我才了解到BO端口是在計數(shù)器為0時再減1的瞬間產(chǎn)生一個短暫的負向脈沖，正是利用這個原理才使我的設(shè)計得以完成。
同時由于我采用的multisim14版本有些原因不明的bug，也為我的調(diào)試帶來了許多問題。在我的設(shè)計圖中，我在倒計數(shù)模塊的或門輸出端接了一個開關(guān)，是因為如果去掉這個開關(guān)，直接用導(dǎo)線連接，就會導(dǎo)致通電時計數(shù)器只從60跳到59就卡住，不再工作。加一個開關(guān)也是我調(diào)試了好久才發(fā)現(xiàn)的解決辦法。
總之這次數(shù)電項目設(shè)計使我對上課時學(xué)到的知識有了更深入的認識，更使我體會到了設(shè)計的流程和思路，也了解到了設(shè)計時常遇到的一些問題和解決方法。
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