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1、理學(xué)院課程設(shè)計指導(dǎo)書 交通燈控制 隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注，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)字電路的基本知識和設(shè)計方法，設(shè)計一個簡單的交通燈控制系統(tǒng)要求。 一、交通信號燈基本原理及設(shè)計方法 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。 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20秒；而支干道通行時間為10秒。 路口交通指揮系統(tǒng)示意圖 設(shè)主干道通行時間為N1，干

2、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。 主干道綠燈亮，支干道紅燈亮計數(shù)器由N1到20遞增計數(shù) 主干道黃燈亮，支干道紅燈亮計數(shù)器由N3到5遞增計數(shù) 主干道紅燈亮，支干道綠燈亮計數(shù)器由N2到10遞增計 主干道紅燈亮，支干道黃燈亮計數(shù)器由N3到5遞增計 S1 S2 S3 S0 系統(tǒng)工作流程圖 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)

3、有紅、黃、綠三色燈和兩位8421BCD碼的計數(shù)、譯碼顯示器。 顯示器 譯碼器 計數(shù)器 時鐘信號發(fā)生器 支干道信號燈 信號燈譯碼驅(qū)動電路 主干道信號燈 主控 電路 交通信號燈控制原理電路框圖 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，這種情況下主綠燈和支紅燈亮，持續(xù)時間為20s。2）20s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10s。4）10s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。

4、5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復(fù)。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。 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖S0 S1 S2 S3 20s后 5s后 10s后 5s后 二、主控制器 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(jìn)制計數(shù)器或二進(jìn)制計數(shù)器構(gòu)成。我采用二-十進(jìn)制計數(shù)器74LS90實現(xiàn)。 采用反饋歸零法構(gòu)成4進(jìn)制計數(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。

5、 74LS90管腳排列圖 主控制器的邏輯圖 74LS90邏輯功能為 (1)計數(shù)脈沖從CP1輸入，QA作為輸出端，為二進(jìn)制計數(shù)器。 (2)計數(shù)脈沖從CP2輸入，QDQCQB作為輸出端，

6、為異步五進(jìn)制加法計數(shù)器。 (3)若將CP2和QA相連，計數(shù)脈沖由CP1輸入，QD、QC、QB、QA作為輸出端， 則構(gòu)成異步8421碼十進(jìn)制加法計數(shù)器。 (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， 則構(gòu)成異步5421碼十進(jìn)制加法計數(shù)器。 (5)清零、置9功能。 a) 異步清零 當(dāng)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。 b) 置9功能 當(dāng)S9(1)、S9(2)均為“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”時，實現(xiàn)置9功能，即QDQCQBQA＝1001。

7、三、計數(shù)器 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(jìn)行20s、10s、5s 3種方式的計數(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(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 圖 計數(shù)器(利用74LS90正計數(shù)功能) 四、控制信號燈的譯碼電路的真值表 主控制器的4種狀態(tài)分別要控制主、支干道紅、黃、綠燈的亮與滅。設(shè)燈亮為1，燈滅為0，則控制信號燈的譯碼電路的真值表。 表控制信號燈的譯碼電路的真值表 主控制器狀態(tài) 主干道 支干道 X1 X0 紅燈R 黃燈Y 綠燈G 紅燈R 黃燈Y 綠燈G S0 0

8、 0 S1 0 1 S2 1 0 S3 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 五、狀態(tài)譯碼電路 根據(jù)燈控函數(shù)邏輯表達(dá)式,可畫出由與門和非門組成的狀態(tài)譯碼器電路,如圖所示。將狀態(tài)控制器，狀態(tài)譯碼器以及模擬三色信號燈相連接，構(gòu)成三色信號燈邏輯控制電路，如圖所示。 圖 態(tài)譯碼電路 六、譯碼顯示電路 譯碼顯示電路主要是由共陽極LED七段數(shù)碼管、74LS247譯碼器組成。 1.共陽極LED七段數(shù)碼管

9、 數(shù)碼管分為共陽極結(jié)構(gòu)和共陰極結(jié)構(gòu)。若顯示器共陽極連接，則對應(yīng)陽極接高電平的字段發(fā)光；而顯示器共陰極連接，則接低電平的字段發(fā)光。 此次設(shè)計采用的是共陽極連接如圖 圖 共陽極數(shù)碼管引腳圖 圖 共陽極數(shù)碼管接法 圖 74LS247管腳功能排列圖 2.數(shù)碼連接譯碼電路。 74LS247是一種BCD碼輸入端,其中D是高電位;a、b、c、d、e、f、g是輸出端,輸出低電平有效,和共陽極半導(dǎo)體發(fā)光數(shù)碼管各發(fā)光段的陰極引出線相互連接，下面是七段數(shù)碼顯示器管腳接法，74LS247和數(shù)碼管的管腳排列圖: 圖 段數(shù)碼顯示器管腳接法 圖

10、碼連接電路圖 七、555定時器構(gòu)成的秒脈沖電路 555定時器是種中規(guī)模集成電路，只要外部配上適當(dāng)阻容元件，就構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。555定時器內(nèi)部含有一個基本RS觸發(fā)器，配個電壓比較器C1,C2,一個放電三極管T由三個5K的電阻的分配器，555定時器因此而得名一個輸出緩沖器G3。比較器C1的參考電壓為2VCC/3加在同相輸入端C2的參考電壓為VCC/3加在反相輸入端，兩者均由分在器上取得。 圖 555的內(nèi)部電路圖 555定時器引腳排列圖 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器 多諧振蕩器產(chǎn)生矩形波的自激振蕩電路，由于矩形波包含和高

11、次諧波成分，因此稱為多諧振蕩器。如圖采用555設(shè)計的多諧振蕩器，其振蕩頻率與實際的數(shù)字鐘頻率略有出入，但可以通過校時裝置校時。多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時毋須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。用555實現(xiàn)多諧振需要外接電阻R1，R2和電容C，并外接+3V的直流電源。只需在+VCC端接上+3V的電源，就能在3腳產(chǎn)生周期性的方波。 圖 本次設(shè)計的秒脈沖電路圖 八、交通燈信號燈控制總體框圖 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： 圖 交通信號燈控制系統(tǒng)總體框圖 九、組裝和調(diào)試過程 在電路板上按整機框圖

12、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(jìn)行調(diào)試： 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)試振蕩電路和分頻電路，使輸出設(shè)計符合設(shè)計要求。 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。 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20秒、5秒、10秒、5秒、20秒…循環(huán)計數(shù)。 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。 5．

13、整機聯(lián)調(diào)，使交通信號燈控制電路正常工作。 總 結(jié) 通過此次交通控制信號燈的分析和設(shè)計，我深深感到學(xué)好數(shù)字邏輯電路的重要性。這一次設(shè)計對我來說，感觸最深的就是要想做好一個設(shè)計課題首先要對每一部分所涉及的知識點掌握好，只有這樣才能對設(shè)計做的得心應(yīng)手。 在整個設(shè)計的過程中我學(xué)到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學(xué)問要一絲不茍，對于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就可以找到思路去解決問題的。在工作中要學(xué)會與人合作的態(tài)度，認(rèn)真聽取別人的意見，這樣做起事情來就可以更順利。 參 考 文 獻(xiàn) 1.徐錦 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計 第2版 北京 高等教育出版社 2.夏路易 石宗義 電路原理圖與電路板設(shè)計教程 第1版 北京希望電子出版社 3.方至烈 第三代LED信號燈 復(fù)旦大學(xué)出版社 4.王軍華 LED道路交通信號燈測試研究 交通管理學(xué)院研究所 5.郭玉平 探討交通信號燈 北京工業(yè)技術(shù)出版社