交通信号灯可动控制器.docx
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交通信号灯可动控制器
交通信号灯可动控制器
一设计目的
1、巩固和加强《数字电子技术基础》课程的理论知识。
2、掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程。
3、掌握电子电路连接的方法、其故障排除方法和系统仿真。
4、通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。
巩固所学知识，加强综合能力，提高实验技能，启发创新能力的效果
5、培养学生创新能力和创新思维。
让学生通过动手动脑解决实际问题，巩固课程中所学的理论知识和实验技能。
二设计任务
设计一个交通灯控制电路,实现对城市十字路口的交通灯控制。
技术要求为：
1、东西方向绿灯（EWG）亮70s,南北方向红灯亮（NSR）亮;
2、东西方向黄灯（EWY）亮5s,南北方向红灯亮（NSR）亮;
3、南北方向绿灯（NSG）亮70s,东西方向红灯亮EWR）亮;
4、南北方向黄灯（NSY）亮5s,东西方向红灯亮（EWR）亮。
设计任务分析：
本实验的知识点为：
任意进制数加减计数器设计，触发器，555定时电路的工作原理以及基本控制逻辑电路的设计方法，参数计算和检测调试。
（1）秒振荡电路应能输出频率分别为为1H幅度为5V的时钟脉冲，要求误差不超过0.1S。
为提高精度，可用555设计一个输出频率为1Hz的多谐振荡器
（2）计数器电路应具有75秒倒计时功能，可以通过2片74LS190级联来实现。
（3）各个方向的倒计时显示可共用一套译码显示电路，只要用2个4输入的BCD_HEX数码管接74LS190的输出即可实现。
（4）主控制电路和信号灯译码驱动用各种门电路和JK触发器组成，应能实现计时电路的转换、各方向信号灯的控制。
三设计原理
根据设计要求，设计一个交通灯信号控制器，主、支干道交替通行，主干道每次放行75秒，支干道放行75秒，绿灯亮表示通行，红灯表示停止。
每次绿灯变红时黄灯先亮5秒。
该交通灯控制系统的组成框图如图1-1所示。
状态控制器主要记录交通灯的工作状态，通状过状态译码器点亮相应状态的信号灯，秒信号发生器产生整个定时系统的时间脉冲，通过减法计数器对秒脉冲减计数，达到每一种工作状态持续时间。
减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态决定下一次减计数的初始值。
减法计数器的状态由BCD译码器译码，数码管显示。
设计框图
首先分析实际交通灯控制电路，从主干道（南北方向）和支干道（东西方向）入手，路口均有红、黄、绿三个交通灯显示数码管。
其示意图如下：
图1-1十字路口交通信号灯控制示意图
1.系统工作流程图
图1-2状态编码及状态转换图
2．系统硬件框图
硬件结构框图如图所示：
图1－3 硬件结构框图
开关按下后使74190产生一个下降沿，计数器变为05，所以在减到0之前，计数器初值要回到75，必须再把开关再抬上去。
由于Multisim带有不需要译码的4输入DCD_HEX数码管，为了简便，在仿真电路中直接使用DCD_HEX数码管，没有使用译码电路。
四系统单元电路及设计原理
（1）状态控制器
由流程图可见，系统有4种不同的工作状态，状态编码分别为11、10、01、00，状态编码为两个下降沿触发的JK触发器74LS112的输出：
和
。
当为11时，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。
当为10时，东西方向黄灯闪，南北方向红灯亮。
当为01时，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮。
当为00时，东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪。
JK触发器由下面两路特殊的时钟信号驱动，所以会循环的在这四种状态之间转换。
绿色的波形（上）为
的时钟，红色波形（中）为
的时钟，蓝色波形（下）为555定时器得到的1HZ的时钟信号。
绿色信号的下降沿正好在第75个时钟处，红色信号的下降沿有两个一个在第70个时钟处，另一个在第75个时钟处。
这部分电路由纯粹的组合逻辑电路来实现，思路如下：
当两片192计数器的置数端都有效时（即输出为00），
的时钟信号为0，否则为1。
设计组合电路，判断当两片192的输出为05（即倒计时70秒）时，输出
为0，否则
为1。
这样得到了这样两个波形：
再把他们进行与操作，便可得到
的时钟信号。
和
的波形：
（2）状态译码器
以状态控制器输出作译码器的输入变量，根据4个不同通行状态实现对主、支干道三色信号灯的控制要求，6盏灯控函数真值表如表2所示。
表2
由真值表得灯控函数逻辑表达式
R=
，Y=
AND
，G=
AND
r=
，y=
AND
，g=
AND
Y和y的控制信号在输入之前与时钟信号进行一下与操作，为了达到黄灯闪烁的效果。
电路图如下：
（3）递减计时系统
计数器选用集成电路74190较简便。
74190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能、保持功能。
74190没有专用的清零输入端，但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能。
74190功能表如表3所示。
表3
选用两片74190时间控制可逆计数器，两片计数器之间采用异步级连方式，利用个位计数器的借位输出脉冲直接作为十进制计数器的计数脉冲，个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。
信号灯递减计数器电路图
（4）秒脉冲发生器
秒振荡电路可由555多谐振荡器构成，参数计算如下：
取C2=10
F，要得到1HZ的方波信号，低电平时间T2=0.5S，高电平时间T1=0.5S
由（R1+2R2）C*0.69=T，T1=（R1+R2）*C*0.69，T2=R2*0.69*C，
得：
R2=72.4k，R1=0，在仿真时，为了便于观察，可以缩短周期，这里取R2=724，R1=1得到的近似为100HZ的方波。
五.系统总电路
进行主电路连接,得到完整的电路图,并进行运行、检测、调试.完整电路图如下:
六系统调试仿真
用Multisim软件按照电路图连接电路并运行。
上电以后，由于系统默认仿真时间比较慢，数码管显示更新比较慢，调整系统仿真时间，在Simulate->InteractiveSimulationSetting中，调整Maximuntimestep，直到得到比较好的显示效果。
也可以通过成倍的减小555的参数来调整时钟信号，从而得到比较好的显示效果。
通过观察数码管的显示和红绿灯的亮灭，满足设计要求，一开始数码管从75减到0，东西方向的绿灯亮70秒，然后东西方向的黄灯闪烁5秒，南北方向的红灯一直亮，之后，数码管又恢复到75，南北方向的绿灯亮70秒，然后黄灯闪烁5秒，东西方向的红灯一直亮。
使用虚拟示波器观察555输出波形和控制信号
的波形，都符合设计要求。
电路仿真结果如下图所示
图1:
东西方向绿灯（EWG）亮70s,南北方向红灯亮（NSR）亮
图2：
东西方向黄灯（EWY）亮5s,南北方向红灯亮（NSR）亮;
图3：
南北方向绿灯（NSG）亮70s,东西方向红灯亮EWR）亮
图4：
南北方向黄灯（NSY）亮5s,东西方向红灯亮（EWR）亮;
电路故障分析及电路改进
故障：
在连接好电路图后发现，所置的数并不是所要的数，计数器倒计时到0后，便不动了。
分析：
可能是74LS190可逆计数器的置数连接错误，且与借位端相连的控制状态电路端接触不好。
重新检查电路，看是否开始置数为7和5，如果出现错误，立即修改：
如果不是，则检查电路是否还没有连接的点，或是电路接线错误，直到操作无误为止。
七设计总结与体会
通过这次交通信号灯可动控制器的课程设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决现实问题的能力。
综合课程设计让我把以前学习到的知识得到巩固和进一步的提高认识，对已有知识有了更深层次的理解和认识。
在课程设计中碰到了很多的问题，我通过查阅相关书籍、资料以及和周围同学交流得到解决。
学习之初，通过学习Multisim1.0这个软件，熟悉了如何在Multisim1.0设计中设计电路，如何使用万用表、函数信号发生器、示波器和频率计等仪器，掌握了设计电路的技巧，设计电路时，每个电路都要接地，否则，电路不能进行仿真，即出现错误。
设计交通信号灯可动控制器时，首先，明白交通信号灯是如何工作的，并理解设计要求，然后设计电路图，并在Multisim1.0中显示，然后进行调试。
刚开始做这个题目时，不知道如何分析，通过查阅资料，讨论，使得对交通信号灯可动控制器的设计有的初步的想法，然后把想法化成电路图，需要什么样的元器件，怎么去实现设计要求，通过对设计任务分析，发现需要555定时器设计一个输出频率为1HZ的多谢振荡器，用两片74LS190级联实现实现计数器具有75秒倒计时功能，主干道和支干道的倒计时显示课公用两个四输入的DCD_HEX_DIG_GREEN数码管接74LS190的输出来实现，用各种门电路和JK触发器实现计时电路的转换、各个方向信号灯的控制。
在Multisim1.0中画出电路图，然后去仿真，发现出现错误，经过仔细分析，发现74LS190没有接地端，改正后，再去仿真，结果还是错误，电路在东西方向上绿灯亮70秒，黄灯亮五秒，但是到了南北方向上，绿灯是从100秒开始递减，与实验要求不符，然后对电路经过仔细检查，发现或门的一端没有与74LS190的CLK端相连接，改正后，在进行仿真，结果符合课程设计要求，经过自己的努力和与小组同学的讨论，使得课程设计任务初步完成。
设计时，由于对Multisim1.0这个软件的某些功能不是很熟悉，通过对电路的设计，使得自己对Multisim1.0这个软件更加熟悉。
由于我们刚学习过了数字电子电路，并进行了一些数字电路的实验，因此使我对电子技术有了进一步的了解，但那都是一些理论的东西，通过这次交通信号灯可动控制器的课程设计，我将学到的知识与实践相结合。
从中对我学的知识有了更进一步的理解。
在此次的课程设计过程中，还参考一些电子设计书籍和互联网上的有关器件及集成电路等方面的资料。
通过这一系列的步骤使我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的使用方法。
也锻炼了自己独立思考问题的能力和通过查看相关资料来解决问题的习惯。
虽然这只是一次简单的课程设计，但通过这次课程设计我们了解了课程设计的一般步骤，和设计中应注意的问题。
体会到设计的过程，设计的思想和设计电路中的每一个环节，电路中各个部分的功能是如何实现的。
各个芯片能够完成什么样的功能，使用芯片时应该注意那些要点。
同一个电路可以用那些芯片实现，各个芯片实现同一个功能的区别。
在这次设计过程中，我也有了更进一步的学习，这将给我在以后的工作中和学习中带来一定的帮助。
八附录
元器件清单
序号
元器件
规格
数量
1
电源VCC
6V
3
2
电源VCC
5V
1
3
LM555CM定时器
1
4
电阻R1
1Ω
1
5
电阻R2
724Ω
1
6
电容C1
10nF
1
7
电容C2
10uF
1
8
或门
11
9
与门
7
10
非门
3
11
或非
1
12
与非
1
13
JK触发器74LS112D
2
14
数码管DCD-HEX-DIG
15
可逆计数器74LS190
2
16
地GROUND
3
九参考文献
《数字电路实验与EDA技术》郭永贞主编东南大学出版社
《电子技术课程设计指导》彭介华主编高等教育出版社
《电子线路设计.实验.测试》谢自美主编华中理工出版社
《数字电子技术基础》阎石主编
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