交通信号灯控制电路设计.docx
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交通信号灯控制电路设计
交通信号灯控制电路设计
一、设计目的、任务 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥2
二、设计方案比较及选择 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3
<一>方案说明‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3
方案一 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3
方案二 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥4
<二>方案比较 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥5
三、总体功能说明 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥6
四、各单元电路图及功能说明 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥7
1、时序脉冲产生和分频电路 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥7
2、倒计时计数电路 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8
3、状态控制电路 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥9
4、显示电路 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥11
五、设计总结 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13
<一>调试过程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13
<二>实习心得 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥14
<三>实习建议 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥15
六、附录 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥16
一.设计目的、任务
1.设计课题交通信号灯控制电路设计
2.设计目的
习了一个学期的《数字逻辑》课程,这次的课程设计主要是要综合了解与运用所学的知识,通过这次的课程设计来检测这一学期所学的知识。
通过制作来了解交通灯控制系统,了解译码器、计数器、寄存器芯片的作用。
交通灯控制系统主要是实现城市交叉路口红绿灯的控制。
在现代化的大城市中,十字交叉路口越来越多,在每个交叉路口都需要有一个准确的间间隔和转换顺序,这就需要有一个安全、自动的系统对红、黄、绿灯的转换进行管理。
本次的设计就是基于此目的而设计的。
3.设计任务
十字交叉路口分纵、横两组信号灯控制。
每组有红、绿、黄三色信号灯显示。
各干道亮灯顺序为:
红—>绿—>黄—>红—>绿……,红灯
黄灯、绿灯的亮灯时间比例为3:
2:
1。
分别用2位(共4位)LED显示纵、横两路的绿灯亮时间。
设计该电路并画出整体电路原理图。
完成设计电路连接与调试。
写出设计说明书。
二. 设计方案比较及选择
基于设计目的与设计任务,我设计了两种方案实现红绿交通灯控制方案。
以下是这两种方案的说明与比较。
(一)方案说明:
方案一:
采用1个双向移位寄存器74LS194来实现状态控制电路。
输出端Q0接绿灯2,Q1接黄灯2,再将Q0与Q1相或接红灯1。
首先将Q0置为1,Q1、Q2、Q3置为0,使绿灯2与红灯1先亮,接着进行移位,使黄灯2和红灯1亮。
同样的,将Q2、Q3分别接绿灯1和黄灯1,Q2、Q3相或接红灯2,实现另一路交通灯的控制。
倒计时计数电路,此方案采用2片74LS192来实现。
将绿灯1与绿灯2相或接到74LS192的LD端,通过对74LS192置数“0010,0000”(20)来实现绿灯的倒计时计数。
对于显示电路,此方案采用4片74LS48与4片LED,与计数器74LS192的综合使用来实现。
采用2片74LS161以及若干与门、与非门、或门来实现延时电路。
此部分采用32进制,首先输出一个脉冲,延时为20秒,接着输出另一个脉冲,延时为10秒,此时,将Y2通过非门连接到74LS161的CR端,来实现清零功能。
使用电路选取前30种状态,将后两种状态排除,实现交通灯30秒的计时功能(绿灯20秒+黄灯10秒)。
该部分功能完成之后,将Y1与Y2相或,接到状态控制电路。
此部分电路原理图如下:
方案一延时电路
方案二:
采用2双向移位寄存器74LS194来实现状态控制电路。
首先对其进行置数,将Q0的值置为1,Q1、Q2、Q3的值置为0,,将Q0与Q1用或门相接,接到绿灯1,再与Q2相或,接到红灯2,将Q2接到黄灯1。
同样的,将低位的74LS194的Q0-Q1端接到相应的交通灯上,接着将M1M0置为“01”,实现移位功能,实现状态控制电路。
倒计时计数电路,此方案采用4片74LS192来实现,一路绿灯用2片74LS192实现。
将绿灯1和绿灯2分别接到74LS192的LD端,将其置数为“0010,0000”(20),来实现绿灯的倒计时计数功能。
显示电路则采用4片74LS48与4片LED,与计数器74LS192的综合使用来实现。
采用1片74LS161以及一个与非门来实现延时电路,此部分电路相当于将1HZ的CP放大10倍,接到状态控制电路。
电路原理图如下所示:
方案二延时电路
(二)方案比较:
方案一的状态控制电路与倒计时计数功能采用74LS194以及74LS192,易实现,与方案二一样。
但是方案一的延时电路较方案二来说,更为复杂一点,用到的芯片较多,接线更为复杂,比较不容易掌握和理解,而方案二的延时电路只用了一片74LD161及一个与非门就可以实现,比较容易。
相较之下,我采用方案二来实现此次的交通灯控制电路。
三. 总体功能说明
电路工作总体框图:
交通灯控制电路主要由以下几部分构成,分别为时序脉冲产生和分频电路、绿灯计时电路、绿黄灯初值预置电路、状态控制电路、显示电路等部分构成。
状态控制器是系统的核心部分,由它决定交通灯处于哪一个运行状态。
从而使相应的交通灯点亮,并决定下一个状态的预置电路该预置的绿灯和黄灯的预置值。
状态控制电路是由寄存器74LS194来实现的。
首先进行置数。
将1(高电平)送给高位的Q0,使绿灯1、黄灯1、绿灯2、黄灯2在当前状态计时结束后,计数器置入下一个状态计数值并开始计数,如此循环往复。
绿灯1和黄灯1亮时红灯2亮,绿灯2和黄灯2亮时红灯1亮。
当绿灯亮时,红灯显示时间和绿灯同步;当黄灯亮时,红灯显示时间为绿灯的值与黄灯的值相加。
其他单元在状态控制电路的状态控制下有序的完成计时和计数转换。
假定当前状态如绿灯亮时,结果分析如下:
将绿灯的输入端接到计数器,对绿灯的亮灯时间进行计数,然后显示输出。
绿灯熄灭时,数码管LED灭;绿灯亮时,计时器从20秒开始倒计时,此时,另一路的红灯亮。
当计时递减到0时,状态控制器进入下一个状态,当另一路的绿灯亮时,计数器、显示器执行上述的功能,如此周而复始,完成交通灯的显示过程。
四. 各单元电路图及功能说明
1. 时序脉冲产生和分频电路
a) 电路原理图
时序脉冲产生电路原理图
b) 功能说明
时序电路是数字系统不可缺少的一个重要组成部分,因为数字电路只有在时钟电路的驱动下才可正常工作。
根据应用场合的不同,不同数字电路选择使用不同类型的时钟发生器。
因为交通灯控制系统的秒信号精度不高,故选用555定时器。
c) 所需器件
555芯片一个
51K、39K电阻各一个
10UF、0.01UF电容器各一个
非门芯片74LS04一个
d) 芯片引脚图
2. 倒计时计数电路
b) 功能说明
倒计时计数电路主要由计数器构成,它在整个系统设计中的作用是实现计时计数,在此我选用减法计数器,因为本设计说明计时时间可预设,所以需要可预置数的计数器,综合以上要求,采用74LS192。
当交通灯控制系统开始工作时,该部分电路将实现各种状态的转换功能。
首先,将数码管显示一路绿灯的预值(20秒),预值:
0010,0000;当其减到0时,计数器产生借位,此时绿灯灭。
直到此绿灯再次亮时,重复上述转换功能,实现倒计时计数。
将绿灯的输出接到芯片的LD端,实现倒计时计数,CR端置0;CPD接1HZ的脉冲信号。
Q3、Q2、Q1、Q0端分别接显示74LS48的A3、A2、A1、A0端。
c) 所需器件
74LS192———计数器
d) 芯片引脚图
3. 状态控制电路
a) 电路原理图
状态控制电路原理图
b) 功能说明
74LS194为双向移位寄存器,当M1M0置为“11”时,首先对其进行置数,将Q0的值置为1,其余的置为0,再将Q0与Q1用或门相接,接到绿灯1,再与Q2相或,送给红灯2,Q2送给黄灯1;同样的,将低位的74LS194的Q0-Q3端接到相应的交通灯。
接着将M1M0置为“01”,实现移位功能,通过与或门芯片74LS32连用,实现交通灯循环亮灯的控制功能。
c) 所需器件
74LS194芯片------双向移位寄存器
74LS32芯片------2输入端4或门
d) 芯片引脚图
双向移位寄存器74LS194
2输入端4或门74LS32
4. 显示电路
a) 电路原理图
b) 功能说明
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器。
它具有集电极开路输出结构,可以直接驱动共阴极数码管。
因此,我选用74LS48来实现此部分功能。
将74LS48的4个输入端A3、A2、A1、A0分别与计数器74LS192的输出端Q3、Q2、Q1、Q0相接,再将它的7个输出端接到数码管对应的引脚上,用来控制七段LED显示器的7个发光段。
通过各芯片的综合使用,来实现显示功能。
c) 所需器件
74LS48---------七段数码管译码器驱动器
LED数码显示器
d) 芯片引脚图
七段数码管译码器驱动器74LS48
五. 设计总结
(一)调试过程
1.设计过程中,一开始由于思路不清晰,被各种芯片的功能搞得头晕脑涨。
不同的芯片可以用来实现同一种功能,因此只能在了解了各芯片的具体功能以及设计要求之后,进行比较,选择符合要求的芯片来实现。
2.在第一阶段设计交通灯的循环时,将双向移位寄存器74LS194的左循环与右循环(Dsr与Dfl)接错了,将低位的Dsr接到高位的Dfl,导致交通灯不亮,经过检查之后,解决了这一问题。
对于74LS194,当M1M0置位“11”时,会实现送数功能,即将输入端D0-D3的值相应的送给Q0-Q3实现初值的设定。
当电路接好之后,通上电源,接上脉冲信号,发现绿灯1以及红灯2不亮,用万用表对电路各引脚的电位进行测量之后,发现当M1M0置位“11”时,没有实现送数功能,因此灯不亮。
所以,我们认为是74LS194坏了,换了一个芯片之后,解决了这一问题。
测试结果:
绿灯1亮—>黄灯1亮—>绿灯2亮—>黄灯2亮……
红灯2亮红灯1亮
3.第三阶段做一盏灯的倒计时计数电路时,计时器显示从20秒到00秒,当绿灯不亮时,LED显示的是20(初态),为了将此时的LED显示灭掉,在与同学讨论研究之后,将74LS48的第四个引脚RI/IRBO接到绿灯,将绿灯不亮时的LED显示灭掉。
测试结果:
LED显示倒计时,从20—>19—>‥‥‥—>01—>00,
绿灯灭时,不显示数字。
4.第三阶段另一路绿灯的倒计时计数电路时,当电路接好之后,发现十位数的数字不显示,只显示了个位数,用万用表检测之后,发现高位的74LS192的接触不好,致使无法显示。
通过调整,将74LS194芯片固定好之后,可显示十位数数字。
调试结果:
LED显示绿灯2倒计时,从20—>19—>‥‥‥>01—>00,绿灯灭时,不显示数字。
5.第四阶段实现两路交通灯的倒计时。
循环控制时,由于各导线接触不好以及接电源接地等步骤的漏掉,导致了一些问题,经过检查之后,发现并解决了问题,使电路完成了它的整体功能。
6.震荡电路的设计中,将555芯片的接地端接错了,导致电路无信号输入,在对照了芯片的引脚图之后,将接地端改正。
接好电路将脉冲接到电路中时,发现只有一路的绿灯倒计时功能正常完成,而另一路的倒计时功能出现异常,倒计时从20—>18—>16—>14‥‥‥倒计,后来在将CP接到电路之前先接一个与非门,排除了这个异常现象,整个设计到此基本实现,各电路的功能都正常完成。
(二)实习心得
万事开头难,一开始拿到设计题目,花了好长时间才进入状态,设计所需的电路图。
通过这次的设计,我发现只要不放弃,在最困难的时候坚持下去,那么所有的事情都能迎刃而解。
开头是重要的,只有做好了,才能有好的结果。
学了一个学期的《数字逻辑》课程,直到这次课程设计时,才发现,原来自己掌握的知识那么有限,能够运用到实际中的知识更是少之又少。
平时,我们都只是学习原理知识,但是没有进行实践。
许多知识学了就忘,很难将他们长期的保存在脑海中。
所以说,实践是检验真理的唯一标准。
一切事物,对与不对,都需要通过实践来证明。
同时,实践还是真正掌握知识、掌握技能的重要途径,一切的成就都来源于实践,空想是行不通的。
(三)实习建议
课本知识固然重要,但是实践环节也是比不可少的,希望平时能够多提供一些实践动手环节,拓展我们多方面的思维。
六.附录
一.参考文献
1.《数字电路与逻辑设计》宁帆、张玉艳人民邮电出版社
2.《数字系统逻辑设计》欧阳星明、唐九飞、孙百勇编著
电子工艺出版社
3.《数字逻辑实用教程》王玉龙编著清华大学出版社
4.《数字电子技术基础实验教程》张秀娟、薛庆军著
北京航空航天大学出版社
5.《现代数字电路与逻辑设计》朱定华、饶志强、吴建新著
北京交通大学出版社
二. 实验器材清单
实验箱一台
双向移位寄存器74LS1942片
计数器74LS1924片
74LS161、74LS32、74LS04各1片
74LS484片
震荡芯片5551片
51K、36K、3K电阻器各一个
10UF、0.01UF电容器各一个
LED4个