电子技术课程设计交通灯.docx

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电子技术课程设计交通灯

湖南文理学院课程设计报告

课程名称：

电子技术课程设计

教学院部：

专业班级：

学生姓名：

指导教师：

完成时间：

报告成绩：

评阅意见：

评阅教师日期

一、引言…………………………………………………………………3

二、设计题目……………………………………………………………3

三、设计任务与要求……………………………………………………3

四、方案选择与论证……………………………………………………3

五、单元电路设计………………………………………………………4

1、脉冲发生器

2、定时器

3、控制器

4、译码器

5、交通信号灯

六、总电路图及其原理说明…………………………………………9

七、仿真过程与效果分析……………………………………………11

八、实验仪器设备及元器件清单……………………………………12

九、心得体会与总结…………………………………………………　13

十、参考文献…………………………………………………………13

一、引言：

数字电路技术基础是高等学校弱点类各专业的一门重要的技术基础课程。

这门课程发展迅速、实用性和应用性强，侧重于逻辑行为的认知和验证。

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

人、车、路三者关系的协调，已经成为交通管理部门亟待需要解决的问题之一。

城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代化城市交通监测指挥系统中最重要的组成部分。

同时也随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京、长沙等大城市都出现了交通超负荷运行的情况。

因此，自80年代后期这些城市纷纷修建城市高速公路，在高速公路建成完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。

然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥预期的作用。

而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通道路必然受高速与普通道路耦合处交通住哪个科的制约。

所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的问题。

为此，本次设计完成的就是交通灯设计。

以下就是城乡交通灯控制系统的电路原理图、设计计算和实验调试等问题来具体分析讨论。

二、设计题目：

交通灯控制器设计

三、设计任务与要求：

设计一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆通行，具体要求如下：

（1）每条道路设一组信号灯，每组信号灯有红、绿、黄三个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆停止通行。

（2）要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；

　　（3）每次交换通行车道之前，要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；

　　（4）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。

四、方案选择与论证：

1）电源提供方案

为使模块稳定工作，须有可靠电源，我们考虑了两种电源方案

方案一：

采用独立的稳压电源，此方案的优点是稳定可靠，且有各种成熟电路可供选用；缺点是各模块都采用独立，会使系统复杂，且可能影响电路电平。

方案二：

采用单片机控制模块提供电源，改方案的优点是系统简明扼要。

节约成本；缺点是输出功率不高。

综上所述，我们选择第二种方案。

2）显示界面方案

该系统要求完成倒计时、状态灯等功能，基于上述原因，我们考虑了三种方案；

方案一：

完全采用数码管显示，这种方案只显示有限的符号和数码字符，无法胜任题目要求。

方案二：

完全采用点阵式LED显示。

这种方案实现复杂，且须完成大量的软件工作,但功能强大，可方便的显示各种英文字符、汉字、图形等。

方案三：

采用数码管与点阵LED相结合的方法因为设计既要求倒计时数字输出，又要求有状态灯输出等。

为方便观看并考虑到现实情况测探数码管与LED灯分别显示时间与提示信息，这种方案既满足系统功能要求，又减少了系统实现的复杂度。

权衡利弊。

第三种方案可互补一二方案的公优缺，我们决定采用方案三以实现系统的显示功能。

3）输入方案：

题目要求系统能手动设灯亮时间、紧急情况处理，我们讨论了两种方案：

方案一：

采用8155扩展I/O口及键盘，显示等。

该方案的优点是：

使用灵活可编程，并且有RAM,及计数器。

若用该方案，可提供较多I/O口，但操作起来稍显复杂。

方案二：

直接在I/O口线上接上按键开关。

因为设计时精简和优化了电路，所以剩余的口资源还比较多，我们使用四个按键，分别是K1、K2、K3、K4。

由于该系统对于交通灯及数码管的控制，只用单片机本身的I/O口就可实现，且本身的计数器及RAM已经够用，估选择方案二。

五、单元设计

（1）脉冲发生器

脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐振荡器，振荡频率为：

F=1.43/（R1+2R2）C

电路图如下图1：

图1　　

（2）定时器

　　定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。

　　计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。

74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。

74LS163的外引线排列图如图2所示，其功能表如表1所示。

图2中CR是低电平有效的同步清零输入端，LD是高电平有效才同步并行置数控制端，CTP、CTT是交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。

由两片74LS163级联组成的定时器电路如图3所示。

图274LS163的外引线排列图

表174LS163功能表

　　（3）控制器

　　控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。

从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表1所示。

选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1＝00状态时，如果TL＝0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝01状态。

这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"X"表示。

其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。

图3定时器电路图

表2控制器状态转换表

　根据表2可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：

将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：

　　根据以上方程，选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（）加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。

控制器的逻辑图如图4所示。

图中R、C构成上电复位电路。

图4控制器逻辑图

（4）译码器

译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。

控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系

表3控制器的状态编码与信号灯控制信号关系

图5交通信号灯图（六个发光二极管，注意二极管的极性。

）

六、总电路图及其原理说明：

交通灯控制系统的原理图如图6所示。

它主要有控制器、定时器、译码器和脉冲信号发生器等部分组成。

脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。

图6中：

TL：

表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。

定时时间到，TL=1,否则，TL=0.

TY:

表示黄灯亮的时间间隔为5秒。

定时时间到，TY=1，否则，TY=0。

ST：

表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。

由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

两方向车道的交通灯的运行状态共有四种（因人行道的交通灯和车道的交通灯是同步的，所以不考虑），如图6所示

设计原理与参考电路：

1．分析系统的逻辑功能，画出其框图

图6系统逻辑框图

　　交通灯控制系统的原理框图如图7所示。

它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。

秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。

图7中：

　　TL:

表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。

定时时间到，TL=1，否则，TL=0。

　　TY：

表示黄灯亮的时间间隔为5秒。

定时时间到，TY=1，否则，TY=0。

　　ST：

表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。

由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

图7交通灯控制系统原理框图

　　2．画出交通灯控制器的ASM（AlgorithmicStateMachine，算法状态机）

（1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。

表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。

绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。

（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。

表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。

黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

　　（3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。

表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

　　（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。

表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。

黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第

（1）种工作状态。

　　交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。

设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表4所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。

为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：

表4控制器工作状态及功能

控制状态

信号灯状态

车道运行状态

S0（00）

甲绿，乙红

甲车道通行，乙车道禁止通行

S1（01）

甲黄，乙红

甲车道缓行，乙车道禁止通行

S3（11）

甲红，乙绿

甲车道禁止通行，甲车道通行

S2（10）

甲红，乙黄

甲车道禁止通行，甲车道缓行

电路的AG=1：

甲车道绿灯亮；BG=1：

乙车道绿灯亮；

AY=1：

甲车道黄灯亮；BY=1：

乙车道黄灯亮；

AR=1：

甲车道红灯亮；BY=1：

乙车道红灯亮；

由此得到交通灯的ASM图，如表四所示。

设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。

只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。

依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。

七、仿真过程与效果分析　　

1．设计、组装译码器电路，其输出接甲、乙车道上的6只信号灯（实验时用发光二极管代替），验证电路的逻辑功能。

2．设计、组装秒脉冲产生电路得出时序波形图。

图8时序波形图

3．组装、调试定时电路。

当CP信号为1Hz正方波时，画出CP、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、TL．、TY的波形，并注意它们之间一的时序关系。

4．组装、调试控制器电路。

5．完成交通灯控制电路的联调，并测试其功能。

表5交通灯校验时间表

八、实验仪器设备及元器件清单

1．数字电路实验箱

　　2．集成电路74LS741片，74LS101片，74LS002片，74LS1532片，74LS1633片，N5551片

　　3．电阻47KΩ2个1KΩ1个

4．电容10F0.01F1F0.1F各一个　　

5．其它发光二极管6个

九、实验心得与体会

经过这次课程设计，让我明白了“知识就是力量”这一深刻的道理。

同时，此次设计加强了我的动手、思考和解决问题的能力。

对电路原理图画法和连接及芯片的选择上也懂得了不少。

巩固了数字逻辑电路的理论知识，对163计数器和555定时器、Protel99SE的应用也懂得了基础。

要解决实际问题，还是得要有足够的知识，同时不能仅仅依靠课本上的知识，而应该多多进入图书馆，去翻阅相关的资料，必要时候应该在网上查询、求助，通过各种有效的途径来完成实验设计的要求及设计报告。

十、参考文献

1、《数字电子技术实验讲义》湖南文理学院

2、《电子技术基础——模拟部分》高等教育出版社

3、《555集成电路实用电路集》高等教育出版社

4、《TTL集成电路应用》机械工业出版社

5、《CMOS集成电路》国防工业出版社