交通灯逻辑控制电路设计数字电子技术课程设计.docx

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交通灯逻辑控制电路设计数字电子技术课程设计

数字电子技术课程设计

——交通灯逻辑控制电路设计

一、内容摘要：

本系统由单片机系统、键盘、LED显示、交通灯演示系统组成。

系统包括人行道、左转、右转、以及基本的交通灯的功能。

系统除基本交通灯功能外，还具有倒计时、时间设置、紧急情况处理、分时段调整信号灯的点亮时间以及根据具体情况手动控制等功能。

实现对交通灯控制。

交通灯是交通安全的关键，已广泛应用于城乡的十字路口，它的有无作为交通安全检查的重要依据，是交通秩序正常进行的有力保障。

为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制信号灯来进行指挥。

其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。

二、实验目的

1．了解交通灯管理的基本工作原理。

2．熟悉8253计数器/定时器、8259A中断控制器和8255A并行接口的工作方式及应用编程。

3．掌握多位LED显示的方法。

三、设计任务和要求

实验内容：

设计一个用于十字路口的交通灯控制器。

基本要求如下：

1、满足图2顺序工作流程。

图中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG，东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR、EWY、EWG。

它们的工作方式有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄红灯亮。

图2交通灯顺序工作流程图

2、应满足两个方向的工作时序：

即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。

时序工作流程图3所示。

图3中，假设每个单位时间为3秒，则南北、东西方向绿、黄、红灯亮时间分别15秒、3秒、18秒，一次循环为36秒。

其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和。

图3交通灯时序工作流程图

3、十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。

具体为：

当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，进入下一步某方向地工作循环。

例如：

当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为18，并使数显计数器开始减“1”计数，当减到绿灯灭而黄灯亮时，数显的值应为3，当减到“0”，时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为18。

扩展功能：

1、灯的转换可以手动调整，夜间为黄灯闪耀。

2、用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。

当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；当遇到黄灯时，移位发光二极管就停止，而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动；红灯亮时，则另一方向转为绿灯亮，那么，这一方向的LED发光二极管就开始移位（表示这一方向的车辆行驶）。

四、方案比较、设计与论证

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电源，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苻，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，用数码管与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IO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，故选择方案二。

五、方案设计

方案设计一

1、实训器材

典型微机原理及接口应用实验系统

系统配置：

1．8255A可编程并行接口芯片1片

2．8253可编程定时器/计数器接口芯片1片

3．74LS48（4位-7段LED显示译码驱动器）1片

4．LED显示灯6个（红、黄、绿各2个）

5．指示灯1个

6．LED数码管显示器2个

7．开关1个

8．电阻若干

2、实训内容及步骤

1．硬件设计

（1）设计要求：

设某十字路口由主行道和次行道组成，两条道各配有红、黄、绿交通灯，

（2）任务分析及建议方案：

交通灯参考硬件电路如图IP4-1所示。

①8255A的B口用于输出控制信号灯亮/灭的数据。

根据控制要求，各信号状态所需的数据，如表IP4-2所示。

②8255A的A口输出计时显示的数值，通过2个LED显示译码驱动器，分别将从PA3~PA0和PA7~PA4输出的8421BCD码转换成七段数码显示的段码值，从而显示两位计时值。

LED显示译码驱动器的转换功能如表IP4-3所示。

③整个装置的定时控制都由8253实现。

利用8253的0计数通道，工作在方式0，定时结束时的高电平信号由PC5引入，供CPU检测。

8253是一个可编程的定时/计数器芯片，可通过编程设置其工作方式。

8253有3个16位的减法计数器，分别为通道0、通道1和通道2，每个计数器都可独立工作。

每个计数器有2个输入信号端CLK和GATE，分别引入计数脉冲和控制信号；1个输出端OUT用于输出一个有效信号。

8253有6种工作方式，其功能如表IP4-4所示。

8253的编程有两方面：

一是初始化编程，即向8253的控制端口写入通道控制命令字，用于选择计数通道和设置工作方式；二是写入计数初值。

8253的通道命令字由8位二进制位组成，各位的含义如图IP4-2所示。

8253的计数初值，取决于所需计数和定时的多少。

如果用于对外部事件进行计数，计数初值就是要计数的个数。

如果是用于对外部事件定时，则计数初值

N=定时时间×CLK脉冲的频率

交通信号灯装置中，设CLK时钟频率为1KHz，由于计时显示的间隔时间为1s各事件的定时时间要求及实现方法如表IP4-5所示。

对8253进行编程需先将通道控制命令字写入其控制端口，再将计数或定时所需的计数初值写入选择的计数通道。

选用方案设计二

1、实训器材

74LS164（8位移位寄存器）

74LS90（二—五—十进制计数器）

74LS74（双D触发器）

74LS168（十进制可逆计数器）

74LS11（三—3输入与门）

74LS04（六反相器）

74LS08（四—2输入与门）

74LS32（四－2输入或门）

74LS48（显示译码器）

LED（共阴极）

555定时器

若干电阻、电容

2、实训内容及步骤

电路图

交通灯控制电路的系统框图如图1所示：

图1交通灯控制器系统框图

3、

管脚图

555引脚功能：

Vi1（TH）：

高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。

Vi2（

）：

低电平触发端，简称低触发端，标志为

。

VCO：

控制电压端。

VO：

输出端。

Dis：

放电端。

：

复位端。

74ls00引脚图

逻辑图

时序

74ls32管脚图

74ls04管脚图

7474管脚图

六、组装与调试要求

1、先测试集成电路是否正常。

2、集成电路器件的插接和布线方法

设计的电路在面包板上进行。

1）插接集成器件时，使器件的缺口端朝左方，先对准插孔的位置，然后用力将其插牢，防止集成器件管脚折断或弯曲。

2）布线时，注意导线不要太长，最好贴近底板并在集成器件的周围走线，切记导线跨越集成器件的上空，杂乱的在空中搭成网状。

数字电路的布线应整齐美观，这样既提高电路的可靠性，又便于检查排除故障或更换器件。

3）导线的连接顺序：

先接固定电平端，如电源正极—红线，地线—黑色导线，门电路的多余输入端及电平固定的某些输入端（如触发器的控制端JK端等），然后按照电路中信号的流向顺序对所划分的单元电路逐一步线、调试，最后将各单元连接起来。

七、故障排除

八、心得体会

九、总的电路图