交通信号灯控制电路的设计与仿真课程设计说明书.doc

目录1 引言12 信号灯的设计内容22.1 信号灯工作方式22.2 控制电路的特点33 单元模块43.1电源模块43.2秒脉冲发生模块53.3计数模块63.4分频模块83.5控制电路模块104交通信号灯的仿真与调试124.1仿真软件简介124.2电路的仿真124.3交通灯完整功能的实现144.4调试方法144.5 调试中出现的问题、原因分析及解决方法145总结15参考文献16附录171 引言数字电子技术基础是高等学校弱电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，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。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，它是现代城市交通监控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、南京等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道路，在高速道路建设完成的初期，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出预期的作用。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状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。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的城市高速道路，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主要问题。为此，本次设计完成的就是交通灯设计。以下就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。本系统由控制器、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，555定时器输出脉冲信号，译码器输出两组信号灯的控制信号，控制电路控制定时器和译码器的工作，驱动电路驱动六只三色LED工作。最后用电路仿真软件绘制出数字钟的完整电路图。对数字电路的学习起到了良好的辅助作用。2 信号灯的设计内容2.1 信号灯工作方式1.信号灯白天工作要求 某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。 如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。 从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟（白天点亮时的工作换灯流程图如图2-1所示）。2.夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。图2-1交通灯工作换灯流程图南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 1t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t2.2 控制电路的特点 从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。其整体电路框图如2-2图所示：东西信号灯南北信号灯组合逻辑电路十二进制计数器四分频器秒脉冲产生电路系统电源工作方式控制开关关图2-2 信号灯的整体电路框图3 单元模块3.1电源模块信号灯采用三极管9031驱动，其额定电流与额定电压应满足三级管的驱动能力，电源电压采用直流5V，通过变压器将市电降压到交流9V，在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5V电压。直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。直流稳压电源原理图如图3-1所示图3-1 直流稳压电源原理图3.2秒脉冲发生模块_由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555(图3-2是555定时器的原理图，图3-3是555定时器的引脚图)和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用555定时器组成多谐振荡器（如图3-4所示）图32 555定时器的原理图IC555 图3-3 555定时器的引脚图图34 用555定时器组成多谐振荡器根据周期与频率的计算公式：T=（+2）*Cln2=0.7（+2）电源电压=+5V，其中电路图中的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01uf的瓷片电容。再次课设中要求输出T=1S，选取电容=1uf，=560k欧姆，根据震荡周期计算，选择电阻=434K欧姆。当元件选取完成后，根据电路原理图连接电路即可。3.3计数模块74LS164 由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS164（其引脚图如图3-5所示，功能表如表3-1所示）。图3-5 74LS164引脚图输入输出清零时钟串入RDCPABQAQBQCQDQEQFQGQHL×××LLLLLLLLHL××QAOQBOQCOQDOQEOQFOQGOQHOHHHHQANQBNQCNQDNQENQFNQGNHL×LQANQBNQCNQDNQENQFNQGNH×LLQANQBNQCNQDNQENQFNQGN 表3-1 74LS164功能表器原理表应用电路：用74LS164组成的12进制扭环型计数器电路 ，其电路图如下图3-6所示。 图3-6 12进制扭环型计数器3.4分频模块十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路，如图3-7所示。1S4S 1S图3-7 四分频的电路原理图74LS74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发d触发器电路模块。图3-8为其引脚排列和逻辑符号 图3-8 74LS74的引脚图功能说明：74LS74内含两个独立的D上升沿双d触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（）复位输入（）、时钟输入（CP）和数据输出。、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。表32 74LS74功能表输入输出SDRDCPDQn+1Qn01××1010××待添加的隐藏文字内容20100××111101100111×QnQn表3-3 4分频器电路逻辑功能表CPDQn+10XQn1001113.5控制电路模块逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。组合逻辑电路的真值表如表3-4所示，逻辑控制原理图如图3-9所示 表3-4 组合逻辑电路的真值表计数器输出南北信号东西信号QA QB QC QD QE QF NSG NSY NSR EWG EWY EWR0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 00 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 00 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1EWGEWYEWRNSGNSGNSY4S1S 图3-9 逻辑控制原理图4交通信号灯的仿真与调试4.1仿真软件简介NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。有如下特点：1.通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路 ；2.通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为； 3.借助高级电路分析, 理解基本设计特征 ；4.通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试 ；5.通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短研发时间。4.2电路的仿真图4-1 对电源进行仿真按照原理图逐部分仿真图4-2 对555定时器进行仿真4.3交通灯完整功能的实现1. 交通信号灯的完整电路图见附录仿真图2. 交通信号灯的工作原理：首先闭合开关，电路工作在白天工作状态。555定时器发出秒脉冲，通过四分频器电路产生4秒脉冲，再此脉冲作用下，十二进制计数器发出0或1，通过逻辑电路使输入各个二极管的电位发生变化，使某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。闭合开关后，十二进制计数器被异步置零，两个或门工作，进而只有两个黄灯受控制，在通过秒脉冲的作用，使黄灯每秒闪动一次，其它灯不亮。4.4调试方法1. 首先调试555定时器。用示波器观察555定时器输出波形，确定555定时器是否正常工作，振荡频率是否是2Hz。调节电位器R1，使555定时器产生频 率为1Hz的方波信号。2. 调试分频器。用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是0.25Hz。3. 调试十二进制计数示电路，将秒信号输送各计数器观察是否工作正常。4. 整体调试。各部分电路连接起来，观察交通灯是否正常工作。4.5 调试中出现的问题、原因分析及解决方法1 灯不正常发光，原因是线接触不良造成的2 555定时器形成的多谐振荡器发出的1HZ脉冲信号，由于元件制作误差及环境干扰，仿真与实际示波器测出的脉冲信号有误差。可以使用晶振形成1HZ的脉冲信号，LED发光时间应该能够更加准确。3 电源中用变压器降压得不到9V交流电压的原因是该变压器的变比不合适造成的，改变变压器变比可以得到相应的电压。5总结通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。在开始时我不知道如何下手，课本知识学起来感觉挺简单但应用到实际中还是有些难，通过温习课本和查阅资料我设计出了电路图。但在连接电路的过程中很多新片的管脚图不知道只好上网查找，自己查找设计收获很大。经过这一周的努力，在老师和同学的帮助下，我完成了设计任务。通过这次课程设计，我充分认识到了自学的重要性，以及学以致用的道理，也体会到了自己完成一件事的喜悦和成功解决困难的乐趣。我在图书馆和网上查阅了大量的资料，同时也认识到了图书馆和网上搜索的重要作用。在今后的学习过程中，应该多到图书馆和网上看一些专业方面的书籍，以丰富自己的知识。也使我加深了对数字电路技术的理解和应用。由于知识水平的局限，设计中可能会存在着一些不足，我真诚的接受老师和同学的批评和指正。在设计过程，经常会遇到这样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了。所以这几天不管是吃饭还是睡觉，脑子里总是想着如何解决这些问题，如何想出更好的连接方法。不过说也奇怪，整天想着这些问题，脑子和身体却一点都不会觉得累。这一次的课程设计让我学到了很多东西。首先对于数字电路的知识有了更深的掌握，包括各芯片的引脚及功能。其次对Multisim软件更加熟悉，掌握了芯片的搜索、线路的连接、仿真图的绘制和检查等。最后自己的动手能力有了很大的提高，我们电本专业是应用性的专业，我们以后出去也主要做一些应用的工作，只有理论没有动手能力那只是一纸空谈。通过这次课程设计，我得到的不仅是知识能力或成就感，还有对明天的信心。在这次课设过程中得到了各位老师和同学们的精心指导，在此表示衷心的感谢。参考文献1 付家才电子工程实践技术北京：北京工业出版社，20032 毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，20013 阎石主编数字电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，20094 丁润涛主编电子工程手册北京：机械工业出版社，19955 Multisim10应用教程.韩力.电子工业出版社，2008附录