《数字电子技术》课程设计交通信号灯控制电路的设计与仿真.doc

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1、数字电子技术课 程 设 计题 目 交通信号灯控制电路的设计与仿真 系 (部) 信息工程系 班 级 电气工程及其自动化1班 姓 名 学 号 指导教师 2011年7月 4日至 7月9 日 共1周2011年 7月 9 日数字电子技术 课程设计任务书一、设计题目、内容及要求设计题目：交通信号灯控制电路的设计与仿真设计内容：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

2、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。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。设计要求：（1）要求根据设计要求实现交通灯的现实功能；（2）用Multisim进行仿真（3）最后要有设计说明书；二、设计原始资料 电子实验台、三极管、二极管，芯片、电容、电阻三、要求的设计成果（课程设计说明书、设计实物、图纸等）课程设计说明书、仿真结果四、进程安排周1 讲解整个设计要实现的功能，查阅相关资料，画出整体电路， 周2、3

3、进行仿真并调试；周4 撰写课程设计任务书周5 课程设计答辩并交设计说明书五、主要参考资料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，1995指导教师（签名）：教研室主任（签名）：课程设计成绩评定表出勤情况出勤天数 缺勤天数成绩评定出勤情况及设计过程表现（20分）课设答辩（20分）设计成果（60分）总成绩（100分）提问（答辩）问题情况综合评定 指导教师签名： 年 月 日目 录1 引言.1 2 原理设计思想.

4、23 Multisim 10仿真软件介绍.34 各单元模块.4 4.1直流稳压电源.44.2秒脉冲产生电路.44.3 分频器.5 4.4十二进制计数器.64.5逻辑控制电路.74.6信号灯驱动电路设计.104.7白天夜间模式切换设计.10 5 Multisim仿真电路图及其波形.115.1 仿真电路图.115.2 仿真电路连接图及其仿真波形.116 设计总结.157 器件明细表.168 参考文献.171 引言21世纪是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制、突发事件、故障处理等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算

5、机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成。分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。因此本次课设能

6、深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际生活中！设计一个交通信号灯控制电路，要求能实现以下的白天工作方式和晚上工作方式：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

7、采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。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。 2 原理设计思想设计交通信号控制灯要求白天的工作方式如下流程图：图2-1 信号指示灯白天点亮流程图南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t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 1t夜晚的工作方式是：南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其他灯不亮。因此总的设计框图如下：图2-2 整体电路框图3 Multisim

8、 10仿真软件介绍Multisim10是美国NI公司推出的以Windows为基础的仿真工具，用于板级的模拟、数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。有了Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。Multisim 10 的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用。同时可以新建或扩展已有的元器件库，建库所需元器件参数可从生产厂商的产品使用手册中查到，因此可很方便地在工程设计中使用。NI Multisim 10的虚拟测试仪器表种类齐全，有一般实验用的通用仪器，如万用表、函数信号发

9、生器、双踪示波器、直流电源等等；还有一般实验室少有或者没有的仪器，如波特图仪、数字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪, 安捷伦多用表，安捷伦示波器、以及泰克示波器等。 Multisim 10具有详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析、稳态分析等各种电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。它还可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。Multisim 10具有强大的Help功能，其Help系统不仅包括软件本身的操作指南，更重要的是包含有元器件的功能说明。Help中这种元器件功能说明有利于使用Multisim 10进行CAI教

10、学。利用Multisim 10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可以方便地对电路参数进行测试和分析；可以直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高。multisim 10特点：通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路 通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为 借助高级电路分析, 理解基本设计特征 通过一个工具链,

11、无缝地集成电路设计和虚拟测试 通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间产品中使用。4 各单元模块4.1 直流稳压电源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。78系列和79系列三端线性集成稳压器为输出固定电压的集成稳压器。78系列输出正电压，79系列输出负电压。它们输出的固定电压标称值分别为:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V。如7805输出电压为5V，7806输出电压为6V，7824输出电压为24V。79系列输出电压与此类同。输出电

12、流档次由78（79）与输出电压档次之间的英文字母决定：L(0.1A)、M(0.5A)、空（1.5A）、T(3A)、H（5A）、P(10A)。根据电源的负载电流，折算成值，利用有关公式选择滤波电容的容量。其耐压应高于变压器次级电压峰值2倍以上。根据负载电流，选择整流二极管，要求二极管最大整流电流大于负载电流的2倍以上。其耐压应大于变压器次级电压峰值的2倍以上。变压器的功率应大于系统功率2倍以上，次级输出电压有效值根据桥式整流电容滤波输出电压为，而这个值应大于稳压输出电压值的，从而选定变压器次级电压的有效值。而整流滤波的输出为，本系统采用8299整流桥。变压器选择即可。因此直流稳压电源包括变压器降

13、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。图4-1 直流稳压电源原理图4.2 秒脉冲产生电路秒脉冲产生电路: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。图4-2 555定时器 图4-3 555定时器构成多谐振荡器的原理图 振荡周期的计算公式是：；电源电压；其中电路图中的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用的瓷片电容。再次课程设计中要求

14、T=1s，选取，R1=560k,通过计算得R2=434 k。当器件选取完成之后根据电路连接即可。4.3 分频器因为该控制电路是以4秒为时间单位，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。4S脉冲是为74LS164提供的CP脉冲。从理论上讲，4S脉冲可以用多谐振荡器来产生。为了使整体电路的脉冲协调一致，4S脉冲应将秒脉冲经过4分频器得出。因此，4S脉冲电路的设计实际上就是4分频器的设计。使用74LS74实现4分频器。

15、图4-4 74LS74引脚结构图 图4-5 74LS74真值表 其四分频的电路原理图如下图所示：图4-6 四分频的电路原理图4.4 十二进制计数器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。图4-8 74LS164引脚图 图4-7 74LS164功能表器原理图应用电路：用74LS164组成的12进制扭环型计数器电路 ，其电路图如下图所示。 图4-9 12进制扭环型计数器电路原理图A、B:串行输

16、入端。当两个输入端任何一个或两个为低电平时禁止新数据输入，并在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（）置为低电平。当两个均为高电平时，在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（）置为高电平。其12进制扭环型计数器真值表如下图所示： 图4-10 74LS164真值表由上图可以看出，根据CP脉冲的变化，的输出有12个不同的状态，从而实现了电路的12进制计数。4.5 逻辑控制电路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

17、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图所示：图4-11 组合逻辑电路的真值表根据上图真值表写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得： 由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。建议非门选用TTL集成门74LS04，与门选用TTL集成门74LS08。当然，以上仅是考虑白天工作方式时的情况。下面将介绍白天和夜间综合考虑的情况，综合考虑后，表达式需要修改，则门电路也需要作响应的修改。黄灯点亮的按秒闪动，将在下面考虑。白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74

18、LS164停止循环工作，即通过开关将74LS164的接地，使74LS164的所有Q端全部清零。白天为高电平，74LS164循环工作。 由74LS164 组成的12进制扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。在夜间由于使所有的74LS164的Q端清零，因此会出现以下问题：(1)，由于夜间Q端均为低电平，则NSG为高电平，即南北绿灯点亮，显然这是不允许的，所以NSG的表达式需要修改；(2)，由于夜间Q端均为低电平，则EWR为高电平，即东西红灯点亮，显然这是不允许的，所以EWR的表达式需要修改；(3) 由于夜间 、均为低电平时，则NSY、EWY为低电平，即南北和东西方向的黄灯不能点亮，显然这

19、是不允许的，所以NSY、EWY的表达式需要修改。上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下：(1)在夜间由于,将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间由于，则NSG0，即夜间南北绿灯不点亮；在白天由于，则即南北绿灯按白天工作方式点亮。(2)在夜间由于,的解决方法：令，即将EWR与之间的连线改为额两输入的与门。那么，在夜间由于，则，即夜间东西红灯红灯不亮；而在白天，则，即东西方向红灯按白天工作方式点亮。虽然，在夜间由于，则，即南北红灯不亮。但为了对称也将其修改为。(3)在夜间由于，使均为0的解决方法：使，即将原来的两输入与门改为在与门之后增加一级两输入或门，其中一个输入端为，即将经过一级非

20、门后输出，另一个输出端为原来两输入与门的输出(的输出或的输出)。那么在夜间由于，则，即南北和东西方向的黄灯点亮；而在白天由于，则，即各方向的灯按白天工作方式点亮。经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式为： 其逻辑控制原理电路如下图所示：图4-12 逻辑控制电路 通过以上电路图，根据芯片引脚位置，选择合适位置的引脚连接电路可以实现交通灯的点亮要求。4.6 信号灯驱动电路的设计本次课程设计选择使用基本共射放大电路对发光二极管进行驱动，使其点亮。其设计电路如下图所示：图4-13 发光二极管进行驱动电路对此基本共射放大电路进行设计参数的选择：电源电压：；集电极直流负载电阻的计算与确定：发光二极管

21、的驱动电流为3 mA 20mA，发光二极管的驱动电压大概是1.7V左右，其截止时不工作，正常工作时处于饱和状态，由于UCES=0.3V可忽略，Rc=(Vcc-1.7)*1000/（320） ，即Rc为1651100，可取Rc=220，此时它的驱动电流为15mA。因此R1=220。发光二极管饱和时UCE=0.7V,iBS15/100=0.15 mA,因为iBiBS,可取iB=1mA。高电平时，RB=5k。因此R2=5k。4.7白天夜间模式切换的设计为了使实验在一次课时间内完成，本设计中白天与夜间的转换开关为手动开关。在实际应用中可以设计自动转换开关。由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式

22、可以看出，白天与夜间模式的转换由74LS164的引脚控制。当时为白天工作模式，时为夜晚工作模式。根据此次电路设计要求，以上为所有基本电路的单元电路的详细设计。5 MULTISIM仿真电路图及其波形5.1 仿真电路图 由于信号灯采用三极管9031驱动，所以其仿真电路应如下图所示：图5-1 仿真电路图5.2 仿真电路连接图及其波形：通过Multisim仿真后：1.5v直流电源电压仿真的电路连接图： 图5-2 直流电源仿真电路连接图 仿真后变压器降压后变压器副边电压以及稳压后的电源电压如下图：图5-3 仿真后经变压器降压以及稳压后的电压 2.分频器的仿真电路连接图： 为了体现分频的效果，把分频器与5

23、55输出的秒脉冲进行对比：图5-4 分频器与秒脉冲电路仿真电路连接图仿真后波形： 图5-5 秒脉冲与分频器仿真波形图其中波形由上到下分别代表：秒脉冲、分频器。由图可以看出秒脉冲与分频器周期之间关系是：1:4。 3.分频器与红黄绿灯采用四踪示波器的仿真电路连接图：图5-6 分频器与红黄绿灯采用四踪示波器的仿真电路连接图仿真后分频器、红黄绿灯的波形如下图：其中波形由上到下分别代表：1. 分频器输出波形2. 红灯波形3. 绿灯波形4. 黄灯波形图5-7 时序仿真白天模式分频器与红黄绿灯波形图5-8 时序仿真夜晚模式分频器与红黄绿灯波形 6 设计总结交通信号灯的控制电路的设计与仿真的课程设计终于完成了

24、，在这次设计中我学到了很多的东西，不仅巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次设计，进一步加深了对数字电子技术课程的了解以及对Multisim软件的初步认识和使用，让我对它有了更加浓厚的兴趣。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢

25、固。正是在解决问题的期间我才进一步地熟悉了数字电子技术基础的基础知识，才慢慢学会了如何去按照给定的要求设计出合适的电路，作出电路的实物并对电路进行仿真调试。在这次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，与别人商量，因为每个人掌握的情况都不一样，一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。通过本次课程设计,我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风。7 器件明细表器件名称器件型号器件数目非门74LS041个或门74LS321个与门74LS111个74LS082个D触发器74LS741个计数器74LS1641个定时器IC5551个整流桥14B421个电容3300F1个1F1个0.01F1个电阻2206个5k7个560k1个434k1个开关手动开关1个三极管2N22196个稳压块LM78051个LEDLED灯6个8 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，1995