数字电子技术课程设计报告智能交通灯的设计.doc
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1、智能交通灯的设计摘 要:交通信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力,减少交通事故有明显效果。通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化. 因此,在本次课程设计里,将以传统的设计方法为基础,同时引入了电子设计自动化技术,将模拟信号转化为数字信号,利用了数字逻辑这一强大工具,同时还运用了Protel软件和一些数字逻辑器件,来设计了可控制的交通信号灯。关键词:交通灯,设计,电路仿真Abstract:The emergence of t
2、raffic lights so that traffic can be effective control, for ease traffic flow, improve the road capacity, the effect of significantly reducing traffic accidents. Through the use of digital circuitry on the traffic lights control circuit design, to enable the traffic lights control circuit at a cross
3、roads with two sets of automatic control of digital signal red, yellow and green traffic lights approach the status of the conversion, command a variety of vehicles and pedestrians safe passage to achieve automated traffic management at the crossroads. Therefore, in the course design, the traditiona
4、l design methods will be based at the same time the introduction of electronic design automation technology, the analog signal into a digital signal, use this powerful tool for digital logic, At the same time also used the Protel software and some digital logic devices, to design that can be control
5、led by traffic lights.Keywords:Traffic lights, design, circuit simulation目 录1前言11.1设计背景11.2设计目标12总体方案设计22.1方案比较22.2方案论证42.3方案选择43单元模块设计53.1各单元模块功能介绍及电路设计53.2电路参数的计算及元器件的选择113.3特殊器件的介绍124系统调试144.1调试环境144.2硬件调试145系统功能、指标参数165.1系统能实现的功能165.2系统指标参数测试166结论177总结与体会188谢辞199参考文献20附录211 前言纵观交通事业的发展历史,以前,人们出门
6、远行或运输东西最常用到的的交通工具是马车,但是随着社会的进步经济的发展,一种新型交通工具汽车随之问世。为了缓解交通的负荷量,使车辆运行畅通无阻,交通事业整严有序,国家起用了双车道交通灯控制系统。通过红,绿,黄三色灯进行单一的控制,使其遵守红灯停,绿灯行的原则。但是随着社会的发展,此系统已经远远不能满足交通控制事业的需求,需要一种全新的控制理念,进而引进了与我国国情相符合的国外先进的控制体系,多车道交通灯控制系统,不但解决以往交通控制系统的局限性,同时还加快车了车流辆速度。并制定了第三十八条明确规定:绿灯亮时,准许车辆通行,但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行, 黄灯亮时,已越过停止线
7、的车辆可以继续通行,红灯亮时,禁止车辆通行。 研究交通灯控制系统:一方面可以更好地学习数字电路的应用技术,能进一步加深对数电的理解,从而达到更深层次的运用它,另一方面可以为城市多车道交通灯控制系统提供一种智能化的技术方案,虽然此次设计过程是以简单的电路来实现对实行交通灯控制,但是智能化交通控制系统,是交通控制系统发展的必然趋势,也是社会发展的需要。1.1 设计背景随着中国加入WTO,我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨,在交通控制方面也应与国际接轨。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。因此,一个好的交通灯控制系统,将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。1.2 设
8、计目标通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。绿灯亮时,准许车辆通行,但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行, 黄灯亮时,已越过停止线的车辆可以继续通行,红灯亮时,禁止车辆通行。2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料,并结合自己的实际知识,主要提出了三种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明,并分析比较它们的特点,然后阐述最终选择方案的原因。2.1 方案比较城市路口交通信号控制系统大体上分为三种类型:定
9、周期的信号机、多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多想为智能型信号机。具体采用哪种类型,应根据其应用场合及特点加以确定。其中,第一种类型以其成本低,设计简单,安装及维护方便等特点得到了广泛应用。本文讨论的交通灯控制系统就属于该种类型。该交通灯控制系统主要由时间发生器电路、信号灯定时电路、数字显示电路、手动与自动控制电路等几个部分组成。2.1.1 方案一用传统的数字电路设计并制作,方案一原理框图如图2-1所示。控制器A车道信号灯译码电路B车道信号灯秒脉冲信号发生器定时器 图2-1 方案一的原理框图系统主要由控制器、定时器、秒脉冲信号发生器、译码器、信号灯组成。其中控制器是核
10、心部分,由它控制定时器和译码器的工作,秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号,译码器输出两条信号灯的控制信号。、为定时器的输出信号,为控制器的输出信号。当某车道绿灯亮时,允许车辆通行,同时定时器开始计时,当计时到45S时,则输出为1,否则,=0;当某车道黄灯亮后,定时器开始计时,当计时到5S时,输出为1,否则=0。为状态转换信号,当定时器计数到规定的时间后,由控制器发出状态转换信号,定时器开始下一个工作状态的定时计数。2.1.2 方案二555定时 器计数进制转换器交通显示灯交通灯选择器通道选择器图2-2方案二原理框图由555定时器计时,驱动交通灯选择器控制交通灯的显示,当一个方向
11、的计数完成之后会产生一个脉冲,给通道选择器, 然后通道选择器驱动计数进制转换器转换到另一个进制,由计数进制转换器预置555定时器的定时时间,然后再驱动交通灯选择器控制交通灯的显示,如此往复,其中555定时器是由电阻和电容来控制定时时间,其中的计数进制转换器就可用一个数据分配器74138来选择所需电阻的大小来控制,通道择器就可用两个JK触发器构成一个四进制的计数器,其中两个输出端就可以来作为计数进制转换器74138的输入,并且这两个输出端还可作为交通灯选择器74138的输入。2.1.3 方案三交通灯的电路由下载电路及外围电路组成,所用到的器件有EMP7064SLC44芯片、钟振、发光二极管、电阻
12、和导线。EDA流程图如图2-3所示:原理图程序清单功能仿真综合 适配时序仿真 编程下载FPGA/CPLD图2-3交通灯EDA流程图2.2 方案论证方案一中控制器应该由秒信号发生器、计数器、译码器、显示器、控制器、译码驱动电路及信号灯等7部分组成,其原理图如上图。该电路的工作原理是:用秒信号发生器产生1s的周期信号作为计数器的时钟脉冲;用计数器分别计数5s、30s,计数器的输出经译码器送显示器,显示红、黄、绿灯点亮的时间,同时向控制器发出状态转换信号。控制器以计数器的归零信号作为时钟脉冲进行状态的转换,其输出分两路:一是控制信号灯译码电路,驱动信号灯的点亮;二是控制计数器,使其归零。 方案二相对
13、比较简单,主要由定时器和时序逻辑电路的相互作用来控制递减的数字显示和交通灯的转变。每个干道的通行时间分别与2个状态对应,为了简化电路,采用仅对干道通(禁)行时间状态控制的参考设计方案,交通灯的控制根据干道通行时间分段实现。在一般状况下,由自动控制系统来控制定时器以达到交通状况的转变;一旦发生突发事件,可以有人为控制自动按钮以改变定时器,从而改变时序逻辑电路的波形,最后达到交通灯。方案三是运用EDA技术,使用Verilog HDL语言编写音乐发生器的程序,借助quartus软件对程序进行仿真方案选择。2.3 方案选择通过这三个方案的对比,由第二个方案用的是555定时器来计时,所以无法显示倒计 时
14、的时间。定时采用倒记时的方式,这里可以用二-十进制计数器,这里我们用74LS191加减计数器来完成计数功能,并通过数码管显示出来。定时的起始信号由状态控制电路给出,当一种定时时间结束的信号输入到状态控制电路时,由控制电路去启动、关闭三色交通灯或启动另一种倒计时电路。我觉得第一个方案更符合我们的实际要求, 故选择第一个方案。3 单元模块设计本章主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系;同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为四个单元模块,它们分别是:秒脉冲发生器、定时电
15、路模块、控制器电路模块和译码器模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.1.1 脉冲信号发生器秒脉冲信号发生器需要产生一定精度和幅度的矩形波信号。本设计中由于秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲,其精度直接影响计数器的精度,因此要求秒脉冲有比较高的精度。一般情况下,要做出一个精度比较高、频率很低的振荡器有一定的难度,工程上解决这一问题的办法是先做一个频率比较高的矩形波振荡器,然后将其输出信号通过计数器进行多级分频,就可以得到频率比较低、精度比较高的脉冲信号发生器,其精度取决于振荡器的精度和分频级数。按照这种的思路设计出图3-1所示的秒脉冲信号发生器。 图3-1 秒脉冲发生器图3-1中由陶瓷振
16、荡器、电阻、电容和4060内含的振荡电路共同构成32768 振荡器,产生频率为32468的矩形波,经4060内部的14级计数器的分频,得到频率为2的矩形波,然后由74LS160的端得到频率为1的秒脉冲信号,用该脉冲作为减法计数器的计数脉冲。3.1.2 定时器模块设计74LS161的外引线排列图如图3-2所示。图3-2 74LS161管脚图其功能表如表3-1所示。表3-1 74LS161功能表输 入 输 出 MR CLKTC CEPCETP3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3
17、 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加1以秒脉冲作为计数器的计数脉冲,设计一个四十五进制和五进制的计数器,如图3-3所示。 图3-3 定时器电路3.1.3 控制器模块设计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。按照图2-3的状态转换图,控制器有4个状态,因此可由两个触发器构成,本设计中选用两个JK触发器产生4个状态。(1)A车道绿灯亮,B车道红灯亮,此时A车道允许车辆通行,B车道禁止车辆通行。当A车道绿灯亮能够规定时间后,控制器发出状态转换信号,系统转入下一个状态。(2)A车道黄灯亮,B车道红灯亮,此时A车道允许超过停车线的车辆继续通行,而未超过停车线
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