课程设计论文交通灯控制电路设计.doc

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1、目录一、引言 1二、设计任务及指标 2三、交通灯控制电路设计1.交通灯运行状态分析 32.电路工作总体框图 43.方案分析比较 54.单元电路的设计 4.1 电源电路设计 5 4.2 脉冲电路设计 6 4.3分频电路设计 8 4.4 倒计时电路设计 10 4.5 控制电路设计 12 4.6 灯显示电路设计 135.总体电路图 156. 实验数据和误差分析 177. 体会总结 18四、致谢 19五、参考文献 19引言当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号

2、灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两个以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示 “通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按

3、一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长 一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。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。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，

4、但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。设计任务要求一、 设计内容：设计十字路口的交通灯控制电路，要求交通灯变化次序为： 南北向 东西向1 绿灯30s 红灯30s2 黄灯3s 红黄灯3s3 红灯20s 绿灯20s4 红黄灯3s 黄灯3s5 绿灯30s 红灯30s二、 基本原理多谐振荡器、计数器、触发器、门电路以及相关的模拟电路、数字电路知识。三、 功能描述：为方便描述及设计电路，将控制电路分为三层子电路。1. 时钟信号发生层：产生方波作为时钟信号。555定时器或运放2. 计时层：提供各状态的变更触发信号。集成同（异）步计数器3. 状态层：锁存控制交通灯状态。JK触发器交通灯控制

5、电路设计1、交通灯运行状态分析交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿配以时间倒计时显示。一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，如图1所示：北图1 交通灯运行状态分析图状态0支干道绿灯亮状态1支干道黄灯亮状态2主干道绿灯亮状态3主干道黄灯亮十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：状态0：东西方向车道的绿灯亮，车道通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行。 状态1：东西方向车道的黄灯亮，车道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行； 状态2：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的绿灯

6、亮，车道通行； 状态3：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道缓行；4种状态循环往复，并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。 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下表1所示。控制器状态信号灯状态车道运行状态S0（00）S1（01）S2（11）S3（10）甲绿，乙红甲黄，乙红甲红，乙绿甲红，乙黄甲车道通行，乙车道禁止通行甲车道缓行，乙车道禁止通行甲车道禁止通行，乙车道通行甲车禁止道通行，乙车道缓行表1 控制器工作状态及其功能

7、 2、电路工作总体框图交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图2所示，有电源电路，脉冲电路，分频电路，倒计时电路，(交通灯)状态控制电路，灯显示电路。脉冲电路分频电路倒计时电路显示器状态控制电路灯显示电路电路电源电路供电图2 交通灯控制电路功能模块框图3、方案分析比较从交通灯控制电路功能模块框图可知在倒计时电路，状态控制电路，灯显示电路这三块电路产生设计分歧。所以实现交通灯控制电路可以有2种方案：(1)先设计出让交通灯按4种状态循环变换的灯显示电路，再通过灯的状态控制倒计时显示器的显示的功能；(2)先设计让倒计时显示器按规律运行的电路，再通过倒计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换；方案

8、1，2均符合设计的要求，但通过具体实践和分析方案1显示电路需要比较多的芯片，其电路不是太复杂，但是过程比较繁琐。而方案2让显示电路来控制灯的发亮，这样显示电路就不受其他信号的影响，并且通过显示电路来控制交通灯的状态变换比较容易。综上所述，选择方案2来设计具体的电路。4、单元电路的设计4.1 电源电路电源电路主要由整流、滤波、稳压三部分组成，用于供给数字电路的工作电源。整流部分由变压器与整流桥KBP210G组成。220V、50Hz的交流输入经过变压器之后，输出9V、50Hz的交流电压。该电压输入整流桥，整流桥由四只整流二极管接成电桥的形式组成。整流桥输出8.1V的直流电压。滤波电路用于滤去整流输

9、出电压中的纹波，由1mF的电容组成电容滤波电路。电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小，适合负载电压较高，负载变动不大的场合。稳压电路用于稳定电压的输出，由三端集成稳压器L7805和电容组成。C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4用于减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。Multisim截图如下：图3：电源电压电路4.2 脉冲电路利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出4Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。555定时器的原理图如图4所示，功能表如表2所示：图4 555定时器原理图表2 555定时器功能表输入输出阀值输入()触发输入()复

10、位()输出()放电管T00导通11截止10导通1不变不变组成的脉冲电路如图5所示：R2R1图5 脉冲电路根据功能表和电路图计算如下：取R1=10kW，R2=10 kW，C=1.6uF。即可实现输出4Hz的矩型方波。值得注意的是，在输出端接上了一个开关，可以控制系统工作的开始和暂停。4.3 分频电路分频电路利用计数器74LS193来实现。图6 74LS193原理图：功能表：清零 预置 时钟 预置数据输入 输出 RD LD CPU CPD A B C D QA QB QC QD H L L L L L L A B C D A B C D L H H 加计数 L H H 减计数图7 管脚：根据上面计

11、算取4分频，即输出为端，电路如图8所示：时间脉冲图8分频电路4.4 倒计时电路十字路口要有数字显示，作为倒计时提示，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s减1的计数方式工作，直至减到数为3和0，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。根据题目的要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30s、支干道每次通行时间为20s。也就是一个循环是50s，如此先显示30s后显示20s倒计时，然后再显示30s倒计时，以此类推。设计时采用两块74LS193，一块是显示十位，一

12、块是显示个位。个位接成十进制，从9开始倒计时，当到达0时，向高位发出一个借位信号，再继续从9倒计时。一开始使十位数置数为3，二进制为0011，个位数为0，二进制为0000，此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端，十位的74LS193芯片倒计时一次，结合个位的设置，电路从30开始倒计时。当主车道绿灯亮了27s，倒计时也已经数到了3了，此时，个位显示3，十位显示0，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始倒计时闪亮3s，当倒计时到0后，个位芯片74LS193发出一个借位信号，向高位借数，但是高位已经是0了，按照要求此时十位应该是从0翻转2，即二进制0010，为了实现这功能，通过研究十位的二进制数发现

13、，十位的二进制是从0011、0010、0001到0000计数完，翻转为二进制0010，然后从0010、0001到0000倒计时，当到0000后就结束一个循环，又从0011开始新的一个循环。从二进制0011和0010两个不同的预置数，发现可以用1个D触发器74LS74接成T触发器并把Q端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能。高位产生借位信号时将Q端的信号置入，当这个借位信号（低电平）消失后，产生一个上升沿的脉冲信号，使T触发器翻转然后保持，下一个借位信号来时就把此时的Q值置入（此时Q值为原来的非，即由0变1或由1变0），然后翻转。通过以上置数方式可实现0011和0010的交替置入。另外，通过在特

14、定时刻（倒计时高位由0000变为0010后）对T触发器进行清零，可实现主次干道通行时间的调整。最后将电路的倒计时接到译码器74HC4511，再接到共阴极数码显示管上显示十进制数字。据此画出倒计时电路如图9所示：图9 倒计时电路4.5 状态控制电路如图1，用倒计时控制灯的变化，先将图示状态0、1、2、3编码为00、01、10、11，当倒计时为30、20、3的时候产生一个信号给状态转换的电路，而这个信号是电平信号的话就很难实现，所以又用了边沿触发，此时用计数器表示状态，取其低两位的计数态00、01、10、11为灯的状态，这样的话，来一个边沿信号就能使计数器加一，实现上述四状态转换。画出状态控制电路

15、信号转换表如表2所示：表3 状态控制电路信号转换表高位低位状态转换信号CP（）001100000010000000000101由表得出CP（）的表达式：电路图如图10：4.6 灯显示电路首先要把控制的脉冲接入计数器74LS193的非减数的脉冲端，因为脉冲主要有四个，四个为一个循环，只取计数器的低位两位即可，除了让计数器工作的接入端需要接电平外，其他端都不用接，再将计数器的低两位接入译码器74LS138的低位两端，从译码器输出四位、信号，低电平有效，每一种低电平表示一种状态，用、表示主干道的绿灯、黄灯、红灯，用、表示支干道的绿灯、黄灯、红灯，得出状态表如表4所示。表4 灯显示电路状态表状态译码信

16、号主车道支车道 0011101 0 00 0 10111010 1 00 0 11010110 0 11 0 01101110 0 10 1 0由表得个各个灯的表达式：= = = = =为了让黄灯能每s闪亮一次，可以在黄灯那里加入一个与门，把黄灯发亮的信号当成是与门的开通信号，与门的另一端接入时间脉冲，那么黄灯就可以实现每秒闪亮一次的功能了。画出灯显示电路如图11所示：图11 灯显示电路5、总体电路图根据上面各功能电路的设计整合，用Multisim仿真软件画出分层电路图如下所示：接口6与下图接口41相连接接口40与下图接口24相连接口25与下图接口18相连接6、实验数据和误差分析（1）电源电路

17、：表5 电源电路误差分析表理想值实验值误差电压输出5v5.04v0.8%结论：与理想值相差微小，原因为元器件本身问题，符合设计要求。（2） 十字路口交通灯转换数据统计:表6 交通灯转换数据统计表次数主干道支干道20次绿黄黄红红绿绿黄黄红红绿正确正确正确正确正确正确结论：干道交通灯转换无问题。（3） 调试中发现倒计时的过程中，从20倒计时至00，再变为30或是从30倒计时至00，再变为20，都有一瞬间有短暂的加快计数状态，本来是一秒倒计一次，但实际上可能是0.7s左右。结论：这样的误差很小，不影响整个系统的功能。7、体会总结这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。电路原理和连接，和芯片

18、上的选择，也略懂。巩固数字逻辑电路的理论知识，对计数器更加了解，懂得它的功能与其它芯片替换等.使DJ触发器从书本上的理论知识联系到实际，让我更加了解它的功能.还有如何利用555芯片产生脉冲.计数器的工作原理。 更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活，同时也加强了对Multisim仿真软件的掌握。在做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。故一个小小

19、的课程设计，对我们的作用是如此之大。致谢感谢学校给我们锻炼的机会，感谢老师们的指导，在同学们的互相帮助，互相启示，最终设计出电路来，非常感谢在过程中帮助过我们的每一个人！ 在电路设计和论文写作的过程中，得到了许多同学的宝贵建议，同时还得到他们的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。 最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！参考文献1康华光.电子技术基础模拟部分.第5版.北京：高等教育出版社，2006 .485-5002康华光.电子技术基础数字部分.第5版.北京：高等教育出版社，2006.1-4303刘明丹. 基于数字电路对交通灯控制的研究与设计. 实验技术与管理.2005，22(6)：03-064任中民. 交通灯数字控制系统的电路设计.辽宁省交通高等专科学校学报.2005，7(2)：45-465陈宗梅. 交通灯控制系统电路设计. 重庆职业技术学院学报.2005，14(2)：124-125