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——交通灯控制电路设计与仿真
魔都大学机自学院自动化系
电气工程及其自动化
姓名:水源蓝翼sky
学号:1314521
指导老师:徐昱琳
2014年6月26日
Content
一. 设计任务及要求
二. 设计思路,步骤及仿真调试
a) 题意分析及构造框架
b) 灯显示电路的设计及仿真调试
c) 状态控制电路设计及仿真调试
d) 定时器电路的设计及仿真调试
e) 脉冲电路的设计与仿真调试
三. 小结
一、 设计任务及要求:
设计一个主干道和支干道十字路口的交通灯控制电路,其要求如下:
1.一般情况下,保持主干道畅通,主干道路灯亮、支干道红灯亮,并且主干灯亮的时间不少于60 S;
2.当主干道绿灯亮超过60 S,且支干道有车时,主干道红灯亮,支干道绿灯亮,但支干道绿灯亮的时间不得超过30S;
3.每次主干道或支干道绿灯亮变红灯时,黄灯先亮5S。
二、 设计思路步骤及仿真调试
a) 题意分析与框架构造
系统由控制器和处理器组成,控制器接受外部系统时钟和传感器信号。处理器由定时器和译码器组成。定时器能向控制器发出60s,30s或5s定时信号,译码器显示器在控制器的控制下,改变交通灯信号。根据题目要求画出系统框图。
其中:
TL:主干道绿灯亮的最短时间间隔,不少于60s或者支干道绿灯亮的最长时间间隔,不多于30s。此时TL=1,否则TL=0;
TY:
表
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示黄灯亮的时间间隔为5s,此时TY=1,否则,TY=0.
TS:表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
b) 灯显示电路
设主干道绿灯、黄灯、红灯分别为G1、Y1、R1;支干道绿灯,黄灯、红灯分别为G2、Y2、R2,并且均用0表示灭,1表示亮.
交通灯控制器的控制过程分为四个阶段,对应的输出有四种状态,分别表示。
状态:主干道绿灯亮,支干道红灯亮,此时主干道允许车辆通行,支干道禁止车辆通行。当主干道绿灯亮够60秒后,控制器发出状态转换信号,系统进入下一个状态。
状态:主干道黄灯亮,支干道红灯亮,此时主干道允许超过停车线的车辆继续通行,而未超过停车线的车辆禁止通行,支干道禁止车辆通行。当主干道黄灯亮够5秒后,控制器发出状态转换信号,系统进入下一个状态。
状态:主干道红灯亮,支干道绿灯亮。此时主干道禁止车辆通行,支干道允许车辆通行,当支干道绿灯亮够30秒后,控制器发出状态转换信号,系统进入下一个状态。
状态:主干道红灯亮,支干道黄灯亮。此时主干道禁止车辆通行,支干道允许超过停车线的车辆通行,而未超过停车线的车辆禁止通行。当支干道红灯亮够5秒后,控制器发出状态转换信号,系统进入下一个状态。
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、10、11,并分别用 表示,则控制器的工作状态及功能如表1、2所示,控制器应送出主、支干道红、黄、绿灯的控制信号。
状态
状态编码
00
01
11
10
对应的有四种输出状态:(同时,根据要求,我们也可加上定时器的对应状态)
真值表
主干道
支干道
TL
TY
TS(TL状态发生变化的时刻)
00
100
001
1
0
1
01
010
001
0
1
1
11
001
100
1
0
1
10
001
010
0
1
1
TL与TY是状态转换的条件。所以可作出下面的转换图:
可采用4位二进制计数器74HC161实现控制器的四个状态循环。当倒计时计数值为01时T1=1,作为74HC61的计数使能信号。
状态
QBQA
G1Y1R1
G2Y2R2
S0
00
100
001
S1
01
010
001
S2
11
001
100
S3
10
001
010
如下图所示,利用D触发器,与门以及非门的组合形成主干道与支干道的灯显示电路图:
图(b)灯显示电路
c)状态控制电路
用与非门和非门以及D触发器画出下图:
图c:状态控制电路
d)定时器电路的设计
十字路口的计时提示,有助于路人更好的观察时间,具体设计如下所述:这里我选择的是加计数器74LS163D。由于主干道与支干道的计时时间不一样,并且都大于10s,主干道60s,支干道30s,所以然后选择了4个数码管。如下图所示,上面两个数码管表示的是主干道的计时工作,左边表示个位数,右边表示十位数,它们都采用了置0法。对于十位上的数,从0计数到5,个位上从0计数到9。同理,下面的数码管十位上的数从0计数到2。其脉冲信号有555多谐振荡器提供。
这里最大的问题就是:如何是上下的数码管轮流工作。为此,绞尽脑汁,最后想出来了用D触发器。D触发器的时钟信号由60s与30s的最后一个数“与”提供,然后将输出端分别接上面和下面的数码管。这样就可以实现上下的轮流工作。具体见下图:
图d:定时器电路设计
e)脉冲电路
利用555定时器为主组成多谐振荡器,输出1Hz的矩型方波,实现脉冲电路功能。组成的脉冲电路如图所示:
参数计算如下:
其中
,
,输出端接上了一个开关,可以控制系统工作的开始和暂停。
总图如下:
总图
三. 小结
首先看到这个数电报告的题目,感到一片茫然,不知道从哪下手,好像是没学过一样(估计理论知识没学好的缘故)。慢慢的沉下心来,认真地理解并分析题意,逐渐地有了一点思路。但是发现自己所掌握的那点知识还不够,于是把教材重新拿起来,看看集成电路的相关知识,再通过查阅相关的资料,开始形成了一个大致的框架。再一点点的利用课本知识画卡诺图等等设计出工作电路,最后通过仿真,观察实际效果。似然结果不够完美 ,但是达到了要求。
在这个课程设计中,最大的问题就是,定时器怎么设置,以及定时器和控制器怎么结合到一块,因为实际操作的经验缺乏以及理论知识的不扎实,让自己苦思了很久,最后还是查阅了一些资料才有了些大概的了解。一开始看到定时器就想到了课本上所学的555定时器,但是思考一下,觉得555定时器貌似不可以用,因为电路要求是60,30,5s的计时,而555定时器能产生间隔时间可控制的方波,所以最后没有使用555定时器作为倒计时器,而是使用了74LS193,555多谢振荡器有产生时钟信号的作用。此外,还有一个深刻的印象就是,数电电路有时候看起来特别复杂,线非常的多,感觉分析的话真的无从下手。但是通过这次的课程设计,我发现即使是非常难的电路,都是由一个一个模块组合起来的。比如这题当中的交通灯电路的控制与设计就是由控制器,计时器,以及灯显示器等等组合起来的,所以给我们一个经验就是,分析一个集成电路,要将其模块化,每一个模块的作用是什么,然后整体上去把握,就能很容易的了解电路的作用,这对我们设计一个电路也是很好的经验。
另外还有一个问题,就是在设计控制电路时,已经设计好了计时器,之后想把计时器结合到一块,因为主干道灯亮60s与主干道绿灯亮是结合到一块的,所以就想怎么通过计时器控制灯的显示灯的亮暗。在这里,我觉得很巧妙的就是利用了D触发器,由于D触发器就是来一个脉冲就翻转一次,所以就想到了可以控制绿灯与黄灯,以及和红灯之间的亮暗。然后利用74LS163在60s与30s时有清零的作用,于是将清零端接一个与门控制D触发器的触发。具体的操作见图。总之,在设计过程中,问题重重,但是不断地与同学讨论,加上自己的思考,逐渐地解决了这一系列问题。尽管很花时间与精力,但是最后成功的那一刻,还是非常的喜悦的。
与模电有种同样的感觉就是,我们所学的电子技术非常地具有实际使用价值,而我们目前所学的只是皮毛。要想真正地做好课程设计,必须努力学好理论知识,然后多操作,将理论与实际结合起来,才能更好地掌握电子技术,更好地在实际生产生活中运用我们所学的指示,解决实际当中的问题。
(内容仅供参考,切勿抄袭。革命尚成功,同志需努力!!)