交通灯课程设计
交通灯的设计与制作
一.设计要求:
设计并制作一具有三种信号灯的十字路口交通灯控制器。要求:
1)由一条主干道和一条支干道汇合成的十字路口,每个入口处设置-红、绿、黄三盏信号灯,
红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行,黄灯亮则给行驶中的车量有时间停在禁行线外; 2)信号灯变换次序为:主支干道交替允许通行,主干道每次放行45s,亮5s黄灯,让行驶
中的车辆有时间停在禁行线外;支干道放行30s,亮5s黄灯,让行驶中的车辆有时间停在禁行线外,„„
3)各计时电路采用倒计时显示。
二.题目分析:
该题目要求分主干道和支干道,且它们要分别显示时间和亮起相应的灯。而他们的定时要求最大为两位数字,所以可以分别用两片十进制计数器来控制各自道路的计数。但是它们的控制权限不一样。在主干道亮绿灯和黄灯时控制由主干道的高位片的借位信号控制是否置数和编码的进位。而当主干道亮红灯时控制由支干道的高位借位信号控制。为了使得计时比较准确,所以用石英晶体构成多谐振荡经分频来实现1S脉冲。而灯的点亮顺序由74LS138译码器控制,74 LS245用来为倒计时置数,CC4511驱动译码显示等。
主干道,支干道的状态如表
三.总体方案:
1.支干道与主干道的主要电路是一样的,只是各个灯的点亮顺序不同。
2..主支干道路由一个两位十进制计数器组成99S以内的倒计时器。而它们的计数初始数字由置数字信号控制置入不同的数字。
3.控制模块,由一个4进制计数器组成。它来控制各个道路灯亮的顺序和各个道路置入的倒计时数字的大小。
4..灯的显示模块,各个道路由相应颜色的发光二极管组成。 5.总体框图:
图1 总体原理图
四.原理图设计:
说明:
交通灯控制系统功能图它主要由减法计数器、步骤控制器、置数逻辑电路和秒脉冲信号
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,译码器输出两组信号灯的控制信号,经驱动电路后驱动信号灯工作,控制器是系统的主要部分,由它控制定时器和译码器的工作。
其中控制部分由74LS192组成,然后经译码后,输出十字路口主干道﹑支干道二个方向的控制型号。
当主干道方向绿灯亮,而支干道方向红灯亮时,使主干道方向的74LS192以减法计数器方式工作,从数字“45”开始往下减,当减到“0”时,主干道方向绿灯灭,红灯亮,而支干道方向红灯灭,绿灯亮。由于支干道方向红灯信号,使与门关断,减法计数器工作结束,而主干道方向红灯亮,使另一方向——支干道方向减法计数器开始工作。
显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时,使减法计数器开始工作(用对方的红灯信号控制),每来一个秒脉冲,使计数器减1,直到计数器为“0”而停止。译码显示可用CD4511七段译码器,显示器用LC5011-11共阴极LED显示器,计数器材用可预置加、减法计数器。
原理图使用Altium Designer 8.0绘制。共分为两部分(控制部分、显示部分)
图2 显示部分原理图
图3 控制部分原理图
五.各部分定性说明以及定量计算:
1.振荡电路设计 a.振荡电路工作原理
石英晶体秒脉冲源由 CD4060 和晶体、电阻、电容网络构成,电路如图4所示。 CD4060 内部含有构成振荡器的门电路。通过外接元件构成了一个振荡频率为 32.768kHz 的典型石英振荡器。该脉冲源的输出直接接到4013计数器,在输出端可以得到 0.5s 脉(32768/2 14 =2Hz )。这种电路常用于电子表、电子钟及其它定时设备。
图4 振荡电路工作原理图
b.参数计算
并联在两个反相器输入、输出间的电阻 R 1 、 R 2 的作用是使反相器工作在线性放大区, R 1 、 R 2 的阻值,对于 TTL 门来说通常取 0.7 ~ 2K Ω , 而对 CMOS 门来说则常取 10 ~ 100M Ω。
电容 C 1 和 C 2 用作反相器间的耦合,它们的容抗在石英晶体的谐振频率 f 0 时,可
以忽略不计。
从上图可知,石英晶体在串联谐振频率附近的选频特性非常好,只有频率 f 0 的信号容
易通过,而其它频率的信号均会被晶体所衰减。因此,一旦合上电源,振荡器只有 f 0 频率信号通过,不断放大,而有稳定输出。
c.器件选择
1)、CD4060
图5 CD4060引脚图
2)CD4013
图6 CD4013引脚图 2、计数器电路设计
a、计数器工作原理
计数器原理如图 7 用4片74HC245分别置数45、5、30、5.用两片74HC192级联构成两位数倒计数器。
初始状态为主干道亮绿灯,支干道亮红灯,计数器从45开始倒计时到0,转到下一状态主干道亮黄灯,支干道亮红灯,计数器从5开始倒计时到0,又转到下一状态主干道亮红灯支干道亮绿灯,计数器从30开始倒计数到0,再转入下一状态主干道亮红灯支干道亮黄灯,计数器开始从5开始倒计时,如此循环。 每计时完成一次即向红绿灯控制电路发出一脉冲,使74HC138输出控制相应置数芯片有效。
图7 计数器原理图 b.参数计算
74LS245还具有双向三态功能,既可以输出,也可以输入数据。当CE低电平有效时,DIR=“0”,信号由 B 向 A 传输;DIR=“1”,信号由 A 向 B 传输;当CE为高电平时,A、B均为高阻态。 C.器件选择
图8 74HC245功能表及引脚图
74HC(LS)192是同步十进制可逆计数器,它具有双时钟输入,并具有清除和置数等功能。
图9 74HC192引脚图及逻辑符号
图10 74HC192功能表
3、主要控制电路设计 a、主要控制电路原理
控制电路主要由一个74HC(LS)192组成的4进制计数器。它再通过74HC(LS)138组成的
译码控制灯的点亮顺序和控制选择那组传输门来置数。由于74HC(LS)245的控制端本来就是底电平有效而74HC(LS)138的输出也是底电平,所以可以直接用74LS138的输出端来接到74HC(LS)245的控制端。
图11 主要控制电路原理图 b、参数计算
控制电路的74ls192的清零在工作时由LD端控制。而且74ls192为异步清零所以四进制记
数时应该在0100时进行进位清零。而启动的时候由CR端控制清零。译码控制灯的时候可以列出真值表对应各路的灯。
c、器件选择
1)74HC138
定义:能够将1个输入数据,根据需要传送到m个输出端的任何一个输出端的电路,叫做数据分配器,又称为多路分配器,其逻辑功能正好与数据选择器相反。
电路结构:由与门组成的阵列。 由于译码器和数据分配器的功能非常接近,所以译码器一个很 重要的应用就是构成数据分配器。 也正因为如此,市场上没有集成数据分配器产品,只有集成译 码器产品。当需要数据分配器时,可以用译码器改接。 功能表如下图:
图12 74HC(LS)138功能表
由74LS138构成的1—8路数据分配器:
图13 74HC(LS)138接线图
图14 74HC138引脚图
2)74HC192
74HC(LS)192已在前面介绍,在此就不在赘述。 4、译码显示电路设计 a、译码显示电路原理
显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮时,使减法计数器开始工作(用对方的红灯信号控制),每来一个秒脉冲,使计数器减1,直到计数器为“0”而停止。译码显示可用CD4511码七段译码器,显示器用LC5011-11共阴极LED显示器,计数器材用可预置加、减法计数器。
其中数码管3、8接低电平。4511的3、4脚接高电平、5接低电平
图15 译码显示电路原理图
b 、参数计算
根据实验要求,译码显示电路注意的就是接线,拐脚一定要对应正确 否则会出现乱码等情况。
c、器件选择
1)CD4511
图16 CD4511引脚图 图17 数码管引脚图
5、红绿灯
a、红绿灯电路
138输出是低电平所以要使用74HC00,74HC04。
图18 红绿灯电路
b、器件选择
图19 74HC00 引脚及内部电路
图20 74HC00 引脚及内部电路
六.在设计过程中遇到的问题及排除措施:
在这次课程设计中,遇到了各种各样的问题。在确定好方案之后画仿真图的时候不管怎么弄,最开始数码管的置数部分就是不正确,而且74ls192的倒计时也不对,我们小组就一起讨论,在老师的指导下我们对74ls192的功能有所了解后就又开始画仿真图,最后在大组成员的坚持下,仿真图成功的做好了。但是在画PCB的时候也遇到了问题,可是有位同学一直坚持着,并在老师的指导与修改下控制部分的PCB做好了,所以真的很感谢老师的指导。在接下来的焊板过程中,各组成员积极配合,基本上没遇到什么问题。在调试阶段,我们没有调试成功,可能是因为PCB板有些线已经被腐蚀了以及显示部分有些线路没有连接好,最后我们没有调试成功。不过通过在此遇到问题以及解决问题的过程中,我们都懂得了坚持就一定会由收获的。
七.设计心得体会:
持续近两个星期的课程设计结束了,经过这两星期的努力在小组成员的配合下,我完成了本次课程设计-----交通灯的设计与制作。我们的设计虽然有一些小毛病,但总体上还是很成功的。两周的时间虽然很忙,但从中获益匪浅. 毕竟在课堂上学习的内容真真正正能用到实际是有点超乎我们的想象,而且要把理论知识付诸实践确实非一件易事。我从最初的设想设计一个什么样的数字电路到绘制电路图,最后校正设计中的漏洞与不足。整个过程中我翻阅大量资料,跑遍图书馆各个能找到数电资料的角落,上网查找有关内容,马不停蹄思考如何绘制电路,并和周围同学进行着一遍又一遍的交流与设计思想。
首先对数字电路这门课程有了更深的了解,因为课程设计本身要求将以前所学的理论知识运用到实际的电路设计当中去,在电路的设计过程中,无形中便加深了对数字电路的了解及运用能力,对课本以及以前学过的知识有了一个更好的总结与理解;以前的数字实验只是针对某一个小的功能设计,而课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格,需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案,然后逐步细化进行各模块的设计。例如: 555定时器的使用原理和作用,用它构成触发器和振荡器的方法,还有一个难题就是怎么来选择我们所需要的芯片,从而实现我们所想实现的功能。
最后,感谢学校给我们这次机会,锻炼了我们的动手能力。通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距,而且也让我很明确得意识到自己在数电上有很多的知识漏洞,以后应该多钻研一下。从这过程,我锻炼了自己的动手能力,独立思考能力,分析实践能力,并学会了把自己的设计经验和思路拿出来与大家分享。
再次感谢老师的辅导以及同学的帮助。“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”,由此看来实践的重要,短短两星期的课程设计,学到了很多的东西,最重要的是我自己动手把我学习的知识用于实践,做出成功的作品,这才算真正学习到了东西。总之,这次实验我收获颇多。实践是获得知识的一种最好的手段!
参考文献:
[1] 康华光,数字电子技术基础,北京:高等教育出版社,2008年1月。 [2]数字电子技术《实验指导书》
[3]顾永杰.《电工电子技术实训教程》.上海:上海交通大学出版社,1999 [4]宋春荣.《通用集成电路速查手册》.山东科学技术出版社,1995 [5]吕思忠.《数子电路实验与课程设计》.哈尔滨工业大学出版社,2001 [6]谢自美.《电子线路设计、实验、测试》.华中理工大学出版社,2000
附 控制部分PCB 、仿真图
图21 控制部分
PCB
图22 仿真图