交通灯控制逻辑电路设计任务书.docx
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交通灯控制逻辑电路设计任务书
唐山学院
数字电子技术课程设计
题目交通灯控制逻辑电路设计
系（部）信息工程系
班级1班
姓名胡晓阳
学号4110214108
指导教师王志秦张雅静
2013年07月02日至07月08日共1周
2013年07月04日
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）
说明书（20分）
设计成果（40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
1.1功能要求1
1.2总体方案设计1
2设计原理2
3总体设计3
3.1单元电路设计3
3.1.1信号灯转换器3
3.1.2JK触发器3
3.1.3倒计时计数器4
3.1.4倒计时计数器与信号灯转换器的连接6
3.1.5黄灯闪烁控制6
3.1.6秒脉冲产生电路6
3.1.7白天夜间模式切换的设计9
3.2时序仿真结果9
3.2.1白天工作方式9
3.2.2夜间工作方式10
4仿真软件简介11
5总结12
参考文献13
附录1器件明细表14
附录2仿真电路图15
1引言
城市十字交叉路口为确保车辆、行人安全有序地通过，都设有指挥信号灯。
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。
因此如何采用合适的方法，使交通信号灯的控制与交通疏导有机结合，最大限度缓解主干道与匝道、城市同周边地区的交通拥堵情况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门以待解决的主要问题。
以下就一个简单的交通灯控制系统的电路原理、设计和仿真测试等问题来进行具体分析。
1.1功能要求
要求东西、南北方向的红、黄、绿灯按照下面的工作时序进行工作：
（1）南北和东西车辆交替进行，各通行时间24秒
（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先闪烁4秒，才可以变换运行方向
（3）十字路口要有数字显示作为时间提示，以倒计时按照时序要求进行显示；
（4）可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀状态
1.2总体方案设计
东西方向
GYR
G
依据功能要求，交通灯控制系统应主要由秒脉冲信号发生器、倒计时计数器电路和信号灯转换器组成，原理框图如图1-1所示。
秒脉冲信号发生器是该系统中倒计时计数电路和黄灯闪烁点控制电路的标准时钟信号源。
倒计时计数器输出两组驱动信号T5和T0，分别为黄灯闪烁和变换为红灯的控制信号，这两个信号经信号灯转换器控制信号灯工作。
倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信号灯转换器的工作。
秒脉冲发生器
倒计时计时器
信号灯转换器
南北方向
GYR
图1-1交通信号灯的逻辑框图
2设计原理
设计交通信号灯白天的工作模式如图2-1所示：
图2-1信号指示灯白天点亮流程图
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图2-2所示：
图2-2整体电路设计框图
根据交通灯的性能要求以及整体电路图，设计本次课程设计的交通灯电路。
3总体设计
3.1单元电路设计
3.1.1信号灯转换器
信号灯状态与车道运行状态如下：
S0：
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；
S1：
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；
S2:
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亮，车道通行；
S3：
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。
用以下6个符号来分别代表东西（A）、南北（B）方向上个灯的状态：
GA=1:
东西方向车道绿灯亮；
YA=1：
东西方向车道黄灯亮；
RA=1：
东西方向车道红灯亮；
GB=1：
南北方向车道绿灯亮；
YB=1：
南北方向车道黄灯亮；
RB=1：
南北方向车道红灯亮。
实现信号灯的转换有多种方法，现采用比较典型的方法进行设计，实现信号灯的转换工作。
3.1.2JK触发器
若选用JK触发器，设状态编码为S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其输出为Q1，Q2，则其与信号灯状态关系如表3-1所示。
表3-1状态编码与信号灯关系表
现态
次态
输出
Q0Q1
Q0*Q1*
GAYARAGBYBRB
00
01
100001
01
11
010001
11
10
10
00
001100
001010
由表3-1可以得出信号灯状态的逻辑表达式：
Ga=Q1’Q0’Ya=Q1’Q0Ra=Q1
Gb=Q1Q0Yb=Q1Q0’Rb=Q1’
JK触发器的输出状态是与J输入端的状态相同的，同时分析表2—1，触发器0的现态与触发器1的次态相同，触发器1的现态与触发器0的次态相反，因此可以将触发器0的输出端Q、Q’（现态）分别接触发器1的J、K输入端（次态），触发器1的输出端Q、Q’（现态）分别接触发器0的K、J端（次态），取触发器0为、触发器1为，连接后的电路如图3-1所示。
图3-1JK触发器连接的电路图
3.1.3倒计时计数器
十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们更直观的把握时间。
具体工作方式为：
当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数位“4”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。
在倒计时过程中计数器还向信号灯转换器供模4的定时信号T4和模0的定时信号T0，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯的变换。
倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。
计数器选用集成电路74190进行设计比较简便。
74190是十进制同步可逆计数器，它具有异步并行置数功能、保持功能。
74190没有专用的清零输入端，但可以借助QD、QC、QB、QA的输出数据间接实现清零功能。
功能如表3-2所示。
表3-274190的功能表
CTEND/U
CLKLOAD
ABCDQAQBQCQD
××
00
01
1×
×0
1
1
×1
××××ABCD
××××加计数
××××减计数
××××0000
要实现24s的倒计时，需选用两个74190芯片级联成一个从99到00的计数器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器，再把个位数74190芯片输出端QD用一个与门连起来，再接在十位数74190芯片的CLK端。
当个位数减到0时，再减1就会变成9，0（0000）和9（1001）之间的QA、QD同时由0变为1，把QA、QD起来接在十位数74190芯片的CLK端，此时会给十位数74190芯片一个脉冲数字减1，相当于借位。
预置数功能功能：
用8个开关分别接十位数74190芯片的D、C、B、A端和个位数74190芯片的D、C、B、A端。
预置数的范围为1~99。
断开相当于接0，合上相当于接1。
如图3-2所示。
CTEN端接低电频，加/减计数控制端D/U接高电频实现减计数，预置端LOAD接高电频时计数，接低电频时预置数。
因此，工作开始时，LOAD为0，计数器预置数，置完数后，LOAD变为1，计数器开始倒计时，当倒计时减为00时，LOAD又变为0，计数器又预置数，如此循环下去。
这可借助两片74190的8个输出端来实现，用或门将8个输出端连起来，在接在预置端LOAD上。
但由于没有8输入的或门，所以需要改用两个4输入的或非门连接，然后再用一个与非门连接来完成此功能。
连接后电路图3-3所示。
图3-2预置数连接方法
图3-3倒计时计数器电路
3.1.4倒计时计数器与信号灯转换器的连接
倒计时计数器向信号灯转换器提供定时信号T4和定时信号T0以实现信号灯的转换。
TO表示倒计时减到数“00”时（即绿灯的预置时间，因为到“00”时，计数器重新置数），此时给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。
接法为：
把个位、十位计数器的输出端QA、QB、QC、QD分别用一个4输入或非门连起来，再把这两个4输入或非门的输出用一个与门连起来。
T4表示倒计时减到数“04”时，给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯不变。
接法为：
当减到数为“04”（00000100）时，把十位计数器的输出端QA、QB、QC、QD用一个4输入或非门连起来，个位计数器的输出端QB、QD用一个两输入或非门连起来，再把这两个或非门与个位计数器的的输出端QA、QC’用一个4输入与门连接起来。
最后将T4和T0两个定时信号用或门连接接入信号灯转换器的时钟端。
3.1.5黄灯闪烁控制
要求黄灯为闪烁状态，即黄灯0.5秒亮，0.5秒灭，故用一个频率为1赫兹的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接至黄灯。
3.1.6秒脉冲产生电路
555定时器的介绍：
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器芯片如图3-4，功能表如表3-3所示。
图3-4555定时器芯片
表3-3555定时器功能表
清零端高出发端TH低触发端Q
放电管T
功能
0××0
101×
1101
1001
1110
导通
保持上一状态
截止
截止
导通
直接清零
保持上一状态
置1
置1
清零
多谐振荡器的介绍：
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于，某一暂稳态后，经过一段时间可以自行出发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
多谐振荡器的构成：
秒脉冲产生电路的功能是产生标准秒脉冲信号，主要由振荡器和分频器组成。
振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的进度决定了计时器的准确度，可由石英晶体振荡电路或555定时器与RC组成的多谐振荡器构成。
一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大，故在设计时，一定根据需要设计出最佳电路。
石英晶体振荡器具有频率准确、振荡稳定、温度系数小的特点，但如果精度要求不高的时候可以采用555构成的多谐振荡器。
参数选择：
振荡周期与频率的计算公式为：
T=（R1+2R2）Cln2=0.7（R1+2R2）C
电源电压为Vcc=12V，其中电路图中C1的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计中要求输出T=1S，可以选取电容为C=10nF，R1=28.86MΩ，根据振荡周期计算，选择电阻R2=57.72MΩ。
在Multisim中进行仿如图3-5所示。
图3-5555构成的多谐振荡器1
由此电路就可以产生脉冲频率为1赫兹的脉冲。
四分频电路：
分频就是用同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成不同频率的时钟信号。
四分频就是通过有分频作用的电路结构，在时钟每触发4个周期时，电路输出1个周期信号。
四分频电路可以用D触发器或是JK触发器组成。
本电路用的是JK触发器。
同步JK触发器驱动表如表3-4。
表3-4JK触发器驱动表
Q
Q*
JK
0
0
1
1
0
1
0
1
0×
1×
×1
×0
可知JK出发器特征方程为：
Q*=JQ'+K'Q
JK触发器四分频电路在Multisim中进行仿如图3-6所示：
图3-6JK触发器四分频
3.1.7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。
用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自动转换开关。
这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。
第二天天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。
在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。
由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出，白天与夜间模式的转换由单刀双掷开关与与门或或门控制。
当开关接上边时为白天工作模式，开关接地时为夜晚工作模式。
电路图如图3-7所示。
切换的开关
图3-7白天夜间工作模式切换
3.2时序仿真结果
3.2.1白天工作方式
交通灯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。
信号灯采用红、绿、黄发光二灯模拟，电路如图3-8所示。
图3-8白天工作方式
3.2.2夜间工作方式
当控制白天与夜间模式的开关接地时为夜间模式，南北东西各方向黄灯每秒闪动，其它灯不亮，电路如图3-9所示。
图3-9夜间工作方式
4仿真软件简介
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。
借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。
与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
有如下特点：
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,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研发时间。
5总结
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.我这课程设计由于我采用的是数字电路来实现的,所以电路较复杂,但是容易理解.每一部分我都能理解并且能有多种设计方法.这一次的课程设计让我学到了很多东西。
首先对于数字电路的知识有了更深的掌握，包括各芯片的引脚及功能。
其次对Multisim软件更加熟悉，掌握了芯片的搜索、线路的连接、仿真图的绘制和检查等。
最后自己的动手能力有了很大的提高，我们专业是应用性的专业，我们以后出去也主要做一些应用的工作，只有理论没有动手能力那只是一纸空谈。
。
时间很紧，这一周又在忙碌中过去了，经过一周的数电课程设计，我从原先看见电路图就一头雾水到现在能够设计复杂的数字钟电路，并且能够实现电路的仿真与实物板的制作与调试，之间的巨大变化着实令人吃惊。
但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是在解决问题的期间我才慢慢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调试。
本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计一个符合要求的数字钟，本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对数字钟的各个组成部分的原理，包括振荡器的原理、计数器的原理、译码驱动原理都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够根据电路图买到我们所需的原件，绘制出仿真电路并调试。
在课设过程中我遇到很多问题，原因有很多比如如何安装软件、调试过程中遇到的问题都不尽相同，但是通过问老师与同学交流都迎刃而解。
在每次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，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。
参考文献
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北京工业出版社，2003
[2]毕满清，电子技术实验与课程设计，北京：
机械工业出版社，2001
[3]阎石主编，数字电子技术基础（第五版），北京：
高等教育出版社，2009
[4]丁润涛主编，电子工程手册，北京：
机械工业出版社，1995
[5]唐赣主编．Multisim10&Ultiboard10原理图仿真与PCB设计．北京：
电子工业工业出版社，2008
[6]郭锁利主编．基于Multisim9的电子系统设计、仿真与综合应用．北京：
人民邮电出版社，2008
[7].王鸿明，段玉生.《电工与电子技术》.高等教育出版社，2009.12
[8].吴俊芹.《电子技术实训与课程设计》.机械工业出版社，2009.4
附录1器件明细表
器件名称
器件型号
器件数目
与门
或门
非门
与非门
JK触发器
计数器
定时器
七段译码器
电容
电阻
电阻
电阻
电阻
电阻
开关
发光灯
7408N
7432N
7404N
7400N
7473N
74190N
IC555
DCD-HEX-YELLOW
10nf
28.86Ω
57.72Ω
57.72Ω
10kΩ
5kΩ
手动开关
发光灯
13个
3个
1个
1个
2个
2个
2个
4个
4个
2个
2个
2个
2个
1个
3个
6个
附录2仿真电路图
升级会员 