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交通管理系统

摘要

此次课程设计主要是设计一个交通灯管理系统，此系统主要由分频电路，n进制计数控制器，05秒译码电路，00译码电路，4-7段译码电路，动态扫描控制，黄灯闪烁控制，红绿灯交替控制，手动/自动模式选择，手动切换控制红绿灯等部分组成。

其中各部分电路之间存在一定的相互控制及制约作用，比如某个方向的绿灯转化为红灯之前，黄灯需要闪烁，同时绿灯要熄灭，那么就由控制黄灯的信号同时控制绿灯。

在手动模式和紧急情况下，开关需要对整个系统进行独立控制，这样就可以避免自动模式与手动及紧急情况下的矛盾。

在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。

交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，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。

Abstract

ThemainaimofthisCourseDesignistodesignasystemofmanagingtrafficlights,whichcontainsfrequencydividercircuit,controlofNcounters,encodersof05secondsan00seconds,4-7segmentofdecodingcircuit,controlofdynamicscanning,yellowlightsflashing,theredandgreenlightsworkinginturn,selectionofmanualmodeorautomation,manualswitchingcontroltrafficlightandsoon.Therearesomerelationsamongsomepartialcircuits,forexample,beforethegreenlightinonedirectionturntored,theyellowlightshouldflashandgreenlightshouldextinguishatthesametime,whichwillbecontrolledbythesignalsthatcontrolsyellowlights.Whenthesystemisinmanualmodeandanemergency,itneedtobeindependentcontrolledbyswitches,whichcanavoidtheconflictsbetweentheautomationandmanualmode,emergency.

摘要1

Abstract1

设计要求3

一、任务3

1）系统设计3

2）实验调试3

3）设计总结3

二、设计给定条件3

三、设计基本要求4

红绿灯管理4

时间牌管理4

四、设计附加要求4

红绿灯管理4

时间牌管理4

正文5

一、设计要求分析5

二、系统框图及工作原理5

三、模块电路6

1）64Hz脉冲产生电路6

2）分频电路8

3）时间牌起始数设定电路8

4）时间牌起始数选择电路9

5）时间牌工作控制电路9

6）数码管控制及驱动电路10

7）黄灯控制及驱动电路10

8）红绿灯控制及驱动电路11

9）控制开关电路11

四、总体电路图分析12

1）功能介绍12

2）创新部分12

3）自动模式下电路分析12

4）手动模式下电路分析13

5）紧急情况下电路分析14

五、芯片功能表15

六、调试步骤18

七、元器件清单19

八、收获体会20

九、附件21

参考文献21

设计要求

1、任务

根据给定的设计要求，在一定的条件限制范围内，综合运用模拟/数字电子技术知识进行方案分析、电路设计、参数计算，并经仿真调试得到一个满足设计要求的系统电路。

1）系统设计

系统设计就是根据设计任务书给定的技术要求设计完整的系统电路。

具体要求:

✧仔细分析设计任务书给定技术指标和设计要求，比较选择总体方案，并绘制系统方案结构框图；

✧针对系统方案结构框图中的各个子功能模块，逐一设计并绘制各功能模块的单元电路图；

✧根据系统结构框图进行各单元电路之间的信号连接；

✧通过反复检查、修改,最后绘制出完整的系统设计电路图。

2）实验调试

利用EDA开发环境MAX+PLUSII，完成系统电路图的设计输入、逻辑综合、时序仿真、编程下载和硬件验证全过程，实现片上系统SOC设计。

具体要求:

✧设计输入以逻辑原理图方式为主，文本、波形等其它设计输入方式也可以考虑；

✧熟练掌握MAX+PLUSII开发环境的操作与使用，独立完成系统设计的输入、编译、仿真、下载、硬件测试等工作。

3）设计总结

整理设计资料，体会设计过程，撰写课程设计总结报告。

基本内容包括：

✧设计任务与设计要求并简述设计系统功能；

✧系统结构框图并简述各功能模块的工作原理；

✧各单元电路原理图并简述各子电路设计过程；

✧总体电路图及其相关说明（绘制规范标准3#图纸1张）；

✧进行必要的方案讨论、参数计算、仿真分析、波形说明；

✧收获体会与改进意见（包括设计中对遇到问题的分析以及解决办法）。

2、设计给定条件

●东、西、南、北四个方向的红、黄、绿信号灯分别用红黄、绿三色发光二极管代替。

（东西-南北方向共用两只红、两只绿和两只黄发光管）；

●用一个时间显示牌代表四个方向的时间显示牌,并用七段共阴数码管代替时间显示牌（动态扫描显示）；

●应用MAX+PLUSII开发环境及EPF10K10LC84芯片进行交通管理系统的软硬件设计与开发；

●工作电源与时钟信号源CP可利用实验箱上已有资源。

3、设计基本要求

红绿灯管理

信号灯要求

v当东西方向绿灯亮时（表示允许东西方向车辆直行或右转弯通过十字路口），这时，南北方向应亮红灯；

v当南北方向绿灯亮时，东西方向应亮红灯。

工作模式要求

自动工作模式：

Ø东西方向和南北方向的红绿信号灯每隔一定时间应能交替点亮；红、绿信号灯显示时间相等，显示时间应能在20s-60s范围内人工设定，且设定间隔为10s；

Ø红、绿灯交替之前，从第五秒开始黄灯应以2Hz频率闪动，至红绿灯交替时结束。

手动工作模式：

Ø能手动控制两个方向的红、绿灯显示；

Ø红、绿灯交替之前，不要求黄灯闪动；

Ø由手动转入自动时，对红灯或绿灯先转至何方向无特别要求。

时间牌管理

自动工作模式时：

Ø时间牌数码管应从设定值开始，按秒递减显示，直至0秒交替时刻，循环工作

手动工作模式时：

Ø时间牌数码管应熄灭

4、设计附加要求

红绿灯管理

信号灯要求：

v当紧急情况发生时，报警电路工作，可手动控制东西方向和南北方向同时亮红灯并灭时间显示牌；

v当黄灯分时段控制时，黄灯在绿变红前5S闪烁，而在红变绿前5S不闪。

时间牌管理

自动工作模式时：

Ø时间牌的两位数码管当有0值出现时能自动实现灭零显示；

Ø东西方向和南北方向的时间牌数码管的初值；

Ø可以进行不一致设置。

正文

1、设计要求分析

该交通灯管理系统应具有的功能如下：

时间牌驱动电路

时间牌控制电路

红绿黄灯的驱动电路

红绿黄灯的控制电路

在设计的过程中应该注意各个模块电路之间的联系，在设计时间牌电路时，要考虑这块电路为红绿灯及黄灯送去控制信号，其中时间牌和红绿黄灯均要受手动和紧急信号的独立控制，另外红绿灯和黄灯之间要相互控制。

2、系统框图及工作原理

工作原理：

首先由脉冲产生与分频电路为控制器送去脉冲信号，同时时间初值设定模块为控制设定计数器的起始值，然后由手动/自动选择模块对控制器进行选择，决定控制器是处于自动模式还是手动模式，在这些信号设置好后，由控制器来控制数码管驱动器和信号灯控制器，接着就由数码管驱动器和信号灯控制器分别控制时间显示和红黄绿信号灯的工作状态，从而完成系统的功能。

3、模块电路

1）64Hz脉冲产生电路

由555定时器接成的多谐振荡器，由于接入了二极管D1和D2，从而电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电电流只流经R2，因此电容C的充电时间变为：

而放电时间为：

故得输出脉冲的占空比为：

若取

，则

如图电路的振荡周期也相应地变为：

若取

则经过理论计算得出

然而经过multisim仿真最后得出

仿真图中显示了由555接成的多谐振荡器产生脉冲的波形，频率以及电容充放电过程。

2）分频电路

此处用74161——TTL可预置四位二进制异步清除计数器进行分频，当由555振荡器送给74161_164Hz持续信号时，74161_1便开始加计数，当74161加满16位时，RCO端产生一个上升沿，从而使74161_2加一次数，如此重复，便使得74161_2的QA端产生一个2Hz的脉冲信号，QB端产生一个1Hz的脉冲信号，从而达到分频的效果。

3）时间牌起始数设定电路

此处电路可以作为两个不同方向，时间牌进行减计数时，起始数的设定。

其中A端控制的是南北红灯和东西绿灯所亮的时间，B端控制的是南北绿灯和东西红灯所亮的时间。

当A20s=H,A30s=L,B20s=L,B30s=H，则此时东西绿灯亮的时间为30s而南北绿灯亮的时间仅为20s，这样有利于东西方向车辆的通行。

此处电路主要是为了解决两个不同方向车流量的不同而设计，以便使得交通更为畅通。

4）时间牌起始数选择电路

由于设计了时间牌起始数设定电路，所以必须要配有一个时间牌起始数选择电路，这样才能发挥起始数设定电路的作用，如图，74257_1即发挥这种作用，当select为低电平时，选择A端的信号，此时Y1Y2Y3Y4=A1A2A3A4；当select为高电平时选择B端信号此时Y1Y2Y3Y4=B1B2B3B4。

5）时间牌工作控制电路

时间牌工作控制电路主要控制数码管的工作，为数码管送去0~9的BCD码。

其中高位的QAQBQCQD和低位的QAQBQCQD进行或运算，为74192_H和74192_L送去低电平置数信号，从而计数器从新进行减计数；74257_2主要受64Hz脉冲信号的控制，当64Hz的低脉冲送入74257_2的SEL端时，Y1Y2Y3Y4=A1A2A3A4，即高位信号被选中，此时64Hz的低脉冲信号同时控制7448的灭零输入端RBIN，使得在选中高位信号时，灭零输入端RBIN有效，从而达到高位灭零的效果；当64Hz的高脉冲信号作用于74257_2时，Y1Y2Y3Y4=B1B2B3B4，而7448的灭零输入端RBIN无效，所以低位的零不灭。

当灭牌信号blackout为高电平时，7448正常工作，而当灭牌输入信号blackout为低电平时，7448的灭牌输入端BIN有效，从而达到灭牌的作用。

另外64Hz的信号还同时选择数码管的高低位，使得两个数码管看上去在同一个时间工作，此处64Hz信号相当于一个扫描信号。

6）数码管控制及驱动电路

此处电路主要是数码管的驱动的电路，数码管中的二极管均采用共阴接法，电流由abcdefg端输入，由HB和LB信号控制数码管是否处于工作状态。

7）黄灯控制及驱动电路

首先二极管导通压降大概在1.8V左右，流过电流大概是5~20mA，直流电源VCC=5V，由此可以计算出限流分压电阻的范围为160Ω~640Ω，此处选择的是300Ω，，从而达到限流的作用，同时能够使得二极管足够亮而不至于烧毁。

此处黄灯的控制电路主要有三部分，第一部分是受5~1s的信号控制，第二部分是受同一个方向的红灯信号控制，第三部分是受2Hz信号控制。

对于第一部分，首先HQA，HQB，HQC，HQD，LQD进行或非运算，然后与灭牌信号blackout进行与运算，从而控制74138的一个使能端G1，当G1无效时，74138ABC端输入的信号无效，当G1端有效时，74138ABC端输入信号有效，然后在74138的输出端识别5~1s的信号，从而使得NAND5的输出端为高电平，于是AND3_1和AND3_2均打开，接受其他信号的输入与控制；

对于第二部分，当其中一个方向的红灯为高电平时，该方向的黄灯必将熄灭，则控制另一个方向黄灯的与门打开，接受其他信号的控制；

对于第三部分，当第一部分和第二部分均满足时，第三部分的2Hz脉冲信号即可控制黄灯开始闪烁。

8）红绿灯控制及驱动电路

该部分电路是本次课程设计的一个难点与重点，也是逻辑性最强的一部分，因为该部分电路需要受以下几部分控制，第一是自动模式下，TFF的翻转信号控制红绿灯的转换，5~0s信号控制黄灯亮时，同时控制绿灯熄灭；第二是手动模式下，手动控制信号控制两个方向的红绿灯；第三是紧急情况下，紧急信号控制熄灭绿灯，同时点亮两个方向的红灯。

当handauto信号为高电平时，21MUX选择A端信号，此时由TFF的输出端Q来控制红绿的亮灭情况，等0sl低脉冲信号作用于TFF的T端时，输出端Q发生翻转，从而两个方向上的红绿灯切换，但当5~1s低脉冲信号控制的AND2_3和AND2_5关闭时，绿灯熄灭；当handauto信号为低电平时，21MUX选择B端信号，此时由rgchange信号来控制两个方向的红绿灯亮灭情况，rgchange=1时，r1g2亮，rgchange=0时r2g1亮。

上述情况是在正常情况下进行的，当发生紧急情况时，不管21MUX选择哪路的信号，对红绿灯的控制均无效，此时仅有紧急信号控制红灯点亮。

9）控制开关电路

这部分电路主要是物理控制环节，由开关对内部电路进行控制，从而达到选择控制的目的。

当urgent接低电平时，系统处于紧急状态，当urgent接高电平时，系统处于正常状态；

在系统处于正常状态时，当handauto接高电平时，系统处于自动模式，当handauto接低电平时，系统处于手动模式；

在系统处于手动模式时，当rgchange接高电平时，r1g2点亮，当rgchange接低电平时，r2g1点亮。

4、总体电路图分析

1）功能介绍

该电路主要能完成如下几点功能：

Ø利用555定时器制作产生64Hz脉冲信号的多谐振荡器；

Ø时间牌和红黄红灯的控制和驱动电路；

Ø自动情况下，在某一个方向上的绿灯转化为红灯前5s时，黄灯开始以2Hz频率开始闪烁，同时该方向上得绿灯熄灭；

Ø自动情况下，能够实现东西，南北方向绿灯亮的时间不一致，比如东西方向的绿灯亮30s，同时南北方向的红灯亮30s；然后南北方向的绿灯只亮20s，同时东西方向的红灯只亮20s；

Ø手动情况下，能够把时间牌和黄灯熄灭，同时能够手动控制东西的绿灯，南北的红灯和东西的红灯，南北的绿灯；

Ø紧急情况下，能够把时间牌，黄灯，绿灯都熄灭，同时四个方向上得红灯均亮。

2）创新部分

该电路图主要创新部分如下：

选择不同方向的时间不一致的选择信号仅由控制某个方向上的红灯信号控制；

05s译码电路对黄灯和绿灯的控制。

3）自动模式下电路分析

Ø时间牌一致电路分析

此情况下，urgent=1，handauto=1，启动的是系统的自动模式，A20s=0，A30s=1，B20s=0，B30s=1，此时选中的是两个方向上的20s，这样两个方向上的计数器均由20s开始减计数。

Ø时间牌不一致电路分析

此情况下，urgent=1，handauto=1，启动的是系统的自动模式，A20s=1，A30s=0，B20s=0，B30s=1，此时选中的是A方向上是30s，B方向上是20s，这样A方向上的计数器开始由30s进行减计数，B方向上的计数器开始由20s进行减计数。

4）手动模式下电路分析

ØR2G1工作电路分析

此情况下，urgent=1，handauto=0，启动的是系统的手动模式，此时rgchange=0，于是R2G1开始工作，而黄灯不工作。

R1G2工作电路分析

此情况下，urgent=1，handauto=0，启动的是系统的手动模式，此时rgchange=1，于是R1G2开始工作，而黄灯不工作。

5）紧急情况下电路分析

此情况下，urgent=0，则仅有两个方向上的红灯工作，其他信号灯均不工作。

5、

芯片功能表

Ø74161——TTL可预置四位二进制异步清除计数器

Inputs

Outputs

CLK

LDN

CLRN

ENP

ENT

RCO

↑

*RCO=QD&QC&QB&QA&ENT

Ø74148——TTL8-3线优先编码器

Inputs

Outputs

EIN

A2N

A1N

A0N

GSN

EON

74138——TTL3-8线译码器

Inputs

Outputs

Enable

Select

G2*

Y0N

Y1N

Y2N

Y3N

Y4N

Y5N

Y6N

Y7N

*G2=G2AN+G2BN

Ø74257——TTL三态原码四位2选1数据选择器

Inputs

Outputs

SEL

Ø74192——TTL可预置BCD双时钟可逆计数器

Inputs

Outputs

CLR

LDN

CON

BON

↑

CountUp

↑

CountDown

↑

HoldCount

↑

Illegal

7448——TTLBCD-7段译码器/内部上拉输出驱动

Decinalorfunction

Inputs

Outputs

LIT

RBIN

BIN

RBON

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