交通燈控制器設(shè)計(jì)（Multisim仿真電路圖）

ID:776760 · 發(fā)表于 2021-7-11 23:43

1. 在十字路口，由A（東西方向）、B（南北方向）兩條交叉的道路組成；
2. A街道綠燈亮，同時(shí)B街道紅燈亮，保持10秒；
3. 10秒后A街道綠燈熄滅，黃燈亮，保持3秒；
4. 3秒后A街道黃燈與B街道紅燈同時(shí)熄滅，繼而A街道紅燈亮，B街道綠燈亮，并保持10秒；
5. 10秒后B街道綠燈熄滅，黃燈亮，保持3秒；
6. 3秒后A街道紅燈與B街道黃燈同時(shí)熄滅，繼而A街道綠燈與B街道紅燈亮，依照上述過程如此循環(huán)。

總體設(shè)計(jì)框圖

圖2-1 總體設(shè)計(jì)框圖

2.2.設(shè)計(jì)思路簡述

主要的設(shè)計(jì)思路就是用74LS160十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生S0、S1、S2、S3四種交通燈狀態(tài)，其中S0代表狀態(tài)A街道綠燈，B街道紅燈持續(xù)10秒，S1代表狀態(tài)A街道黃燈，B街道紅燈持續(xù)3秒，S2代表狀態(tài)A街道紅燈，B街道綠燈持續(xù)10秒，S3代表狀態(tài)A街道紅燈，B街道黃燈持續(xù)3秒。然后再通過門電路構(gòu)成的組合邏輯電路將這四個(gè)狀態(tài)送給交通信號燈進(jìn)行顯示。

而74LS160的四個(gè)狀態(tài)則是由計(jì)數(shù)器來完成，計(jì)數(shù)器是由多功能計(jì)數(shù)器555產(chǎn)生的1Hz脈沖驅(qū)動(dòng)，多個(gè)模塊連接在一起，就構(gòu)成了設(shè)計(jì)要求的交通燈控制器。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1.多諧振蕩電路

多諧振蕩電路選用的是由555定時(shí)器構(gòu)成的1Hz正弦波，555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時(shí)被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面，簡單方便又實(shí)用。

下面為555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩電路相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。

充電時(shí)間

放電時(shí)間

矩形波的振蕩周期

因此改變、和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。對于矩形波，除了用幅度，周期來衡量外，還有一個(gè)參數(shù)：占空比q，q=（脈寬）/（周期T），指輸出一個(gè)周期內(nèi)高電平所占的時(shí)間。圖（C）所示電路輸出矩形波的占空比。

本電路根據(jù)計(jì)算采用的仿真元件為一個(gè)555定時(shí)器、兩個(gè)47K

電阻、0.01uF的濾波電容、10nF的電容，產(chǎn)生頻率為1Hz的秒脈沖，驅(qū)動(dòng)后面的計(jì)數(shù)器工作。

圖3-1 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩電路

圖3-2 555定時(shí)器仿真產(chǎn)生1Hz波形

3.2.計(jì)數(shù)電路

交通的計(jì)數(shù)模塊選用的是74LS191同步十六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，由他計(jì)數(shù)并產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)化信號。

設(shè)計(jì)思路：由于我設(shè)計(jì)的電路是從0計(jì)數(shù)到13，所以選擇191相對于190來說就十分方便，只需要一片就可以了，而且它自身還可以預(yù)置數(shù)，是本次實(shí)驗(yàn)的不二之選。74LS191從0開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)至10的時(shí)候，交通燈控制器由S0（A街道綠燈，B街道紅燈持續(xù)10秒）跳至下一狀態(tài)S1(A街道黃燈，B街道紅燈持續(xù)3秒)，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到十三的時(shí)候，交通燈控制器跳至狀態(tài)S2（A街道紅燈，B街道綠燈持續(xù)10秒），與此同時(shí)將74LS191計(jì)數(shù)器通過置數(shù)端置入0，當(dāng)再次計(jì)數(shù)至10的時(shí)候，計(jì)數(shù)器再次發(fā)出轉(zhuǎn)化信號，交通燈控制器轉(zhuǎn)化為狀態(tài)S3（A街道紅燈，B街道黃燈持續(xù)3秒），當(dāng)計(jì)數(shù)到13的時(shí)候，又回到了S0狀態(tài)，依次循環(huán)。

如下圖為同步十六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS191的功能表：

表3-1 74LS191功能表

CLK	S’	LD’	U’/D	工作狀態(tài)
×	1	1	×	保持
×	×	0	×	預(yù)置數(shù)
↑	0	1	0	加法計(jì)數(shù)
↑	0	1	1	減法計(jì)數(shù)

圖3-3 74LS191計(jì)數(shù)器電路圖

圖3-4 74LS191控制輸出門電路

由上面的電路圖可以很清晰地看到電路的工作原理，由于191計(jì)數(shù)器最主要的功能是發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)化信號，所以這些狀態(tài)就可以由門電路來完成，當(dāng)191計(jì)數(shù)至（1010）2的時(shí)候，輸出為1，驅(qū)動(dòng)下一級電路進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為S1，當(dāng)計(jì)數(shù)至（1011）2的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)下一級電路進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)化為S2，同時(shí)將此時(shí)的輸出信號取反接到191芯片的LD’端，計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)為0，以此類推，不斷地進(jìn)行循環(huán)，就能驅(qū)動(dòng)下一級電路一直在S0—S4—S0之間反復(fù)的循環(huán)，即可實(shí)現(xiàn)我所需要的功能。

3.3.信號燈控制電路

信號燈控制電路是本設(shè)計(jì)的核心部分，由他來控制交通燈的顯示狀態(tài)。

由設(shè)計(jì)項(xiàng)目我們可以知道交通燈總共有四個(gè)狀態(tài)，所以我們只需要將這四個(gè)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，那么就可以在此基礎(chǔ)上不斷地循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)我們的需要。S0、S1、S2、S3四種交通燈狀態(tài)，其中S0代表狀態(tài)A街道綠燈，B街道紅燈持續(xù)10秒，S1代表狀態(tài)A街道黃燈，B街道紅燈持續(xù)3秒，S2代表狀態(tài)A街道紅燈，B街道綠燈持續(xù)10秒，S3代表狀態(tài)A街道紅燈，B街道黃燈持續(xù)3秒。如下表所示：

表3-2 交通燈狀態(tài)轉(zhuǎn)化表

S	QB	QA	交通燈狀態(tài)
S0	0	0	A街道綠燈，B街道紅燈持續(xù)10秒
S1	0	1	A街道黃燈，B街道紅燈持續(xù)3秒
S2	1	0	A街道紅燈，B街道綠燈持續(xù)10秒
S3	1	1	A街道紅燈，B街道黃燈持續(xù)3秒

圖3-5 狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖

通過上表將交通燈劃分為四個(gè)狀態(tài) ，由于只有四個(gè)狀態(tài)，所以控制器我選擇的是同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它可以很容易的完成這四個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)化，而且還有置數(shù)置零端，即從0計(jì)數(shù)到4，實(shí)現(xiàn)四個(gè)狀態(tài)的循環(huán)，非常適合本次設(shè)計(jì)的需求。下表是同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS160的功能表：

表3-3 74LS160功能表

RD’	LD’	EP	ET	CP	功能
0	×	×	×	×	復(fù)位
1	0	×	×	↑	預(yù)置
1	1	0	0	↑	保持
1	1	0	1	↑	保持
1	1	1	0	↑	保持
1	1	1	1	↑	計(jì)數(shù)

如下圖為74160作為控制器的控制電路：

圖3-6 74LS160芯片控制電路

通過了解74160的功能后，我們可以通過它輸出四種不同的交通燈狀態(tài)如下：

表3-4 交通燈顯示邏輯表

S	QB	QA	RA	YA	GA	RB	YB	GB
S0	0	0	0	0	1	1	0	0
S1	0	1	0	1	0	1	0	0
S2	1	0	1	0	0	0	0	1
S3	1	1	1	0	0	0	1	0

為了能夠得出輸出四種狀態(tài)的邏輯式，我列出了上述真值表。其中QA和QB分別代表74160的最低位和次低位，RA、YA、GA分別代表A街道紅燈、黃燈、綠燈，RB、YB、GB分別代表B街道的紅燈、黃燈、綠燈，用邏輯量‘1’和‘0’分別代表交通燈的亮、滅。由項(xiàng)目即可列出真值表，再根據(jù)真值表寫出邏輯式如下：

RA = QB

YA = QB’QA

GA = QB’QA’

RB = QB’

YB = QB QA

GB = QB QA’

主控電路屬于時(shí)序邏輯電路，狀態(tài)控制器是系統(tǒng)的核心部分，由它決定交通燈處于哪一個(gè)運(yùn)行狀態(tài)。從而使相應(yīng)的交通燈點(diǎn)亮，并決定下一個(gè)狀態(tài)的預(yù)置電路該預(yù)置的信號燈的預(yù)置值。根據(jù)上面的邏輯式就可以通過門電路畫出交通燈的輸出電路了，我才用的是與門74LS08芯片和非門74LS04芯片,將狀態(tài)轉(zhuǎn)化控制器74160輸出的信號處理后交由交通燈顯示，電路如下圖：

圖3-7 輸出門電路圖

3.4.交通燈顯示

本設(shè)計(jì)的最后一部分就是交通燈顯示模塊，分為南北B街和東西A街，時(shí)間由數(shù)碼管顯示，如下圖：

圖3-8 交通燈顯示模塊電路圖

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交通燈控制器設(shè)計(jì)（Multisim仿真電路圖）

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