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2020-5-8 16:49 上傳
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1 前言
1.1 設計背景
1.2 設計目標
1.3 實施計劃
2 總體方案設計
2.1 方案比較
2.2 方案論證
2.3 方案選擇
3 單元模塊設計
3.1 各單元模塊功能介紹及電路設計
3.1.1 主控電路模塊設計
3.1.2 倒計時控制電路模塊設計
3.1.3 置數存儲電路模塊設計
3.1.4 控制置數電路和邏輯表達式電路模塊設計
3.1.5 555定時器電路模塊設計
3.2 主要器件的介紹
3.2.1 74LS192器件介紹
3.2.2 74LS161器件介紹
3.2.3 555定時器介紹
3.2.4 74LS245器件介紹
4 系統調試
4.1 調試環境
5 結論
6 總結與體會
7 謝辭
8 參考文獻
附錄
1 前言隨著現代化科學技術和社會經濟的快速發展，城市車輛的數目大幅度增加，隨之而來的交通堵塞等問題也被受人們的關注。本文設計的目的是要設計一種能夠更好的使用于現實交通情況的交通信號燈控制系統。 1.1 設計背景由一條主干道和一條支干道的匯合點形成十字交叉路口,為確保車輛安全、迅速地通行,在交叉路口的每個入口處設置了紅、綠、黃三色信號燈。紅燈亮禁止通行;綠燈亮允許通行;黃燈亮則給行駛中的車輛有時間停靠在禁行線內。實現紅、綠燈的自動指揮對城市交通管理現代化有著重要的意義。 1.2 設計目標設計一個交通燈能實現以下功能： (1)當主干道允許通行亮綠燈時,支干道亮紅燈,而支干道允許亮綠燈時,主干道亮紅燈。
(2)主支干道交替允許通行,主干道每次放行30s、支干道20s。設計30s和20s計時顯示電路。
(3)在過程中間,要亮5s的黃燈作為過渡,設置5s計時顯示電路。 1.3 實施計劃(1)設計一個十字路口的交通燈控制電路，十字路口分為主干道、次干道，兩干道交替運行，紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行。主干道放行時間為30秒，次干道為20秒。 (2)主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30s，支干道每次放行20s (3)每次綠燈變紅燈時，黃燈先亮5s，此時紅燈不變 (4)用十進制數字顯示放行及等待時間 (5)用74LS163,74LS192,74LS245,邏輯符號，顯示譯碼器等器件組成交通信號燈電路并在protues軟件上進行仿真與調試。 (6)畫出各單元電路圖、整個系統邏輯框圖和邏輯電路圖，寫出設計、實驗總結報告。 2 總體方案設計2.1 方案比較方案一原理框圖如圖2-1所示： 
圖2-1 方案一的原理框圖 設主干道方向紅綠黃燈分別為R,G,Y,次道路方向紅綠黃燈分別為RR,GG,YY。用十進制減數計數器控制三種狀態的保持和切換，主干道和次干道共用同步的脈沖信號，主干道方向先由30s減數到0s的時候切換為黃燈并開始5s倒計時，到第二次減數到0s時切換為綠燈并開始20s倒計時，待減數到0s時在切換為綠燈，為一個循環（周期為55s）。同理，次干道方向紅黃綠三燈保持亮的時間分別為30s、5s、20s，一個循環也是55s，可實現紅黃綠的切換。 方案二原理框圖如圖1-2所示。 
圖2-2 方案二的原理框圖主干道方向紅綠黃燈分別為R0,G0,Y0,次道路方向紅綠黃燈分別為R1,G1,Y1。用同步十進制可逆計數器控制三種狀態的保持和切換，主干道和次干道共用同步的脈沖信號，主干道通行，支干道不通行，此時主綠燈和支紅燈亮，持續時間為30s。30秒后，主干道停車，支干道任不通行，此時主黃燈和支紅燈亮，持續時間為5s。5s后，主干道不通行，支干道通行，此時主紅燈和黃燈亮，持續時間為20s。20s后，主干道仍不通行，支干道停車，此時主紅燈和支黃燈亮，持續時間5s,可實現紅黃綠的切換。 2.2 方案論證方案一：由方案一的原理描述可得，方案一采用的是基本數字電路，原理比較簡單。而其中采用的器件例如74LS163,74LS192等器件都是數字電路基礎中所學過的，對其原理的掌握更透徹，更容易實現本次交通燈信號控制器的設計。但是此方案也有一個大的缺陷：它對兩路時間對稱的系統容易實現，但對設計要求的兩路時間不對稱的系統較難實現，如果要實現兩路時間不對稱的控制就要多加控制信號，這樣實現就很麻煩，且條理不清晰。 方案二：由方案二的原理描述可得， 方案二用的也是數字電子基礎中所學的基本原理與芯片，具有和方案一的全部優點，并且設計的思路清晰。每一個部分都可以劃分為一個模塊，可以便于前期連接時檢查錯誤和后期的測試。在設計時可以先將每個模塊分別連接完成后再將其連接為一個整體。更加有利于本次交通信號控制系統的設計的實現。 2.3 方案選擇綜上分析，此設計方案選擇方案二，其原理簡單，便于連線，便于調試，且容易實現與燈控制信號同步的倒計時功能。 3 單元模塊設計本節主要介紹系統各單元模塊的具體功能、電路結構、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯接關系；同時本節也會對相關電路中的參數計算、元器件選擇、以及核心器件進行必要說明。 3.1 各單元模塊功能介紹及電路設計本系統主要分為7個單元模塊，它們分別是：主控電路模塊、倒計時控制電路模塊、置數存儲電路模塊、控制置數電路模塊、555定時器電路模塊、控制黃燈閃爍電路模塊和邏輯電路表達式電路模塊。各單元模塊功能及相關電路的具體說明如下。 3.1.1 主控電路模塊設計該模塊可以控制交通燈信號系統的四種狀態，選擇四位二進制同步加法計數器74LS161和反相器74LS04組成該模塊，電路共有4種狀態，這四個狀態可以用二進制編碼表示，S0用00表示，S1用01表示，S2用10表示，S3用11表示： S0狀態：表示主路綠燈亮，支路紅燈亮，30s計時器開始計時，且通車時間為已經到30秒。 S1狀態：表示主路通車時間已經到30秒，此時，主路黃燈亮，支路紅燈亮，5s計時器開始計時。 S2狀態：表示主干道黃燈時間已經到5s，此時，主路紅燈亮，支路綠燈亮，20s計時器開始計時。 S3狀態：表示支路通車時間已經到20秒，此時，主路紅燈亮，支路黃燈亮，5s計時器開始計時。 
圖3-1 
圖3-2
將74LS161的CP輸入端連接在倒計時十位的輸出端，由74LS161的芯片功能可知，當第一個CP上升沿信號到來時，芯片通過同步并行置數功能開始計數隨后保持狀態，直到下一個CP上升沿信號到來的時候，就實現“置零”的功能，從而實現S0,S1,S2,S3之間的狀態轉換。 3.1.2 倒計時控制電路模塊設計該電路主要是由2片十進制計數器74LS192芯片組成，實現30秒倒計時，20秒倒計時，5秒倒計時計時功能，然后通過主控制電路實現轉換，最終各個方向的倒計時公用一套譯碼顯示數碼管顯示出來。交通燈的減計數分主干道和支干道兩部分，由于兩部分的計數時間不同因而要分別采用兩個計數器對其進行計數，計數采用倒計時的方式，因而需要采用帶減計數功能的計數芯片。  圖3-3 4、模塊的具體電路  圖3-4 該電路模塊選擇利用雙時鐘控制的可逆計數器74LS192兩片級聯，并且利用十位 在0之后的“9”態進行異步置數。74LS192的個位用555振蕩電路提供的秒脈沖，實現0-9遞減，當個位遞減到零時，TCD會在后半個CP中有一個下降沿和一個上升沿，為十位提供減計數器秒脈沖，而當十位也遞減到0時，TCD的后半個CP也會產生一個下降沿和一個上升沿。這個CP用來控制主控電路切換狀態的脈沖。在主控電路的作用下，從而實現S0,S1,S2,S3之間的狀態轉換。D0-D7用于狀態切換后的置數輸入。當十位減到0時，TCD將會產生錯位脈沖，待主控電路切換狀態后，置數存儲電路已經切換到所需要置數的電路，當十位減法計時器從0借位后即將切換到9的瞬間，用與非門74lLS00將十位的Q0和Q3與非，此時置數，即完成了一次完整的狀態切換。同理，每個狀態的切換原理相同。 3.1.3 置數存儲電路模塊設計置數存儲模塊需要預置，所以通過3片74LS245來預置30秒，20秒，5秒到減計數器,3片74LS245的輸入數據分別接入30、20、5這3個不同的數字,74LS245的輸出數據和減法計數器相連,實現設計要求的計時時間。當 接低電平時數據由B傳到A，當 接高電平時數據由A傳到B。 
圖3-5 
圖3-6 將DIR端接入1，實現 端輸入 端輸出功能，將三塊74LS245A端分別接入“00110000”即30，“0010000”即20，“00000101”即5。通過或門將Q1,Q2接入置數為30的74LS245的 端，當輸入為0時，將在顯示屏上顯示30。同理可得20和5。 3.1.4 控制置數電路和邏輯表達式電路模塊設計1、模塊的具體功能和原理 該模塊由74LS32、74LS00、74LS04、74LS08組成，G控制預置為30的始能端，R控制預置為20的始能端，Y控制預置為5的始能端。 2、模塊的結構框圖 
圖3-7 3、模塊的具體電路 
圖3-8  = , , , = , = , = 根據邏輯表達式選擇合適的器件組成邏輯電路。
表3-1 主控制器四種狀態真值表
3.1.5 555定時器電路模塊設計1、模塊的具體功能 振蕩電路輸出頻率為1Hz、幅度為5V的時鐘脈沖，為提高精度，本設計系統利用555定時器設計一個輸出頻率為1Hz的脈沖信號。 該模塊由555定時器和電阻、電容組成。555定時器是一種多用途的模擬、數字混合集成電路，在波形的產生與變換，控制與檢測、家用電器以及電子玩具等許多領域中得到了應用。555定時器功能多樣，應用廣泛，只要外部配上幾個阻容元器件即可構成單穩態觸發器、施密特觸發器、多諧振蕩器等電路。電路路由一個555芯片、兩個電阻和兩個電容組成，通過電阻給電容充電、放電的過程來產生振蕩，從而輸出矩形脈沖。振蕩電路輸出頻率為1Hz、幅度為5V的時鐘脈沖，為提高精度，利用555定時器設計一個輸出頻率為1Hz的脈沖信號。 
圖3-12 若T=1s,令C=10μF，R1=15K，R2=68K，經過計算的T=1s，則f =1Hz。從而使傳輸脈沖周期為1s。 4、模塊中相關參數的計算 暫穩態Ⅰ的維持時間,即輸出 的正向脈沖寬度  （公式3-3）
暫穩態Ⅱ的維持時間,即輸出 的負向脈沖寬度  （公式3-4）
3.2 主要器件的介紹3.2.1 74LS192器件介紹功能：74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數器。(BCD,二進制)。CPU為加計數時鐘輸入端，CPD為減計數時鐘輸入端。LD為預置輸入控制端，異步預置。 CR為復位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進位輸出：1001狀態后負脈沖輸出，BO為借位輸出：0000狀態后負脈沖輸出。 引腳圖如下： 圖3-13 圖中:  為加計數時鐘輸入端， 為減計數時鐘輸入端； 為預置輸入控制端，異步預置； 為復位輸入端，高電平有效，異步清除； 為進位輸出：1001狀態后負脈沖輸出； 為借位輸出：0000狀態后負脈沖輸出。 功能表如下： 表3-2 74LS192功能表
3.2.2 74LS161器件介紹功能：從74LS161功能表功能表中可以知道，當清零端CR=“0”，計數器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態分別與并行數據輸入端D3，D2，D1，D0的狀態一樣，為同步置數功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CTT。合理應用計數器的清零功能和置數功能，一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器。引腳圖如下： 圖3-14 引腳圖介紹：時鐘信號 ；四個數據輸入端 、 、 、 ；清零 ；始能端 ， ；數據輸出端 、 、 、 。 表3-3 74LS161功能表
3.2.3 555定時器介紹555定時器是一種中規模集成電路，只要在外部配上適當阻容元件，就可以方便地構成脈沖產生和整形電路，在工業控制，定時，仿聲，電子樂器及防盜報警等方面運用很廣。電路結構和芯片圖形如下所示： 
圖3-15 555集成定時器的電路結構和芯片圖形 表3-4 555定時器功能表 | | | |  的狀態
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發器和放電管的狀態。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的反相輸入端的電壓為  ，C2 的同相輸入端的電壓為 。若觸發輸入端 TR 的電壓小于，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 ，同時 TR 端的電壓大于，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發器置 0，使輸出為 0 電平。 3.2.4 74LS245器件介紹總線驅動器74LS244和74LS245經常用作三態數據緩沖器,74LS244為單向三態數據緩沖器,而74LS245為雙向三態數據緩沖器。單向的內部有8個三態驅動器,分成兩組,分別由控制端 1G和2G控制; 雙向的有16個三態驅動器,每個方向8個。在控制端G有效時（G為低電平），由DIR端控制驅動方向：DIR為“1”時方向從左到右(輸出允許),DIR為“0”時方向從右到左(輸入允許)。引腳圖如下： 
圖3-16 圖中DIR，為輸入輸出端口轉換用，DIR=1高電平時信號由A端輸入B端輸出，DIR=0低電平時信號由B端輸入A端輸出。第2-9腳是A信號輸入輸出端，A1=B1,A8=B8，A1與B1是一組，如果DIR=1,OE=0則A2輸入B2輸出，其它類同。如果DIR=0,OE=0則B2輸入A2輸出，其它類同。第11-18腳B信號輸入輸出端，功能與A端一樣，不再描述。第19腳OE，使能端，若該腳為1, B端或者A端的信號將不導通，只有為0時B端或者A端的信號才被啟用，該腳也就是起到開關的作用。第10腳GND，電源地。第20腳VCC，電源正極。由于本設計需要順序輸出30s，20s，5s的時間所以選擇了74LS245芯片，因其有控制使能端且好理解。 5 結論該設計主要分為7個單元模塊，它們分別是：由74LS161和74LS04組成的主控電路模塊、兩片74LS192組成的倒計時控制電路模塊、三片74LS245組成的置數存儲電路模塊、74LS32、74LS04和74LS00組成的控制置數電路模塊、555定時器電路模塊、TRIIBUFFER控制黃燈閃爍電路模塊和74LS08、74LS04組成的邏輯電路表達式電路模塊。 該設計使用proteus仿真軟件中的traffic代替實際生活中信號燈，當主干道允許通行亮綠燈時,支干道亮紅燈,而支干道允許亮綠燈時,主干道亮紅燈，主支干道交替允許通行,主干道每次放行30s、支干道20s。該實驗設計了30s和20s計時顯示電路，在過程中間,要亮5s的黃燈作為過渡,設置5s計時顯示電路。但是在設計過程中由于緊急紅燈的設計需要四個同時閉合的開關稍顯麻煩，還有手動清零的設置，由于我想將緊急紅燈與手動清零放在一起做，所以我因為時間關系并未想到更好的關于緊急紅燈的改進方法，所以暫時放棄該想法。結合實際生活我想設置夜間黃燈閃爍，但是需要設計24的計數器，由于時間匆忙，所以該想法并未實現。希望在之后的空余時間里能想到更好的解決辦法。
附錄1 系統的原理電路圖 
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有錯誤的仿真工程：
交通燈實驗有51hei有仿真.7z
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