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纯数字电路组成的交通灯Proteus仿真电路 带拓展

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井蛙不可言海 发表于 2019-6-14 16:32 | 显示全部楼层 |阅读模式

由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口,为确保车辆安全、迅速地通行,在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行;绿灯亮允许通行;黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠在禁行线内。实现红、绿灯的自动指挥对城市交通管理现代化有着重要的意义。

1.1 设计目标

设计一个交通灯能实现以下功能:

(1)当主干道允许通行亮绿灯时,支干道亮红灯,而支干道允许亮绿灯时,主干道亮红灯。
    (2)主支干道交替允许通行,主干道每次放行30s、支干道20s。设计30s和20s计时显示电路。
    (3)在过程中间,要亮5s的黄灯作为过渡,设置5s计时显示电路。

1.2 实施计划

(1)设计一个十字路口的交通灯控制电路,十字路口分为主干道、次干道,两干道交替运行,红灯亮表示禁止通行,绿灯亮表示可以通行。主干道放行时间为30秒,次干道为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)每次绿灯变红灯时,黄灯先亮5s,此时红灯不变

(4)用十进制数字显示放行及等待时间

(5)用74LS163,74LS192,74LS245,逻辑符号,显示译码器等器件组成交通信号灯电路并在protues软件上进行仿真与调试。

(6)画出各单元电路图、整个系统逻辑框图和逻辑电路图,写出设计、实验总结报告。

2         总体方案设计2.1 方案比较

方案一原理框图如图2-1所示:

图2-1  方案一的原理框图

设主干道方向红绿黄灯分别为R,G,Y,次道路方向红绿黄灯分别为RR,GG,YY。用十进制减数计数器控制三种状态的保持和切换,主干道和次干道共用同步的脉冲信号,主干道方向先由30s减数到0s的时候切换为黄灯并开始5s倒计时,到第二次减数到0s时切换为绿灯并开始20s倒计时,待减数到0s时在切换为绿灯,为一个循环(周期为55s)。同理,次干道方向红黄绿三灯保持亮的时间分别为30s、5s、20s,一个循环也是55s,可实现红黄绿的切换。

方案二原理框图如图1-2所示。

2-2  方案的原理框图

主干道方向红绿黄灯分别为R0,G0,Y0,次道路方向红绿黄灯分别为R1,G1,Y1。用同步十进制可逆计数器控制三种状态的保持和切换,主干道和次干道共用同步的脉冲信号,主干道通行,支干道不通行,此时主绿灯和支红灯亮,持续时间为30s。30秒后,主干道停车,支干道任不通行,此时主黄灯和支红灯亮,持续时间为5s。5s后,主干道不通行,支干道通行,此时主红灯和黄灯亮,持续时间为20s。20s后,主干道仍不通行,支干道停车,此时主红灯和支黄灯亮,持续时间5s,可实现红黄绿的切换。

2.2 方案论证

方案一:由方案一的原理描述可得,方案一采用的是基本数字电路,原理比较简单。而其中采用的器件例如74LS163,74LS192等器件都是数字电路基础课程中所学过的,对其原理的掌握更透彻,更容易实现本次交通灯信号控制器的课程设计。但是此方案也有一个大的缺陷:它对两路时间对称的系统容易实现,但对设计要求的两路时间不对称的系统较难实现,如果要实现两路时间不对称的控制就要多加控制信号,这样实现就很麻烦,且条理不清晰。

方案二:由方案二的原理描述可得, 方案二用的也是数字电子基础课程中所学的基本原理与芯片,具有和方案一的全部优点,并且设计的思路清晰。每一个部分都可以划分为一个模块,可以便于前期连接时检查错误和后期的测试。在设计时可以先将每个模块分别连接完成后再将其连接为一个整体。更加有利于本次交通信号控制系统的课程设计的实现。

2.3 方案选择

综上分析,此设计方案选择方案二,其原理简单,便于连线,便于调试,且容易实现与灯控制信号同步的倒计时功能。

3         单元模块设计

本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系;同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。

3.1 各单元模块功能介绍及电路设计

本系统主要分为7个单元模块,它们分别是:主控电路模块、倒计时控制电路模块、置数存储电路模块、控制置数电路模块、555定时器电路模块、控制黄灯闪烁电路模块和逻辑电路表达式电路模块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。

3.1.1     主控电路模块设计
  • 模块的具体功能和原理

该模块可以控制交通灯信号系统的四种状态,选择四位二进制同步加法计数器74LS161和反相器74LS04组成该模块,电路共有4种状态,这四个状态可以用二进制编码表示,S0用00表示,S1用01表示,S2用10表示,S3用11表示:

S0状态:表示主路绿灯亮,支路红灯亮,30s计时器开始计时,且通车时间为已经到30秒。

S1状态:表示主路通车时间已经到30秒,此时,主路黄灯亮,支路红灯亮,5s计时器开始计时。

S2状态:表示主干道黄灯时间已经到5s,此时,主路红灯亮,支路绿灯亮,20s计时器开始计时。

S3状态:表示支路通车时间已经到20秒,此时,主路红灯亮,支路黄灯亮,5s计时器开始计时。

  • 模块的结构框图

图3-1

  • 模块的具体电路

图3-2


将74LS161的CP输入端连接在倒计时十位的输出端,由74LS161的芯片功能可知,当第一个CP上升沿信号到来时,芯片通过同步并行置数功能开始计数随后保持状态,直到下一个CP上升沿信号到来的时候,就实现“置零”的功能,从而实现S0,S1,S2,S3之间的状态转换。

3.1.2     倒计时控制电路模块设计
  • 模块的具体功能和原理

该电路主要是由2片十进制计数器74LS192芯片组成,实现30秒倒计时,20秒倒计时,5秒倒计时计时功能,然后通过主控制电路实现转换,最终各个方向的倒计时公用一套译码显示数码管显示出来。交通灯的减计数分主干道和支干道两部分,由于两部分的计数时间不同因而要分别采用两个计数器对其进行计数,计数采用倒计时的方式,因而需要采用带减计数功能的计数芯片。

  • 模块的结构框图

                           

图3-3

4、模块的具体电路

              

                                     图3-4

该电路模块选择利用双时钟控制的可逆计数器74LS192两片级联,并且利用十位

在0之后的“9”态进行异步置数。74LS192的个位用555振荡电路提供的秒脉冲,实现0-9递减,当个位递减到零时,TCD会在后半个CP中有一个下降沿和一个上升沿,为十位提供减计数器秒脉冲,而当十位也递减到0时,TCD的后半个CP也会产生一个下降沿和一个上升沿。这个CP用来控制主控电路切换状态的脉冲。在主控电路的作用下,从而实现S0,S1,S2,S3之间的状态转换。D0-D7用于状态切换后的置数输入。当十位减到0时,TCD将会产生错位脉冲,待主控电路切换状态后,置数存储电路已经切换到所需要置数的电路,当十位减法计时器从0借位后即将切换到9的瞬间,用与非门74lLS00将十位的Q0和Q3与非,此时置数,即完成了一次完整的状态切换。同理,每个状态的切换原理相同。

3.1.3     置数存储电路模块设计
  • 模块的具体功能和原理

置数存储模块需要预置,所以通过3片74LS245来预置30秒,20秒,5秒到减计数器,3片74LS245的输入数据分别接入30、20、5这3个不同的数字,74LS245的输出数据和减法计数器相连,实现设计要求的计时时间。当接低电平时数据由B传到A,当接高电平时数据由A传到B。

  • 模块的结构框图

图3-5

  • 模块的具体电路

图3-6

将DIR端接入1,实现端输入端输出功能,将三块74LS245A端分别接入“00110000”即30,“0010000”即20,“00000101”即5。通过或门将Q1,Q2接入置数为30的74LS245的端,当输入为0时,将在显示屏上显示30。同理可得20和5。

3.1.4     控制置数电路和逻辑表达式电路模块设计

1、模块的具体功能和原理

该模块由74LS32、74LS00、74LS04、74LS08组成,G控制预置为30的始能端,R控制预置为20的始能端,Y控制预置为5的始能端。

2、模块的结构框图

图3-7

3、模块的具体电路

图3-8

=,,,=,=,=根据逻辑表达式选择合适的器件组成逻辑电路。

表3-1 主控制器四种状态真值表

主控制器

主干道

支干道

Q0

Q1

R0

Y0

G0

R1

Y1

G1

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


3.1.5     555定时器电路模块设计

1、模块的具体功能

振荡电路输出频率为1Hz、幅度为5V的时钟脉冲,为提高精度,本设计系统利用555定时器设计一个输出频率为1Hz的脉冲信号。

  • 模块的组成和工作原理

该模块由555定时器和电阻、电容组成。555定时器是一种多用途的模拟、数字混合集成电路,在波形的产生与变换,控制与检测、家用电器以及电子玩具等许多领域中得到了应用。555定时器功能多样,应用广泛,只要外部配上几个阻容元器件即可构成单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器等电路。电路路由一个555芯片、两个电阻和两个电容组成,通过电阻给电容充电、放电的过程来产生振荡,从而输出矩形脉冲。振荡电路输出频率为1Hz、幅度为5V的时钟脉冲,为提高精度,利用555定时器设计一个输出频率为1Hz的脉冲信号。

  • 模块的具体电路

图3-12

若T=1s,令C=10μF,R1=15K,R2=68K,经过计算的T=1s,则f =1Hz。从而使传输脉冲周期为1s。

4、模块中相关参数的计算

暂稳态Ⅰ的维持时间,即输出的正向脉冲宽度

                      (公式3-3)

暂稳态Ⅱ的维持时间,即输出的负向脉冲宽度

                         (公式3-4)

4         结论

该设计主要分为7个单元模块,它们分别是:由74LS161和74LS04组成的主控电路模块、两片74LS192组成的倒计时控制电路模块、三片74LS245组成的置数存储电路模块、74LS32、74LS04和74LS00组成的控制置数电路模块、555定时器电路模块、TRIIBUFFER控制黄灯闪烁电路模块和74LS08、74LS04组成的逻辑电路表达式电路模块。

该设计使用proteus仿真软件中的traffic代替实际生活中信号灯,当主干道允许通行亮绿灯时,支干道亮红灯,而支干道允许亮绿灯时,主干道亮红灯,主支干道交替允许通行,主干道每次放行30s、支干道20s。该实验设计了30s和20s计时显示电路,在过程中间,要亮5s的黄灯作为过渡,设置5s计时显示电路。但是在设计过程中由于紧急红灯的设计需要四个同时闭合的开关稍显麻烦,还有手动清零的设置,由于我想将紧急红灯与手动清零放在一起做,所以我因为时间关系并未想到更好的关于紧急红灯的改进方法,所以暂时放弃该想法。结合实际生活我想设置夜间黄灯闪烁,但是需要设计24的计数器,由于时间匆忙,所以该想法并未实现。希望在之后的空余时间里能想到更好的解决办法。

5         总结与体会

课程设计的这一周,好想回到了高中时期,熬夜做仿真,写报告,但是在设计过程我收获了很多,不仅很好的复习了一下数电所学的内容,而且提高了自己的动手能力。第一天听了老师的讲解,我了解了交通灯所要完成的各项要求和所需的各种器件。开始设计电路,一部分并不难,但要把每一部分连在一起,最终实现要求就挺难的。设计好电路后,我进行了仿真。

本次的课程设计是大二第一学期第一次完整的从仿真到以毕业论文为格式的实验报告。由于之前并没有接触过用论文的格式写报告,所以在写设计报告上花费了不少时间。  完成仿真设计后边开始着手写实验报告,这次的实验报告真的把我给难住了,因为之前从没有用论文的格式写过。于是开始上网四处查找论文类型的资料,对别人写论文的大概模式进行总结。并且本次写报告的过程中新接触了一个office的软件叫visio,虽然从来没有接触过这类软件,但是因为软件使用十分简单所以在网上看了看使用教程也就能使用了。除此之外在需要表达的地方,虽然自己心里明白,但是总是不能清除的表达出来,这也是需要改进的地方。

这次课程设计不仅仅是一次动手能力的实践,也是锻炼我们思维能力和意志力的实践,我们从书上学到的是死知识,但电路是不允许出现一点错误的,一个引脚连接出现问题,都可能导致整个电路的功能不能实现。因此我们要有认真严谨的科学态度和足够的耐心,通过课程设计,活跃了我们的思维,也给了我们一个发挥自己创新能力的机会。

6         谢辞

刚开始拿到项目时,真的是无从下手,因为自己对这门课不是那么的熟悉,学的也
不是很好,做课程设计时,只能不断的翻书或查资料。这次设计,加强了我动手、思考和解决问题的能力,由于时间比较紧,所以控制器控制信号灯不是很好,但也学到了很多东西,增强了自己对知识的理解和巩固,很多以前不是很懂的东西现在也都一一解决了。



附录

附录1 系统的原理电路图

总.PNG


0.png


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交通灯实验有报告有仿真.rar (691.39 KB, 下载次数: 20)

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