交通灯设计及仿真.docx
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交通灯设计及仿真
正文
1选题背景
随着经济的突飞猛进和人们生活水平的提高,现如今几乎家家户户都有了自己的小汽车。
如何保证交通安全这一问题也变的尤其的突出,传统的人力指挥已经满足不了当今的现状。
电子交通控制灯可以适应各种不同的要求,同时也节约大量的人力物力,使交通指挥有效而简便。
1.1指导思想
交通灯控制显示电路主要可分成时序电路,计时电路,控制电路,显示电路四部分。
时序电路产生秒脉冲,用555定时器来实现。
计时电路分别给出45秒,5秒,25秒,5秒的信号,用74LS160实现计时功能。
控制电路控制计时电路的四种不同情况。
显示电路通过二极管显示灯显示主、支干道的情况。
1.2方案论证
方案一:
利用555产生秒脉冲。
由设计要求可知,计时电路需产生45s,5s,25s,5s四种不同的计数方式,共80s。
用一片74LS161产生5进制数,使第二片74LS161分成16个状态,每个状态5s。
利用门电路将16个状态分成四种情况:
a)第1至第9个状态共45s
b)第10个状态5s
c)第11至第15个状态共25s
d)第16个状态5s
把上述四种情况分别送给JK触发器,使其产生00,01,10,11四个状态,将四个状态送74LS138译码后经显示电路显示。
a)主干道:
绿灯(a)、黄灯(b)、红灯(c与d)
b)支干道:
绿灯(c)、黄灯(d)、红灯(a与b)
特点:
设计巧妙利用了161的16个状态,使设计要求的四个状态合理分配。
方案二:
利用555作为秒脉冲,用两片74LS160做并联清零分别做成45s、5s、25s、5s四种不同的计数方式,且每次的清零信号同时给另一片74LS160作为脉冲信号让其计数,使其产生00,01,10,11四个状态,然后通过74LS138形成四种不同的情况,分别为Y0(45s)、Y1(5s)、Y2(25s)、Y3(5s),经显示电路显示。
a)主干道:
绿灯(Y0)、黄灯(Y1)、红灯(Y2与Y3)
b)支干道:
绿灯(Y2)、黄灯(Y3)、红灯(Y0与Y1)
特点:
思路明确简单易懂
综合对比方案一与方案二:
方案一相对元器件数目种类较少,焊接方便,但运行不稳定;方案二运行稳定且调试方便。
综合对比选择方案二作为设计方案。
1.3基本设计任务
设计一个交通信号灯控制器,由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口,在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯。
红灯亮禁止通行,绿灯亮允许通行,黄灯亮则停止行驶(给行驶中的车辆有时间停在禁行线以外)。
具体要求如下:
a)用红、绿、黄发光二极管作信号指示灯。
b)主支干道交替允许通行。
主干道每次放行45秒,支干道每次放行25秒。
c)在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中,要亮5秒钟的黄灯作为过渡。
1.4发挥设计任务
为了观察方便和精确计时,加一个数码显示电路,显示计数值。
1.5电路特点
利用555作为秒脉冲,两片74LS160做并联清零分别做成45s、5s、25s、5s四种不同的计数方式,且每次的清零信号同时给另一片74LS160作为脉冲信号让其计数,使其产生00,01,10,11四个状态,然后通过74LS138形成四种不同的情况,分别为Y0(45s)、Y1(5s)、Y2(25s)、Y3(5s),思路简单易懂,却运行稳定。
2电路设计
2.1总体方框图
图2总体方框图
2.2工作原理
a)时序电路:
由555定时器构成,提供秒脉冲信号。
b)计时电路:
由两片74LS160并联清零构成,依次从0计时到45,清零;从0计时到5,清零;从0计时到25,清零;从0计时到5,清零,循环进行。
c)控制电路:
利用74LS04、74LS10、74LS21、74LS20将每次的清零信号同时送给另一片74LS160作为脉冲信号让其计数,使其产生00,01,10,11四个状态。
d)显示电路:
利用74LS160产生00,01,10,11的四个状态,控制74LS138形成四种不同的情况,分别为Y0(45s)、Y1(5s)、Y2(25s)、Y3(5s),经二极管显。
e)主干道:
绿灯(Y0)、黄灯(Y1)、红灯(Y2与Y3);支干道:
绿灯(Y2)、黄灯(Y3)、红灯(Y0与Y1)
3各主要电路及部件工作原理
3.1555秒脉冲电路简要说明
3.1.1NE555内部结构
图3-1-1NE555内部结构
3.1.2NE555数据计算
设占空比q=2/3C=47μFC1=0.01μFT=1s,利用公式:
q=(R1+R2)/(R1+2R2)(3-1-2-1)
T=(R1+2R2)*C*ln2(3-1-2-2)
解得:
R1=R2=10K
图3-1-2-3555单稳态触发电路
说明:
该555秒脉冲电路产生占空比为66.7%的方波。
3.2控制电路简要说明
图3-2控制电路
说明:
控制电路通过74HC04、74HC20、74HC10、74HC21门电路控制计数电路的清零信号,当计数电路从0开始计数到45时,控制电路产生低电平的清零信号同时使计数电路清零。
然后当计数电路在从0计数到5时,控制电路产生低电平的清零信号同时使计数电路清零。
再当计数电路从0计数到25时,控制电路产生低电平的清零信号同时使计数电路清零……如此循环产生低电平的清零信号。
3.3计时电路简要说明
3.3.174LS160简要说明
图3-3-174LS160引脚图
3.3.2计时电路设计说明
图3-3-2计时电路
说明:
计时电路由两片74LS160并联清零构成,首先从0计数到45,然后清零在从0计数到5,再清零从0计数到25,清零……如此循环计数。
3.4显示电路简要说明
3.4.174LS138简要说明
3-4-1-174LS138引脚图
3-4-2-274LS138的功能表
3.4.2显示电路设计说明
说明:
显示电路通过74LS138、Y1、Y2、Y3的四个状态输出来控制主干道和支干道的六个二极管,主干道:
绿灯(Y0)、黄灯(Y1)、红灯(Y2与Y3);支干道:
绿灯(Y2)、黄灯(Y3)、红灯(Y0与Y1)。
由设计要求知:
a)当主干道为绿灯(计数电路从0计数到45,译码器的Y0有效)和黄灯(计数电路从0计数到5,译码器的Y1有效)时,支干道要求一直为红灯,此时通过74LS32来实现支干道在前50s时一直为红灯。
b)当支干道为绿灯(计数电路从0计数到25,译码器的Y2有效)和黄灯(计数电路从0计数到5,译码器的Y3有效)时,主干道要求一直为红灯,此时通过74LS32来实现主干道在后30s时一直为红灯。
图3-4-2显示电路
4原理总图
图4交通信号灯工作原理图
器件名称
数量
器件名称
数量
NE555
1
74LS20
1
74LS160
3
74LS32
1
74HC138
1
74LS21
1
74HC04
1
开关
1
74HC10
1
电阻(300Ω)
6
电解电容(47uF)
1
瓷片电容(0.01uF)
1
电阻(10kΩ)
2
电源(5V)
1
5元器件清单
表格5-1
6调试过程及测试数据
为使电路便于调试采用分块调试的方法。
6.1通电前检查
电路安装完毕后,经检查电路各部分接线正确,电源、元器件之间无短路,器件无接错现象。
6.2通电检查
6.2.1NE555单元电路的调试
断开其他单元,用示波器观察NE555电路out输出端图形如下:
图6-2-1555输出波形图
观察示波器显示满足秒脉冲要求,并产生占空比为66.7%的方波,满足设计任务要求,说明该模块正确可行。
6.2.2计数电路模块的调试
a)
45秒测试
图6-2-2-1主干道绿灯45s调试
b)
5秒测试
图6-2-2-2主干道黄灯5s调试
c)
25秒测试
图6-2-2-3支干道绿灯25s调试
d)5秒测试
图6-2-2-4支干道黄灯5s调试
经测试各时间段,满足设计任务要求,主干道每次放行45秒,支干道每次放行25秒,在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中,要亮5秒钟的黄灯作为过渡。
满足设计说明该模块正确可行。
6.2.3发光二极管的调试
表6-2-3-1发光二极管显示时间表
支干道
红灯(50s)
黄灯(5s)
绿灯(25s)
主干道
绿灯(45s)
黄灯(5s)
红灯(30s)
图6-2-3-2支路红灯、主路绿灯亮图6-2-3-3支路红灯、主路黄灯亮
图6-2-3-4主路红灯、支路绿灯亮图6-2-3-5主路红灯、支路黄灯亮
各时间段亮灯情况如上图所示,观察亮灯情况及亮灯顺序,主干道由绿灯变为黄灯再变为红灯,支干道由红灯变为绿灯再变为黄灯。
说明各个显示二极管正常显示,且显示顺序满足设计任务要求。
6.3结果分析
把各模块按总体方框图组合并接通电源后,开关关闭,共阴数码显像管的显示顺序如下图所示
图6-3数码显示及亮灯变换
开关闭合后:
a)数码显示为0,主干道绿灯亮,支干道红灯亮,45s后计数电路清零。
b)45s后计数电路清零的同时数码显示为0,主干道由绿灯变为黄灯,支干道依然为红灯,持续5s。
c)持续5s后计数电路清零,数码显示为0,且主干道由黄灯变为红灯,支干道由红灯变为绿灯,持续25s。
d)持续25s后计数电路清零,数码显示为0,同时主干道依然为红灯,支干道由绿灯变为黄灯,持续5s。
e)持续5s后计数电路清零,数码显示为0,同时主干道由红灯变为绿灯,支干道由黄灯变为灯黄灯。
电路如上述且周期为80s循环进行,满足设计任务要求。
7小结
通过实验调试和数据测试,各个部分均满足以下设计要求和数据要求:
a)用红、绿、黄发光二极管作信号指示灯。
b)主支干道交替允许通行。
主干道每次放行45秒,支干道每次放行25秒。
c)在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中,要亮5秒钟的黄灯作为过渡。
总体来说,交通信号灯控制器,由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口,在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯。
红灯亮禁止通行,绿灯亮且允许通行,黄灯亮则停止行驶(给行驶中的车辆有时间停在禁行线以外)。
8设计体会及今后的改进意见
8.1体会
a)通过设计电路,查阅资料的同时也可以学习更多以前不懂得知识,掌握各个元器件的基本参数测量和引脚功能作用,同时可以通过思考用不同电路形式实现相同功能作用,更好的掌握各种芯片的功能作用和应用。
b)通过绘制电路原理图,可以学习并掌握Multisim软件的基本应用和操作。
c)通过焊接实物,可以掌握焊接的基本知识和注意事项。
d)通过调试和测量数据参数,可以更好的掌握各种测量仪器的应用和功能。
8.2本方案特点及存在的问题
特点:
思路清晰,按题目要求通过四种状态来组合三种亮灯情况。
存在问题:
应用TTL门电路元器件过多,使焊接不方便。
没有倒计时显示数码管。
8.3改进意见
可以通过减法芯片74LS192或74LS190实现倒计时,通过74LS48或CD4511连接数码显示管显示倒计时。
参考文献
【1】阎石.数字电子技术基础.清华大学.高等教育.2009
【2】党宏社.电路、电子技术实验与电子实训.电子工业.2009
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- 交通灯 设计 仿真
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