简易交通信号灯控制器课程设计

简易交通信号灯控制器课程设计电工与电子技术基础课程设计报告 题 目 简易交通信号灯控制器 学院 汽车学院 专 业 车辆工程 班 级 学生姓名 学 号 6 月 29 日至 7 月 3 日 共 一 周 目录 一、 主要技术指标和要求 2 二、 摘要 2 三、 总体设计方案论证及选择 2 四、 设计方案的原理框图、总体电路原理图及说明 1、 设计方案的原理框图2、 总体电路原理图及说明五、 单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算 1、CP脉冲发生器电路 5 2、主控电路模板 7 3、组合逻辑电路模块 8 4、负载电路 11 六、 收获与体会，存在的问题 12 七、 参考文献 13 八、 附件 14 1 3 4 一、 主要技术指标和要求 定周控制：主干道绿灯亮45秒，只感支干道绿灯亮25秒； 每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡； 分别用红、黄、绿色放光二极管表示信号灯； 设计计时显示电路。 二、 摘要 在现代城市中，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。目前的交通信号灯电路大多分为主干道电路和支干道电路，通过适当的控制电路分别对主干道和支干道进行控制，达到合理的亮灭规律，从而很好的规范人们的出行秩序。 本文设计的简易交通信号灯控制器方案分四大模块：1，脉冲信号发生模块。采用555秒脉冲发生器提供脉冲信号；2，主控制器模块。采用74LS161型4位同步二进制计数器加上清零电路；3，组合逻辑电路模块。利用74LS161的四个输出端和门电路构成组合逻辑电路来输出相应的高电平或低电平；4，负载。通过这四个模块来实现对交通信号灯的控制。 三、 总体设计方案论证及选择 方案一：用多个不同步的信号分别控制各信号灯的开关，即分别用持续45S、5S、25S、5S的倒计时计数器来控制各信号灯。 方案二：交通信号灯的状态可以分为四种，且四种状态的周期和为T=45+5+25+5=80S，所以信号灯的每个循环周期为80S，因此，可以利用两个74LS290型十进制计数器组成一个八十进制的计数器的2 周期为80*1S=80S。电源接通时，计数器为零，此时主干道绿灯和支干道红灯点亮，其余灯关灭；此后，经过组合逻辑电路使得当计数器的第45个脉冲、50个脉冲、75个脉冲和80个脉冲到来时，分别控制信号灯状态改变，达到预计要求。 方案三：选择74LS161型同步二进制计数器，其共有十六个状态。用555定时器产生周期为5S的时钟脉冲，所有计数器循环周期为16*5=80S，并对应信号灯的80S工作循环。然后将计数器的四个输出端接上相应的组合逻辑电路，产生高电平或低电平分别控制六个信号灯。电源接通时，计数器为零，此时主干道绿灯和支干道红灯点亮，其余灯关灭；此后，经过组合逻辑电路使得当计数器的第9个脉冲、10个脉冲、15个脉冲和16个脉冲到来时，分别控制信号灯状态改变，达到预计要求。 综合分析，方案一电路比较复杂，且要使用我们不熟悉的减法计数器；方案三采用74LS161型四位同步二进制计数器，与方案二的八十进制计数器相比，结构简单，更容易实现，且我们对74LS161型四位同步二级制计数器更加熟悉。所以选择方案三。 四、 设计方案的原理框图、总体电路原理图及说明 1、设计方案应满足的信号灯亮灭表 主干道 支干道 3 0-45S 绿灯亮 45-50S 黄灯亮 50-75S 75-80S 红灯亮 绿灯亮 黄灯亮 红灯亮 设计方案的原理框图 脉冲信号发生器 T=5S 计数器电路 清零电路 74LS161 组合逻辑电路 负载信号灯 图1 设计方案原理图 2、总体电路图 4 电路工作原理简要说明：接通电源后，计数器清零，555定时器输出周期为5S的时钟脉冲。计数器输出的信号经过译码电路后，完成如下功能： 清零后，Q3=Q2=Q1=Q0=0，主干道绿灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭； 当第9个脉冲来到时，Q3=Q0=1，Q2=Q1=0，主干道黄灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭； 当第10个脉冲来到时，Q3=Q1=1，Q2=Q0=0，主干道红灯和支干道绿灯置1点亮，其他灯置0关灭； 当第15个脉冲来到时，Q3=Q2=Q1=Q0=1，主干道红灯和支干道黄灯置1点亮，其他灯置0关灭； 当第16个脉冲来到时，Q3=Q2=Q1=Q0=0，主干道绿灯和支干道红灯置1点亮，其他灯置0关灭，即进入下一个工作循环。 五、 单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算 1、 CP脉冲发生器电路 CP脉冲发生器由555定时器构成的多谐振荡电路，也称无稳态触发器，不需要外加触发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲。下图是CB555定时器组成的多谐振荡电路 5 注：R1，Rp，R2，C是外接元件。 第一个暂稳态的脉冲宽度tp1，即电容C的充电时间为：tp1=R1*C*ln20.7R1*C； 第一个暂稳态的脉冲宽度tp2，即电容C的充电时间为：tp2=R2*C*ln20.7R2*C； 振荡周期T=tp1+tp2=0.7(R1+R2)*C=5S; 振荡频率为f=1/T0.2Hz; 得(R1+R2)*C=7.14，即(R1+R2+Rp)*C=7.14; 根据以上的计算结果，我选择R1=R2=240K，Rp=240K，C=10F， T=0.7(R1+R2+Rp)*C=5.04S，与要求结果近似相等，选择方案可行。 Vcc=5V,调节Rp时，通过二极管的最大电流Imax=5/2400000.00002A=0.02mA。 所以，选择2AP2二极管，其最大整流电流为16mA，反向工作峰值电压为30V。 针对555定时器，我们选择CB555芯片，其管脚图和原理电路图见附件。 6 2、 主控电路模板 主控电路主要由74LS161型同步四位二进制计数器和清零电路构成。 A 计数器电路。 按照要求，交通信号灯的亮灭规律： 0S 45S 50S 75S 80S 主干道 红灯 亮 灭 灭 灭 亮 黄灯 灭 亮 灭 灭 灭 红灯 灭 灭 亮 亮 灭 支干道 绿灯 灭 灭 亮 灭 灭 黄灯 灭 灭 灭 亮 灭 红灯 亮 亮 灭 灭 亮 状态 1 2 3 4 1 按照信号灯的亮灭规律，可以将信号灯的状态分为四种，且四种状态的周期和为 t1+t2+t3+t4=80S。 主控电路触发器选用74LS161型十六进制计数器，将CP脉冲发生器电路产生的五秒脉冲加在计数器的CP端，由Q3Q2Q1Q0输出信号，作为逻辑电路的输入。 B、清零电路。电路在开始工作前应先进行清零工作，以保证计数器的初始状态Q3=Q2=Q1=Q0=0。清零支电路由两个电阻和一个电容组成，其电路图： 7 清零电路简要说明：经查找资料，74LS161型十六进制计数器的清零端低电平有效，即电压要小于0.4V，清零完成时，高电平电压要大于2.4V。当接通电源时，电源为清零电路提供一个5V的电压，电容进行充电，要保证电路能够正常清零，充电时间要大于20nS，并且清零后C1两端电压U要大于2.4V。因此选择 C1=10F，R3=10，R4=1000 则充电时间T=C1*R3=0.00001S20nS， U=5/(10+1000)*10004.952.4V 满足清零要求。 3、 组合逻辑电路模块 a.根据设计要求，得到计数器状态输出与信号灯状态表 (G1,Y1,R1分别表示主干道上的绿灯，黄灯，红灯;G2,Y2,R2分别表示支干道上的绿灯，黄灯，红灯;其中1表示灯亮，0表示灯灭) 8 计数脉冲数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Q3 Q2 Q1 Q0 G1 Y1 R1 G2 Y2 R2 状态 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 2 3 4 1 根据逻辑状态表，可以分别得到六个信号灯的逻辑表达式： 9 根据以上逻辑式，应用与门、或门、非门组合逻辑门电路设计信号灯控制电路，分别控制六个信号灯。 电路图如下： G1 Y1 R1 G2 Y2 R2 Q3 Q2 Q1 Q0 本电路共有12个非门、3个2输入端或门、7个双输入端与门、1个三输入端与门、2个四输入端与门、1个三输入端或门。 10 经过上述逻辑组合电路之后，由计数器发出的四个输入信号可以通过相应的组合逻辑电路产生高电平或低电平，分别控制六个信号灯的亮灭状态。 4、 负载电路 当逻辑门电路输出为高电平时，发光二极管正向导通，信号灯亮；当逻辑门输出为低电平时，发光二极管截止，信号灯灭；从而实现了控制信号灯亮灭的功能。电路运行中，为了防止由于电路中电流过大，而导致发光二极管损坏，采用3K的限流电阻加以限流。 负载信号灯电路 元件选择及相应的参数计算： 在不考虑其他电阻的情况下，通过二极管的最大电流Im=5/30001.67mA，经查资料可以选择： SL-0603UG型绿光发光二极管 BQ5446URD型红光发光二极管 SL-HF3020型黄光发光二极管 11 六、 收获与体会，存在的问题 1. 收获与体会 电工与电子技术课程设计实践周，是以学生自己动手动脑，它将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神。作为信息时代的大学生，仅会书本理论是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。 我们的任务是设计一个简易交通信号灯控制器，尽管这个在理论上来讲并不是很难，但是实际设计的时候，我们还是遇到了不小的难题。首先，虽然课本上有相关电路的知识，老师也给我们讲过这方面的知识，但是，真正遇到让我们自己设计一个，一切从零控制器开始时，我们就有点茫然不知所措了。书到用时方恨少，我们深深体会到了课堂上所学知识的局限性。对于一些电子元件的选择，电路的连接，电路图的绘制等等方面，我们一开始都没法下手。后来，我们通过查阅资料，通过网络的范本，慢慢地了解、认识，最终完成了这份课程设计。 通过这次设计，我的体会主要有以下几点。 第一、课本知识的局限性。我们课堂上所学的知识只是限于理论上的，但是实际应用起来，有很多问题需要考虑，因此，必须通过各种方法来了解这些细节问题。 第二、平时要保持良好的学习习惯和学习态度。这次设计充分地暴露了我们电工技术知识的不足。因此，平常我们学习的时候，不应该局限于课堂知识，而应该广泛地涉略，时刻保持良好的学习积极性12 和心态。 第三、要学习一些实用软件。本次设计需要画电路图，我们由于不会使用Protel 和Protues，所以画电路图很麻烦。平常，我们应该多学习这类实际应用型的软件，这对于日后发展都是有很大作用的。 这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 2. 问题与不足 本次课程设计中还存在着许多问题，比如：组合逻辑电路部分电路结构过于复杂、使用的电子元件过多等，我认为这于我们自身的设计经验不足，设计思路不够灵活，知识储备不够扎实有密切关系。只有在以后的学习中注重积累，善于总结，才能将知识融会贯通，灵活运用。 七、 参考文献 1. 电工学下册-电子技术，秦曾煌主编，高等教育出版社。 2. 现代电子技术实践与课程指导，谢云，易波等主编，机械工业出版社。 3. 电子技术实验与课程设计，蔡忠发主编，浙江大学出版社。 4. 电子电路实验及应用课题设计，卢洁成，陈立生等，中国科学技术出版社。 5. 电工电子技术，刘耀元主编，北京理工大学出版社。 13 八、 附件 1 元件材料详细清单 序号 1 2 3 4 5 6 名称 定时器 十六进制计数器 红光发光二极管 黄光发光二极管 绿光发光二极管 二极管 型号参数 CB555 74LS161 BQ5446URD SL-HY3020 SL-0603UG 2AP2 数量 1 1 2 2 2 2 本设计除需要以上元件外，还需要6个510的电阻，1个1K的电阻，1个3K的电阻1个10的电阻，1个240K的变阻器，2个240K的电阻，2个10F电容，1个0.01F的电容。 2.部分元件的原理、功能表如下： 14 74LS161型四位同步二进制计数器功能表 输入 RD 0 1 1 1 1 CP * * * LD * 0 1 1 1 EP * * 1 0 * ET * * 1 * 0 A3 * d3 * * * d2 d1 d0 A2 A1 A0 输出 Q3 0 d3 计数 保持 保持 Q2 0 d2 Q1 0 d1 Q0 0 d0 CB555芯片管脚 15 原理电路图 16 评 语 评审人: 17