十字路口自動紅綠燈指揮系統(tǒng)

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. 電子電路課程設(shè)計報告 組別：第 5 組 課題：十字路口自動紅綠燈指揮系統(tǒng) 學(xué)院：儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院 專業(yè)：測控技術(shù)與儀器13-3班 姓名： 錢敏 馮一簞 唐新悅 學(xué)號：2013210098 2013210106 2013210131 指導(dǎo)老師: 趙 麗 鑫 開課時間：2014~2015學(xué)年第三學(xué)期 . 目錄 1、 設(shè)計題目2 二、主要指標(biāo)及要求2 三、方案選擇及電路工作原理2 四、單元電路設(shè)計分析6 五、總電路圖13 六、仿真及結(jié)果14 七、電子原件領(lǐng)用清單14 八、安裝、調(diào)試問題分析及解決辦法14 九、測試效果及成果評價15 十、收獲體會和改進建議17 十一、參考文獻17 一 設(shè)計題目 十字路口自動紅綠燈指揮系統(tǒng) 二 主要指標(biāo)及要求 設(shè)計一個十字路口交通信號燈控制器，用于控制交通主干道的交通燈和計時器，自動指揮干道車輛和行人輪流通行，保證車輛和行人安全通行。 1.自動完成綠－黃－紅－綠－……工作循環(huán)； 2.每種信號燈亮的時間不等，如：綠燈亮20秒－黃燈亮5秒－紅燈亮15秒，如此循環(huán)； 3.用倒計時的方法，數(shù)字顯示當(dāng)前信號的剩余時間，提醒行人和司機； 4．(*)信號燈的時間分別可調(diào)，以適應(yīng)不同路口，不同路段交通流量的需求。 三 方案選擇及電路工作原理 1. 課題分析 狀態(tài) 0000 0001 0010 信號燈 紅 綠 黃 時間 15s 20s 5s 從上表可以看出，十字路口信號燈有3個狀態(tài)，即狀態(tài)計數(shù)器是三進制計數(shù)器。而時間顯示總是從預(yù)置數(shù)開始倒計時，在0s時發(fā)生信號燈狀態(tài)之間的切換。 2. 方案選擇 經(jīng)過對課題的研究分析，我們首先確定了合適的設(shè)計方案。十字路口自動紅綠燈指揮系統(tǒng)由七個部分組成：時鐘振蕩電路、預(yù)置數(shù)倒計時電路、數(shù)碼顯示電路、延遲電路、狀態(tài)計數(shù)電路、信號燈顯示電路和任意置數(shù)控制邏輯電路。 單元電路構(gòu)成: a.時鐘振蕩電路是由NE555組成的多諧振蕩電路，提供標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖； b.預(yù)置數(shù)倒計時電路由兩片74LS192芯片構(gòu)成，進行倒計時； c.74LS192輸出端連接數(shù)碼管，進行倒計時顯示； d.74LS192的溢出信號到達74LS161構(gòu)成的三進制狀態(tài)計數(shù)器的脈沖輸入端，實現(xiàn)信號燈狀態(tài)切換； e.74LS161的輸出到達74LS153的地址位，產(chǎn)生相應(yīng)狀態(tài)下的置數(shù)輸入信號； f.由奇數(shù)個邏輯門“非”門組成的延遲電路，使得置數(shù)控制信號稍緩于置數(shù)輸入信號； g.任意置數(shù)控制邏輯電路由兩片74LS161、三片74LS373、數(shù)碼管、四個開關(guān)和若干門電路構(gòu)成，實現(xiàn)信號燈時間可調(diào)。 本電路設(shè)計最為關(guān)鍵的部分是置數(shù)輸入信號和置數(shù)控制信號的先后順序問題，我們選擇的方案是首先讓電路準(zhǔn)備好該狀態(tài)的置數(shù)輸入，然后將置數(shù)控制信號送達74LS192的LOAD端，因此延遲電路的設(shè)計是重中之重。由功能表可知，74LS192是異步置數(shù)的，因此置數(shù)控制信號必須在出現(xiàn)0s后一秒到達，以確保倒計時的每一秒都是標(biāo)準(zhǔn)一秒的時間，于是我們利用門電路的速度快慢將74LS192的溢出信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎}沖置數(shù)信號。 本電路設(shè)計的難點部分是實現(xiàn)信號燈時間可調(diào)。雖然這是選做任務(wù)，具有一定的難度，但是我們還是不畏艱難，積極尋找解決辦法。我們共設(shè)想了三種方案：方案一：利用開關(guān)，控制74LS153數(shù)據(jù)選擇位的高低電平； 方案二：利用計數(shù)器，將計數(shù)器輸出送達74LS153的數(shù)據(jù)選擇位； 方案三：利用計數(shù)器和鎖存器，將鎖存器輸出送達74LS153的數(shù)據(jù)選擇位； 方案一所需開關(guān)數(shù)目眾多，實際操作中恐難以實現(xiàn)；方案二需三個計數(shù)器（六片芯片）和八個數(shù)碼管，電路十分復(fù)雜，難以進行實際安裝操作；比較理想的是方案三，利用一個計數(shù)器、一個數(shù)碼管、三個鎖存器和四個開關(guān)進行信號燈時間的置數(shù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍為0-99，因此我們最終選定的是方案三。 各方案電路如下： 方案一 方案二 方案三 本電路設(shè)計中，關(guān)于任意置數(shù)控制邏輯電路中計數(shù)器的選擇也是經(jīng)由我們慎重考慮的。我們所熟悉的計數(shù)器一般有74LS161和74LS90，本電路設(shè)計中任意置數(shù)邏輯控制電路部分所需的計數(shù)器是8421BCD碼計數(shù)，74LS90似乎更符合要求，但是由于74LS90沒有使能端，而任意置數(shù)控制邏輯電路只在紅綠燈正常工作之前進行計數(shù)，所以我們選用了有使能端的74LS161芯片。74LS161是四位二進制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器，因此我們首先需要將之改成8421BCD碼計數(shù)器。 電路圖如下： 3. 設(shè)計原理 十字路口自動紅綠燈指揮系統(tǒng)分為七個部分：時鐘振蕩電路、預(yù)置數(shù)倒計時電路、數(shù)碼顯示電路、延遲電路、狀態(tài)計數(shù)電路、信號燈顯示電路和任意置數(shù)控制邏輯電路。在電路正常工作之前首先需要用任意置數(shù)控制邏輯電路生成紅、綠、黃信號燈各自的置數(shù)輸入，計數(shù)器生成信號燈的時間范圍為0-99，鎖存器能夠鎖住計數(shù)數(shù)字，即保持置數(shù)輸入不變；時鐘振蕩電路提供標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖，倒計時開始；預(yù)置數(shù)倒計時電路實現(xiàn)倒計時循環(huán)；數(shù)碼顯示電路用于剩余時間顯示；當(dāng)?shù)褂嫊r到0s時產(chǎn)生溢出信號——秒脈沖，延遲電路利用溢出信號產(chǎn)生窄脈沖置數(shù)信號，到達74LS192的置數(shù)控制端；而溢出信號同時是74LS161構(gòu)成的三進制狀態(tài)計數(shù)器的脈沖輸入，狀態(tài)計數(shù)器的輸出端與邏輯電路配合使信號燈按順序亮滅，同時完成對下一環(huán)節(jié)的計數(shù)器倒計時預(yù)置，然后開始下一狀態(tài)的倒計時。這樣便可完成十字路口的交通信號燈控制。 4. 結(jié)構(gòu)框圖 置數(shù)組合邏輯 兩位可預(yù)置減法計數(shù)器 狀態(tài)計數(shù)器 （或分配器） 置數(shù)輸入端 置數(shù)控制端 倒計時數(shù)碼顯示 溢出信號 時鐘輸入 時鐘輸入 狀態(tài)輸出 時鐘信號 倒計時結(jié)束判別 綠 黃 紅 四 單元電路設(shè)計分析 1. 時鐘振蕩電路 用555定時器構(gòu)成方波信號發(fā)生器，如下圖： 參數(shù)選擇： 電容充電回路：t1 =0.7(R1+R2)C 電容放電回路：t2 =0.7R2C 要求t1+t2 =1s 我們選擇R1=R2= 10kΩ，C=47μF 算出t1+t2=987ms≈ 1s 2. 預(yù)置數(shù)倒計時電路 74LS192功能表： 74LS192時序圖： 一個獨立的倒計時電路由兩片74LS192芯片的減法計數(shù)來實現(xiàn)。其中，一片用作十位，另一片作為個位，其輸入端連接74LS153的輸出，輸出端連接數(shù)碼管。將第一片芯片的DOWN引腳接時鐘振蕩秒脈沖，BO引腳接第二片芯片的DOWN引腳，組成100進制倒計時計數(shù)器。一個獨立的倒計時電路如下： 與獨立的倒計時電路不同的是，預(yù)置數(shù)倒計時電路的溢出信號由兩芯片的BO引腳取“或”之后產(chǎn)生，再經(jīng)過奇數(shù)個“非”門電路產(chǎn)生窄脈沖作為置數(shù)控制信號，這樣就使得置數(shù)控制信號稍緩于置數(shù)輸入信號，實現(xiàn)了預(yù)置數(shù)倒計時。實際電路連線如下圖： 3.數(shù)碼顯示電路 D C B A D C B A 數(shù)碼顯示電路選用兩塊DCD_HEX數(shù)碼管接芯片的輸出引腳，實現(xiàn)倒計時剩余時間顯示。值得注意的是，數(shù)碼管從右往左位次由低到高遞增。 4. 延遲電路 由奇數(shù)個邏輯“非”門組成的延遲電路，利用溢出信號產(chǎn)生窄脈沖置數(shù)信號，到達74LS192的置數(shù)控制端，使得置數(shù)控制信號稍緩于置數(shù)輸入信號。 5. 狀態(tài)計數(shù)電路 狀態(tài)計數(shù)電路由74LS161芯片組成，將QA、QB連接至與非門后連接到CLR（清零法），構(gòu)成三進制計數(shù)器。當(dāng)接收到74LS192的溢出信號，開始實現(xiàn)從0000-0001-0010的三種狀態(tài)計數(shù)，“0000”狀態(tài)對應(yīng)的是紅燈，“0001”狀態(tài)對應(yīng)的是綠燈，“0010”狀態(tài)對應(yīng)的是黃燈。當(dāng)計數(shù)器跳到0011時清零，開始下一輪狀態(tài)循環(huán)。 74LS161引腳圖: 0010 0000 0001 00 狀態(tài)圖： 0011 三進制狀態(tài)計數(shù)器: 仿真電路圖： 6. 信號燈顯示電路 1 =1 QA QB 74LS161的輸出QA和QB通過門電路連接三種信號燈，從上到下依次為綠燈、黃燈、紅燈。不同狀態(tài)對應(yīng)不同的信號燈，00狀態(tài)代表紅燈，01狀態(tài)代表綠燈，10狀態(tài)代表黃燈。 7. 任意置數(shù)控制邏輯電路 1) 74LS153是雙向數(shù)據(jù)選擇器：雙向是指經(jīng)過選擇，把多路數(shù)據(jù)中的一組數(shù)據(jù)傳到公共數(shù)據(jù)線上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)選擇功能的邏輯電路稱為數(shù)據(jù)選擇器。它的作用相當(dāng)于多個輸入的單刀多擲開關(guān)，74LS153是一個雙四選一的數(shù)據(jù)選擇器，它是由兩組四選一數(shù)據(jù)選擇器組成的。 74LS153的管腳： 74LS153的功能表： 將狀態(tài)計數(shù)器的輸出接到兩片74LS153的地址輸入端A、B，四個預(yù)置輸入端的C0~C2 分別按照地址00對應(yīng)預(yù)置輸入101（0）0（紅燈14s）、01對應(yīng)110（0）1（綠燈19s）、10（黃燈4s）001（0）0接高低電平，C3空接，兩個輸出端的Y1、Y2按順序接到主計數(shù)器74LS190的置數(shù)端，對應(yīng)順序如下圖： 2) 74LS161是常用的四位二進制可預(yù)置的同步加法計數(shù)器，本實驗要求用兩位LED數(shù)碼顯示當(dāng)前剩余時間，這就要求我們對74LS161進行一定的改造，實現(xiàn)8421BCD碼計數(shù)。由上圖功能表可知，當(dāng)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(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一致，實現(xiàn)同步置數(shù)功能。當(dāng)計數(shù)器計到“99”時同步置數(shù)為“0”，因此任意置數(shù)邏輯控制電路的置數(shù)范圍是0-99。具體電路連線如下圖： Dn LE OE Qn H H L H L H L L X L L Q0 X X H 高阻態(tài) 3) 74LS373為三態(tài)輸出的八 D鎖存器，當(dāng)鎖存允許端 LE 為高電平時，Q 隨數(shù)據(jù) D 而變。當(dāng) LE 為低電平時，D 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平，芯片真值表如左圖。 因此，當(dāng)想把當(dāng)前計數(shù)器的數(shù)字鎖存到74LS373時，只需將鎖存器閉合的開關(guān)打開，鎖存器輸出即保持不變，到達74LS153的數(shù)據(jù)選擇位，實現(xiàn)信號燈時間可調(diào)。 任意置數(shù)控制邏輯電路的總電路圖如下： 五 總電路圖 六 仿真及結(jié)果 在電路設(shè)計過程中，我們進行了多次仿真，不斷對電路進行修改，最后得到了以上總電路圖，電路基本功能均已實現(xiàn)，符合設(shè)計要求。 剛剛開始仿真時，電路出現(xiàn)的問題是當(dāng)?shù)褂嫊r為“0”只在瞬間閃現(xiàn)，并立刻置成下一狀態(tài)的數(shù)，“0s”的時間是不正確的。我們對電路各個模塊逐一進行排查，最后確定電路其他部分都是正確的，于是我們猜想是74LS192芯片的BO溢出信號輸出少了一個延時電路，溢出信號一旦產(chǎn)生就立刻到達74LS192的LOAD置數(shù)控制端，又因為74LS192是異步置數(shù)的，所以會出現(xiàn)“0”瞬間閃現(xiàn)的情況。分析出原因后，我們給電路加上了延時電路，再次進行仿真，果然解決了“0”瞬間閃現(xiàn)的問題。但經(jīng)過我們仔細觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個狀態(tài)結(jié)束后，電路翻轉(zhuǎn)，0s的末端有時會出現(xiàn)“99”，我們意識到應(yīng)該是延時時間長了，于是又經(jīng)過多次修改，最終將參數(shù)配置成功，完成了仿真。 七 電子元件領(lǐng)用清單 元件名稱 單位 數(shù)量 74LS192 片 2 74LS161 片 1 74LS153 片 2 NE555 片 1 74LS04 片 1 74LS86 片 1 74LS00 片 1 八 安裝、調(diào)試問題分析及解決辦法 1． NE555 問題分析：交通燈的時間必須是標(biāo)準(zhǔn)時間，而時鐘振蕩電路在安裝過程中要解決的首要問題主要是檢驗電路是否符合標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖要求。 調(diào)試方案：將秒信號發(fā)生器的輸出接指示燈，觀察指示燈顯示情況。 調(diào)試結(jié)果：記錄相鄰次燈滅間隔的時間，大致為1s，滿足要求。 2． 74LS161 問題分析：連接好74LS161和信號燈之后，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了三個信號燈都亮的情況。 調(diào)試方案：先將三進制計數(shù)器接好，不接入門電路，一一排除問題。單接入74LS161計數(shù)器時，輸出連接至數(shù)碼管，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)輸出正確，準(zhǔn)確按照00-01-10的順序計數(shù)。于是我們排查門電路的連接問題，重新連線之后發(fā)現(xiàn)三個燈能夠按照正確的順序亮滅，我們就把74LS161與其他部分電路連接起來。但是之后仍出現(xiàn)了三個燈都亮的情況，經(jīng)思考我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)該是燈接觸不良的問題，換了實驗箱重新連線之后，問題成功解決。 調(diào)試結(jié)果：74LS161在有脈沖輸入的情況下輸出狀態(tài)為“00-01-10-……”，循環(huán)往復(fù)，信號燈相應(yīng)地依次按照“紅-綠-黃-……”順序亮滅，符合設(shè)計要求。 3． 74LS192 問題分析：連接好74LS192后，暫時給它置數(shù)“19”，觀察倒計時情況，發(fā)現(xiàn)是按照“19-17-15-13-……”的順序倒計時的。 調(diào)試方案：用萬用表一一檢查74LS192輸出端的電平高低情況，發(fā)現(xiàn)個位A引腳輸出電平一直為低電平，于是將之重新連線并檢查電平高低變化。 調(diào)試結(jié)果：個位A引腳輸出電平每秒跳轉(zhuǎn)一次，數(shù)碼管倒計時顯示正常。 4． 74LS153 問題分析：74LS153組成的置數(shù)控制邏輯電路相對較為簡單，但是無法直觀地觀測到這部分電路是否連接正確，可能會影響到電路的整體效果。 調(diào)試方案：將74LS153的四個輸出端接指示燈，地址輸入端通過導(dǎo)線接到高低電平，嘗試不同組合并觀察指示燈是否正確。 調(diào)試結(jié)果：輸入00時，輸出為1010；輸入01時，輸出為1101；輸入10時，輸出為0010，滿足要求。 九 測試效果及成果評價 經(jīng)過不斷調(diào)試，電路功能均已實現(xiàn)，信號燈按照“綠-黃-紅”的順序依次亮滅，且各信號燈的時間分別為20s、5s、15s，符合設(shè)計要求。但不足之處在于，由于實驗箱部分元件老化導(dǎo)致接觸不良，在測試過程中可能出現(xiàn)信號燈開頭紊亂的狀態(tài)。但就總體而言，電路設(shè)計實現(xiàn)的效果還是較令人滿意的。 十 收獲體會和改進建議 這次實習(xí)，不僅檢驗了我們學(xué)過的知識，而且考驗了我們知識應(yīng)用和動手制作的能力。從到圖書館查找資料到對電路的設(shè)計對電路的調(diào)試再到最后電路的成型，雖有一些小坎坷，但總體來說是十分順利的，這都要歸功于團隊的力量。 一開始拿到題目，我們幾個設(shè)計小白不知從何下手，但是結(jié)合老師給出的設(shè)計框圖和已經(jīng)學(xué)過的數(shù)電知識，電路整體的架構(gòu)很快就出現(xiàn)了，然而真正考驗我們耐心的是之后的仿真調(diào)試。細節(jié)問題就像是鞋底的砂礫，不影響走路，卻讓人難以忍受不得不除去。比如仿真時我們發(fā)現(xiàn)“0”的數(shù)字只能閃現(xiàn)一下，其原因是74LS192芯片是異步置數(shù)的，因此我們需要設(shè)計一個延時電路來解決這個問題。由于經(jīng)驗的匱乏，我們只能拿課本上的延時電路來進行測試。好不容易把它接進電路，卻發(fā)現(xiàn)根本沒有起到作用，反而還給原來的電路帶來了新問題，這種打擊促使我們?nèi)脑砗托枨蟮年P(guān)系上去發(fā)現(xiàn)設(shè)計思路，即讓需求決定設(shè)計，而非現(xiàn)象，這對我們來說是一個頗為艱難的探索歷程，在這上面我們?nèi)齻€花了大把時間，提出構(gòu)想、討論、被否定、再次提出方案，直到最后在老師的提點下，我們才最終解決問題。 接下來的電路制作過程也并非一帆風(fēng)順。起初是我們?nèi)烁髯载撠?zé)組建和調(diào)試單元電路，由于試驗箱老化，經(jīng)常出現(xiàn)接觸不良等問題，我們的調(diào)試結(jié)果一會正確一會又錯的離譜，讓人有些頭大。這讓我們認識到實際和理論的差距，我們保持著完成任務(wù)的自信但并不敢過度樂觀。中途我們遇到了換箱子，換芯片等問題，但我們始終保持耐心，一步一步來調(diào)試，最終完成了任務(wù)。 通過這次的電子電路課題設(shè)計，我們學(xué)習(xí)了利用仿真軟件Multisim設(shè)計電路，能夠獨立完整地設(shè)計出具備一定功能的電子電路，以及進行仿真和調(diào)試。實際電路的安裝和調(diào)試進一步提高了我們綜合應(yīng)用知識的能力，而不僅僅是紙上談兵。我們認識到，電路的仿真和實際安裝不是完全一致的，遇到問題應(yīng)冷靜分析，根據(jù)現(xiàn)象仔細思考不足之處，不斷改進，一步一步臻于完美。 十一 參考文獻 1.林紅 主編 《數(shù)字電路與邏輯設(shè)計》 清華大學(xué)出版社 2009年4月第1版 2.吳敏 張晨彧 戴雷 主編 《電工電子實驗與仿真》 安徽人民出版社 2007年10月第1版 3.秦曾煌 主編 《電工學(xué)》（第七版） 高等教育出版社 2009年5月第7版 4.李桂安 主編 《電子技術(shù)實驗及課程設(shè)計》 東南大學(xué)出版社 2008年08月第1版 .