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交通信号灯控制电路的设计与仿真分析研究信息工程专业1引言O1.1设计目的O1.2设计背景O2设计原理23总体设计3.1 单元电路设计.3.2 时序仿真结果.4设计总结参考文献附录1器件明细表附录2仿真电路图.311错误!未定义书签。1415171引言1.1 设计目的通过一个学期的电子技术的学习，对一些电气原件有了初步的认识，这次的课程设计主要综合了解与运用所学的知识，通过这次课程设计来检查这一学期的学习状况。通过制作来了解交通灯控制系统，了解译码器、计数器、寄存器芯片的作用。交通灯控制系统主要是实现城市交叉路口红绿灯的控制。在现代化的大城市中，十字交叉路口越来越多，在每一个交叉路口都需要有一个准确的时间间隔和转换顺序，这就需要一个安全、自动的系统对红、黄、绿的转化进行管理。本次的设计就是基于此目的进行的。设计交通信号控制灯要求某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6o从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮;南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。1.2 设计背景随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全球化的问题。城市交通基础设施供给滞后于高速机动化增长需求，道路堵塞日趋加重，交通事故频繁，环境污染加剧等问题普遍存在。目前，全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象，交通事故频发，这给人民的生命财产安全带来了极大的损失。如何解决城市交通问题已成为全社会关注的焦点和大众的迫切呼声。探究城市交通发展中存在问题的原因，无论是从宏观上还是从微观上分析,其根本原因在于城市交通系统的管理机制不适应。城市交通控制系统(UTC,UrbanTrafficControlSystem)是现代城市智能交通系统(IDJ,Intelligenttransportsystem)的组成之一，主要用于城市道路交通的控制与管理。城市平交路口实现交通信号控制是城市交通管理现代化的基本标志之一，是提高交通管理效能的重要技术手段。路口信号控制器是控制交叉路口交通信号的设备，它是交通信号控制的重要组成部分。各种交通控制方案，最终都要由路信号控制器来实现。为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高，汽车的数量在不断增加。MUItiSimlo是一款知名的EDA仿真软件，由加拿大HT、公司于2007年推出最新版本。在WindOWS环境下，MUltiSimlO软件有一个完整的集成化设计环境，它将原理图的创建、电路的测试分析、结的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中。在搭建实际电路之前，采用MUItiSimlO仿真软件进行虚拟测试，可使实验方法和实验手段现代化，扩展实验容量，使实验内容更完备，提高了实验效率，节省大量的实验资源。MUltiSimlO软件进行设计仿真分析的基本步骤为：设计创建仿真电路原理图一电路图选项的设置一使用仿真仪器一设定仿真分析方法f启动MuItisimlO仿真。因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际生活中。2设计原理设计交通信号控制灯要求白天的工作方式如图2-1：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮It南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮51南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮5t图2-1信号指示灯白天点亮流程图夜晚的工作方式是：南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮,因此总的设计框图如图2-2：南北信号灯 东西信号灯系统电源秒脉冲产生电路图2-2整体电路设计框图根据交通灯的性能要求以及整体电路图，设计本次课程设计的交通灯电路。3总体设计3.1 单元电路设计3.1.1 秒脉冲产生电路由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用555定时器组成多谐振荡器。555定时器原理及内部结构如图3-1(a)和(b)所示。图37555定时器原理及内部结构振荡周期与频率的计算公式为：T=(RI+2R2)Cln2=0.7(R+2R2)C,电源电压为Vcc=5V,其中电路图中C2的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01RF的瓷片电容。再次课程设计中要求输出T=IS,选取电容为C=lF,R=360k,根据振荡周期计算，选择电阻R2=560ko当元件选取完成后，根据电路原理图连接电路(如图3-2所示)既可。在MUItiSim中进行仿如图3-3：图3-2仿真信号电路原理图图3-3555多谐振荡器仿真图经计算可得：T=1.036S,这与要求相符。3.1.2 十二进制计数器由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为5：1：6）,因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LSI64。用74LS164组成的12进制扭环型计数器电路，其电路图如图3-4所示。rVbUQ>PgfQeRdCP14IIflI旦)74LSI64E=1 IIII/A'BQaQbqcQdGND?图3-474LS164电路图3.1.3 分频器电路的设计上述十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得至必秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路。74LS74是内有两个D触发器的TTL集成电路，将每一触发器接成触发器，两级串联就实现4分频，即输入IS脉冲，输出4S脉冲。在MUItiSim中四分频的电路原理图35所示，4分频电路输出波形如图36所示：图3-5四分频的电路原理图图3-64分频器电路的输出波形从图中可以看出由555定时器组成的多谐振荡器将IS脉冲输送给2分频D触发器，两级串联就实现4分频，即输入IS脉冲，输出4S脉冲。由示波器得T=4.095S,这与要求相符。3.1.4 直流稳压电源信号灯采用三极管9031驱动，其额定电流与额定电压应满足三级管的驱动能力，直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要。电源电压采用直流5V,通过变压器将室电降压到交流9V,在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5V电压。直流稳压电源的设计电路如图37所示。图3-7直流稳压电源原理图4-RL在MUltiSim中进行仿真如图3-8：U1LM7805C图3-8直流稳压电源的仿真图C 1mLIN VREVOLTAGXMM如图3-8所示通过变压器将市电降压到交流9.135V,在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流4.979V电压，在允许范围与要求相符。3.1.5 信号灯驱动电路的设计本次课程设计选择使用基本共射放大电路对发光二极管进行驱动，使其点亮。其设计电路如图39所示：图3-9发光二极管进行驱动电路对此基本共射放大电路进行设计几参数的选择：电源电压：Vcc=5V;集电极直流负载电阻RC的计算与确定：电路的直流输出回路电压方程为：Uce=Vcc-IcRi,发光二极管的驱动电压大概是0.7V左右，一般发光管的驱动电流取IomA20mA,大功率白光二极管可以到30OmA(IW)600mA(2A)0此次课设所用的二极管电流为IomA20mA,则选取UCE=O.4V,根据电路的直流输出回路电压方程计算得：R=260,其功率：WRC=RlURC=5.2mW则选取R=260Q的电阻即可。RB的阻值计算与确定：IBQ=ICQB=2080=0.25mA,确定RbVccIbq=51<为统一选取，则RB取R=5kQ电阻。3. 1.6白天夜间模式切换的设计为了使实验在一次课时间内完成，本设计中白天与夜间的转换开关为手动开关。在实际应用中可以设计自动转换开关。用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平信号，这个信号经延时电路后(可用单稳态电路实现)，作为白天与夜间的自动转换开关。这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。第二天天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出，白天与夜间模式的转换由74LS164的RD引脚控制。当RD=I时为白天工作模式，RD=I时为夜晚工作模式。根据此次电路设计要求，以上为所有基本电路的单元电路的详细设计。4. 1.7交通灯逻辑控制电路逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现.组合逻辑电路真值表如表31所示。表37组合逻辑电路真值表QaQbQcQdQeQFNSGNSYNSREWGEWYEWR000000100001100000100001110000100001111000100001111100100001111110010001111111001100011111001100001111001100000111001100000011001100000001001010000000100001计数器输出南北信号东西信号根据上图真值表写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得：NSG=伍ZEWG=QeQfNSy=Q4EWY=QQrNSR=Q,EWR=C7由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。因此非门选用TTL集成门74LS04,与门选用TTL集成门74LS08o当然，以上仅是考虑白天工作方式时的情况。下面将介绍白天和夜间综合考虑的情况，综合考虑后，表达式需要修改，则门电路也需要作响应的修改。黄灯点亮的按秒闪动，将在下面考虑。白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74LS164停止循环工作，即通过开关将74LS164的底接地，使74LS164的所有Q端全部清零。白天石为高电平，74LS164循环工作。由74LS164组成的12进制计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。在夜间由于或=0使所有的74LS164的Q端清零，因此会出现以下问题：(1) NSG=WW,由于夜间Q端均为低电平，则NSG为高电平，即南北绿灯点亮，显然这是不允许的，所以NSG的表达式需要修改；(2) EWR=Qf由于夜间Q端均为低电平，则EWR为高电平，即东西红灯点亮，显然这是不允许的，所以EWR的表达式需要修改；(3) NSy=QzrQ/,.由于夜间。月、。尸均为低电平时，则NSY、EWY为低电平,即南北和东西方向的黄灯不能点亮，显然这是不允许的，所以NSY、EWY的表达式需要修改。上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下：(1)在夜间由于QE=QF=O,将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间由于M=0,JiPJNSG=O,即夜间南北绿灯不点亮；在白天由于厩=1,则NSG=瓦瓦W=管Z即南北绿灯按白天工作方式点亮(2)在夜间由于=0,EWR=0尸=1的解决方法：令EWT?=用0尸，即将EWR与之间的连线改为额两输入的与门。那么，在夜间由于耳;=0,则EWR=O,即夜间东西红灯不亮；而在白天用=1,则EWR=兄即东西方向红灯按白天工作方式点亮。虽然NSG=Q/，在夜间由于Qk=0,则NSG=0,即南北红灯不亮。但为了对称也将其修改为NSG=RQfO(3)在夜间由于=0=O,使NSy=Q£还均为0的解决方法：使NSY=Q百+Rd，EWY=Rd+Q:Qf,即将原来德两输入与门改为在与门之后增加一级两输入或门，另一个输出端为原来两输入与门的输出(QEa的输出或心媒的输出)。那么在夜间由于耳;=,R=o,则NSy=石Wy=1,即南北和东西方向的黄灯点亮；而在白天由于B=Oa)=1,则NWy=&+还。e，NWy=用+GQf=Gq,各方向的灯按白天工作方式点亮。经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式为：NSG=EWG=QeQf瓦NSY=QeQ；+RdEWY=QeQf÷RDNSR=Q瓦EWR在此次逻辑电路的设计过程中用到的芯片有:74LS04,74LS08,74LS32,74LSlk74LS04为六组输入与门；74LS08为四组二输入与门；74LS32为四组二输入或11;74LSil为三组三输入或门。各个芯片的驱动电压均为+5V。根据各芯片外部引脚不，选择合适位置的引脚，连接电路。其逻辑控制原理电路如图3-10所不：XSGXSYXSR图370逻辑控制原理图3.2时序仿真结果1白天工作方式交通灯从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟如图311所示。图371东西方向红灯亮南北方向绿灯亮南北方向绿灯点亮20秒后黄灯点亮，如图3-12所不:图3-12东西方向红灯亮南北方向黄灯亮南北方向黄灯点亮4秒后，红灯亮。东西方向红灯灭，绿灯亮。如图3-13所示:图3-13东西方向绿灯亮南北方向红灯亮东西方向绿灯点亮20秒后黄灯点亮，如图3-14所示：图3-14东西方向黄灯亮南北方向红灯亮2夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，如图3-15。设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。图375交通灯夜晚工作图4设计总结一周的课程设计结束了，这次课程设计不仅检验了我所学习的知识，也使得我学会如何严谨的做出电路。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，我更是从中学会了合作，最终成功的完成了课程设计。开始设计电路时，由于对各种元件的不熟悉，致使实验结果与要求结果不同，通过整体的检查和局部电路线的整改，最终使得结果与课程要求相同。虽然这只是一个简单的课程设计，但是通过这个课设我们体会到了亲自设计电路的过程，也切实了解到了设计中应当注意的问题。最重要的是在自己动手设计电路，设计的思想、过程、各设计环节以及电路中各个部分的实现过程，我们都能比较深入的了解到。我们学习电子技术，只是学习的一些理论的东西，通过这次课设使得理论和实际有了联系，更明确是了以后的学习目标。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程.自己的亲身设计,使我在多方面都有所提高。通过这次课程设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次红绿灯设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了数字电子课程所学的内容，掌握各种基本的电子元件的配合使用，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。参考文献1付家才.电子工程实践技术.北京：北京工业出版社，20032毕满清.电子技术实验与课程设计.北京：机械工业出版社，20013阎石.数字电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，20094丁润涛.电子工程手册.北京：机械工业出版社，1995附录1器件明细表器件明细表器件名称器件型号器件数目非门74LS041个或门74LS321个与门74LS111个74LS081个D触发器74LS742个计数器74LS1641个定时器IC5551个整流桥14B421个电容3300uf1个Iuf1个0.01uF1个电阻220Q6个5k7个560k1个434k1个开关手动开关1个三极管2N22196个稳压块LM78051个LEDLED灯6个附录2仿真电路图