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1、唐 山 学 院院电子技技术课课 程 设 计计题 目 交通通信号灯灯控制电电路的设设计与仿仿真系 (部) 信息息工程系系班 级 100电气自自动化11班 姓 名 崔涛涛学 号 3100021171338指导教师师 王王蕾 成凤敏敏20122年1月2日至 1月6日 共1周20122年1月月6日目 录录1 引言言11.1设设计目的的11.2设设计背景景12 设计计原理333 总体体设计443.1 单元电电路设计计43.2 时序仿仿真结果果124 设计计总结115参考文献献16附录1 器件明明细表117附录2 仿真电电路图118课程设计说明书1 引言言1.1设设计目的的通过一个个学期的的电子技技术的学
2、学习，对对一些电电气原件件有了初初步的认认识 ，这这次的课课程设计计主要综综合了解解与运用用所学的的知识，通通过这次次课程设设计来检检查这一一学期的的学习状状况。通通过制作作来了解解交通灯灯控制系系统，了了解译码码器、计计数器、寄寄存器芯芯片的作作用。交通灯控控制系统统主要是是实现城城市交叉叉路口红红绿灯的的控制。在在现代化化的大城城市中，十十字交叉叉路口越越来越多多，在每每一个交交叉路口口都需要要有一个个准确的的时间间间隔和转转换顺序序，这就就需要一一个安全全、自动动的系统统对红、黄黄、绿的的转化进进行管理理。本次次的设计计就是基基于此目目的进行行的。设计交通通信号控控制灯要要求某方方向绿灯
3、灯点亮220秒，然然后黄灯灯点亮44秒，最最后红灯灯点亮224秒。在在该方向向为绿灯灯和黄灯灯点亮期期间，另另一方向向红灯点点亮。 如果以以4秒作作为时间间计量单单位，则则某一方方向绿、黄黄、红三三种指示示灯点亮亮的时间间比例为为5：11：6。从点亮要要求可以以看出，有有些输出出是并行行的：如如南北方方向绿灯灯亮时，东东西方向向红灯亮亮；南北北方向黄黄灯亮时时，东西西方向红红灯亮；南北方方向红灯灯亮时，东东西方向向绿灯亮亮；南北北方向红红灯亮时时，东西西方向黄黄灯亮。信信号灯采采用LEED红、绿绿、黄发发光二极极管模拟拟。夜间工作作方式南北东西西各方向向黄灯亮亮，且每每秒闪动动一次。其其它灯不
4、不亮。要要求设置置一个手手动开关关，用它它控制白白天和夜夜间工作作方式。1.2设设计背景景随着世界界范围内内城市化化和机动动化进程程的加快快，城市市交通越越来越成成为一个个全球化化的问题题。城市市交通基基础设施施供给滞滞后于高高速机动动化增长长需求，道道路堵塞塞日趋加加重，交交通事故故频繁，环环境污染染加剧等等问题普普遍存在在。目前前，全国国大中城城市普遍遍存在着着道路拥拥挤、车车辆堵塞塞、交通通秩序混混乱的现现象，交交通事故故频发，这这给人民民的生命命财产安安全带来来了极大大的损失失。如何何解决城城市交通通问题已已成为全全社会关关注的焦焦点和大大众的迫迫切呼声声。探究究城市交交通发展展中存在
5、在问题的的原因，无无论是从从宏观上上还是从从微观上上分析，其其根本原原因在于于城市交交通系统统的管理理机制不不适应。城市交通通控制系系统（UTCC ，UUrbaan TTraffficc Coontrrol Sysstemm）是现代代城市智智能交通通系统（IDJJ ，Inttellligeent traanspportt syysteem）的组成成之一，主主要用于于城市道道路交通通的控制制与管理理。城市市平交路路口实现现交通信信号控制制是城市市交通管管理现代代化的基基本标志志之一，是是提高交交通管理理效能的的重要技技术手段段。路口口信号控控制器是是控制交交叉路口口交通信信号的设设备，它它是交通
6、通信号控控制的重重要组成成部分。各各种交通通控制方方案，最最终都要要由路口口信号控控制器来来实现。为为了确保保十字路路口的行行人和车车辆顺利利、畅通通地通过过,往往往采用电电子控制制的交通通信号来来进行指指挥。伴伴随着社社会的发发展以及及人类生生活水平平的提高高,汽车车的数量量在不断断增加。Multtisiim100是一款款知名的的EDAA仿真软软件，由由加拿大大IITT、公司司于20007年年推出最最新版本本。在WWinddowss环境下下，Multtisiim100软件有有一个完完整的集集成化设设计环境境，它将将原理图图的创建建、电路路的测试试分析、结结的图表表显示等等全部集集成到同同一个
7、电电路窗口口中。在在搭建实实际电路路之前，采采用Muultiisimm10仿真真软件进进行虚拟拟测试，可可使实验验方法和和实验手手段现代代化，扩扩展实验验容量，使使实验内内容更完完备，提提高了实实验效率率，节省省大量的的实验资资源。MMulttisiim100软件进进行设计计仿真分分析的基基本步骤骤为：设设计创建建仿真电电路原理理图电路图图选项的的设置使用仿仿真仪器器设定仿仿真分析析方法启动Muultiisimm10仿仿真。因此本次次课设能能深入了了解交通通信号灯灯的应用用原理，更更好的掌掌握所学学知识，将将理论联联系实际际，而且且在实际际操作中中培养自自己的实实际动手手能力，将将理论应应用与
8、实实际生活活中。2 设计计原理设计交通通信号控控制灯要要求白天天的工作作方式如如图2-1：图2-1 信号指示灯白天点亮流程图南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1tt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 5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t夜晚的工工作方式式是：南南北东西西各方向向黄灯亮亮，且每每秒闪动动一次，其其他灯不不亮，因因此总的的设计框框图如图图2-22：东西信号灯南北信号灯组合逻辑电路十二进制计数器四分频器秒脉冲产生电路系统电源工作方式控制开关图2-2 整体电路设计框图根据交通通灯的
9、性性能要求求以及整整体电路路图，设设计本次次课程设设计的交交通灯电电路。3 总体体设计3.1 单元电电路设计计3.1.1 秒秒脉冲产产生电路路由于黄灯灯点亮时时按秒闪闪动以及及时间显显示按秒秒倒计时时，所以以需要设设计秒脉脉冲产生生电路。秒秒脉冲产产生电路路实际就就是一个个多谐振振荡电路路，它可可以是用用门电路路和电阻阻、电容容组成的的多谐振振荡电路路，也可可以是用用定时器器5555和电阻阻、电容容组成的的多谐振振荡器。为为了电路路简单和和调节振振荡周期期方便，选选择用5555定定时器组组成多谐谐振荡器器。5555定时时器原理理及内部部结构如如图3-1(aa)和(b)所所示。(b)(a)图3-
10、1 555定时器原理及内部结构振荡周期期与频率率的计算算公式为为：T=(R11+2RR2)Clln2=0.77(R11+2RR2)C,电电源电压压为Vcc=55V，其其中电路路图中CC2的作用用是防止止电磁干干扰对振振荡电路路的影响响，一般般选用00.011F的瓷片片电容。再再次课程程设计中中要求输输出T=1S，选选取电容容为C=1FF，R1=360kk，根根据振荡荡周期计计算，选选择电阻阻R2=5660k。当元件件选取完完成后，根根据电路路原理图图连接电电路（如图3-2所示示）既可。在Mulltissim中中进行仿仿如图33-3：图3-2 仿真信号电路原理图U2LM555CMGND1DIS7
11、OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2R1360R2560C21uFC310nFXSC1ABExt Trig+_+_1图3-33 5555多谐谐振荡器器仿真图图经计算可可得：TT=1.0366S，这与与要求相相符。3.1.2十二二进制计计数器由信号灯灯白天点点亮流程程图可以以得知，任任何方向向的信号号灯的一一个工作作循环为为十二进进制（绿绿、黄、红红时间比比例为55：1：6），因因此需要要设计十十二进制制计数器器，循环环工作控控制白天天信号灯灯的点亮亮。因此此，用移移位寄存存器组成成十二进进制计数数器，拟拟选用88位串入入并出移移位寄存存器744LS1164。用74LLS1664组成
12、成的122进制扭扭环型计计数器电电路 ，其其电路图图如图3-4所示。图3-4 74LS164电路图3.1.3分频频器电路路的设计计上述十二二进制计计数器的的时间单单位为44秒，即即它的CCP脉冲冲为4秒秒。为了了使整体体电路工工作步调调一致，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分频后得到4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。74LSS74是是内有两两个D触发器器的TTTL集成成电路，将将每一触触发器接接成触发发器，两两级串联联就实现现4分频，即即输入11S脉冲冲，输出出4S脉冲冲。在Mulltissim中
13、中四分频频的电路路原理图图3-5所示，44分频电电路输出出波形如如图3-6所示示：图3-5 四分频的电路原理图 图3-6 4分频器电路的输出波形从图中可可以看出出由5555定时时器组成成的多谐振振荡器将将1S脉冲冲输送给给2分频频D触发器器，两级级串联就就实现44分频，即即输入11S脉冲冲，输出出4S脉冲冲。由示示波器得得T=44.0995S，这这与要求求相符。3.1.4直流流稳压电电源信号灯采采用三极极管90031驱驱动，其其额定电电流与额额定电压压应满足足三级管管的驱动动能力，直直流稳压压电源的的任务是是为整体体电路提提供直流流电源。故故稳压电电源电路路的输出出电压值值和输出出电流值值应满
14、足足整体电电路的需需要。电电源电压压采用直直流5VV，通过过变压器器将室电电降压到到交流99V，在在通过整整流桥整整流滤波波和稳压压块78805得得到直流流5V电压压。直流稳压压电源的的设计电电路如图图3-7所示。图3-7 直流稳压电源原理图1mF在Mulltissim中中进行仿仿真如图图3-88：T1D13N2501243C31mFU18LM7805CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEV1220 Vrms 50 Hz 0 XMM1XMM2图3-8 直流稳压电源的仿真图如图3-8所示通过过变压器器将市电电降压到到交流99.1335V，在通通过整流流桥整流流滤波和和稳压块块78005得
15、到到直流44.9779V电压，在在允许范范围与要要求相符符。3.1.5 信信号灯驱驱动电路路的设计计本次课程程设计选选择使用用基本共共射放大大电路对对发光二二极管进进行驱动动，使其其点亮。其其设计电电路如图图3-99所示：图3-9 发光二极管进行驱动电路对此基本本共射放放大电路路进行设设计几参参数的选选择：电源电压压：VCCC=55V；集电极直直流负载载电阻RRc的计算算与确定定：电路路的直流流输出回回路电压压方程为为：UCCE=VVCC-IICR1，发光光二极管管的驱动动电压大大概是00.7VV左右，一般发光管的驱动电流取，大功率白光二极管可以到300mA（1W）600mA（2A)。此次课设
16、所用的二极管电流为10mA20mA，则选取UCE=0.4V，根据电路的直流输出回路电压方程计算得：R1=260，其功率：WRc=R1URc=5.2mW则选取R1=260的电阻即可。RB的阻阻值计算算与确定定：IBBQ=IICQ/=200/800=0.25mmA，确确定RBVCCC/IBQQ=5kk为统统一选取取，则RRB取R1=5kk电阻。3.1.6白天夜夜间模式式切换的的设计为了使实实验在一一次课时时间内完完成，本本设计中中白天与与夜间的的转换开开关为手手动开关关。在实实际应用用中可以以设计自自动转换换开关。用光敏电电阻或光光敏二极极管、光光敏三极极管组成成光亮度度检测电电路，光光亮度检检测
17、电路路检测的的电信号号送入滞滞回电压压比较器器，滞回回电压比比较器根根据光亮亮度输出出高低电电平信号号，这个个信号经经延时电电路后（可可用单稳稳态电路路实现），作作为白天天与夜间间的自动动转换开开关。这这样当天天黑以后后经一段段延时，系系统自动动转成夜夜间工作作方式。第第二天天天量后经经一段延延时，系系统自动动转换成成白天工工作方式式。在本本次课程程设计中中选择使使用手动动切换白白天与夜夜晚模式式的选择择。由经过修修改之后后的组合合逻辑电电路输出出与输入入的表达达式可以以看出，白白天与夜夜间模式式的转换换由744LS1164的的RD引脚控控制。当当RD=1时为为白天工工作模式式，RD=1时为为
18、夜晚工工作模式式。根据此次次电路设设计要求求，以上上为所有有基本电电路的单单元电路路的详细细设计。3.1.7交通通灯逻辑辑控制电电路逻辑控制制电路是是本设计计的核心心电路，由由它控制制交通信信号灯按按要求方方式点亮亮(一般般经驱动动电路去去控制信信号灯)。根据据白天信信号灯的的点亮要要求，将将时序逻逻辑电路路的输出出作为组组合逻辑辑电路的的输入，而而组合逻逻辑电路路的输出出给信号号灯的驱驱动电路路。夜晚晚工作方方式也需需要组合合逻辑电电路的功功能以及及秒脉冲冲通过与与门实现现.组合合逻辑电电路真值值表如表表3-11所示。表3-1 组合逻辑电路真值表计数器输输出南北信号号东西信号号QA01111
19、11000000QB0011111100000QC0001111110000QD0000111111000QE0000011111100QF0000001111110NSG1111100000001NSY0000010000000NSR0000001111110EWG0000001111100EWY0000000000010EWR1111110000001根据上图图真值表表写出组组合逻辑辑电路输输出与输输入的表表达式，经经化简得得：由上述表表达式可可以看出出，组合合逻辑电电路用到到两个非非门，四四个两输输入与门门。因此此非门选选用TTTL集成成门744LS004，与与门选用用TTLL集成门门7
20、4LLS088。当然，以以上仅是是考虑白白天工作作方式时时的情况况。下面面将介绍绍白天和和夜间综综合考虑虑的情况况，综合合考虑后后，表达达式需要要修改，则则门电路路也需要要作响应应的修改改。黄灯点亮亮的按秒秒闪动，将将在下面面考虑。白天和夜夜间综合合考虑组组合逻辑辑电路表表达式和和门电路路的修改改按设计要要求，夜夜间仅有有南北和和东西方方向的黄黄灯点亮亮，而其其它灯熄熄灭。为为此，在在夜间应应使744LS1164停停止循环环工作，即即通过开开关将774LSS1644的接地地，使774LSS1644的所有有Q端全全部清零零。白天天为高电电平，774LSS1644循环工工作。由74LLS1664
21、组组成的112进制制计数器器电路中中的开关关就是白白天、夜夜间控制制开关。在夜间由由于使所所有的774LSS1644的Q端端清零，因因此会出出现以下下问题：(1)，由由于夜间间Q端均为为低电平平，则NNSG为为高电平平，即南南北绿灯灯点亮，显显然这是是不允许许的，所所以NSSG的表表达式需需要修改改；(2)，由由于夜间间Q端均为为低电平平，则EEWR为为高电平平，即东东西红灯灯点亮，显显然这是是不允许许的，所所以EWWR的表表达式需需要修改改；(3)由由于夜间间、均为低低电平时时，则NNSY、EWYY为低电电平，即即南北和和东西方方向的黄黄灯不能能点亮，显显然这是是不允许许的，所所以NSSY、
22、EWYY的表达达式需要要修改。上述三个个问题不不符合信信号灯的的点亮要要求。解解决办法法如下：(1)在在夜间由由于,将将原两输输入与门门改为三三输入与与门。那那么在夜夜间由于于，则，即即夜间南南北绿灯灯不点亮亮；在白白天由于于，则即南南北绿灯灯按白天天工作方方式点亮亮(2)在在夜间由由于,的解决决方法：令，即即将EWWR与之之间的连连线改为为额两输输入的与与门。那那么，在在夜间由由于，则则，即夜夜间东西西红灯不不亮；而而在白天天，则，即即东西方方向红灯灯按白天天工作方方式点亮亮。虽然，在在夜间由由于，则则，即南南北红灯灯不亮。但但为了对对称也将将其修改改为。(3)在在夜间由由于，使使均为0的解
23、决决方法：使，即将将原来德德两输入入与门改改为在与与门之后后增加一一级两输输入或门门，另一一个输出出端为原原来两输输入与门门的输出出(的输输出或的的输出)。那么么在夜间间由于，则则，即南南北和东东西方向向的黄灯灯点亮；而在白白天由于于，则，各方方向的灯灯按白天天工作方方式点亮亮。经过修改改之后的的组合逻逻辑电路路输出与与输入的的表达式式为：在此次逻逻辑电路路的设计计过程中中用到的的芯片有有：744LS004，774LSS08，774LSS32，774LSS11。74LSS04为为六组输输入与门门；744LS008为四四组二输输入与门门；744LS332为四四组二输输入或门门；744LS111为
24、三三组三输输入或门门。各个个芯片的的驱动电电压均为为+5VV。根据各芯芯片外部部引脚不不，选择择合适位位置的引引脚，连连接电路路。其逻逻辑控制制原理电电路如图图3-110所示示：NSRNSGNSY图3-10 逻辑控制原理图3.2 时序仿仿真结果果1 白天天工作方方式交通灯从从点亮要要求可以以看出，有有些输出出是并行行的：如如南北方方向绿灯灯亮时，东东西方向向红灯亮亮；南北北方向黄黄灯亮时时，东西西方向红红灯亮；南北方方向红灯灯亮时，东东西方向向绿灯亮亮；南北北方向红红灯亮时时，东西西方向黄黄灯亮。信信号灯采采用LEED红、绿绿、黄发发光二极极管模拟拟如图3-11所所示。R3220R4220R5
25、220R6220R7220R8220EWGEWYEWRNSGNSYNSRQ1Q2Q3Q4Q5Q6R95kR105kR115kR125kR135kR145kU3A74LS11N&U4A74LS11N&U5A74LS08N&U6A74LS08N&U7A74LS08N&U8A74LS08N&图3-11东西方向红灯亮南北方向绿灯亮南北方向向绿灯点点亮200秒后黄黄灯点亮亮，如图图3-112所示示：R3220R4220R5220R6220R7220R8220EWGEWYEWRNSGNSYNSRQ1Q2Q3Q4Q5Q6R95kR105kR115kR125kR135kR145kU3A74LS11N&U4A7
26、4LS11N&U5A74LS08N&U6A74LS08N&U7A74LS08N&U8A74LS08N&图3-12东西方向红灯亮南北方向黄灯亮南北方向向黄灯点点亮4秒秒后，红红灯亮。东东西方向向红灯灭灭，绿灯灯亮。如如图3-13所所示：R3220R4220R5220R6220R7220R8220EWGEWYEWRNSGNSYNSRQ1Q2Q3Q4Q5Q6R95kR105kR115kR125kR135kR145kU3A74LS11N&U4A74LS11N&U5A74LS08N&U6A74LS08N&U7A74LS08N&U8A74LS08N&图3-13东西方向绿灯亮南北方向红灯亮东西方向向绿灯点点
27、亮200秒后黄黄灯点亮亮，如图图3-114所示示：R3220R4220R5220R6220R7220R8220EWGEWYEWRNSGNSYNSRQ1Q2Q3Q4Q5Q6R95kR105kR115kR125kR135kR145kU3A74LS11N&U4A74LS11N&U5A74LS08N&U6A74LS08N&U7A74LS08N&U8A74LS08N&图3-14东西方向黄灯亮南北方向红灯亮2 夜间间工作方方式南北东西西各方向向黄灯亮亮，且每每秒闪动动一次，其其它灯不不亮，如如图3-15。设设置一个个手动开开关，用用它控制制白天和和夜间工工作方式式。R3220R4220R5220R6220
28、R7220R8220EWGEWYEWRNSGNSYNSRQ1Q2Q3Q4Q5Q6R95kR105kR115kR125kR135kR145kU3A74LS11N&U4A74LS11N&U5A74LS08N&U6A74LS08N&U7A74LS08N&U8A74LS08N&图3-15交通灯夜晚工作图4 设计计总结一周的课课程设计计结束了了，这次次课程设设计不仅仅检验了了我所学学习的知知识，也也使得我我学会如如何严谨谨的做出出电路。在在设计过过程中，与与同学分分工设计计，和同同学们相相互探讨讨，相互互学习，我我更是从从中学会会了合作作，最终终成功的的完成了了课程设设计。开开始设计计电路时时，由于于对
29、各种种元件的的不熟悉悉，致使使实验结结果与要要求结果果不同，通通过整体体的检查查和局部部电路线线的整改改，最终终使得结结果与课课程要求求相同。虽虽然这只只是一个个简单的的课程设设计，但但是通过过这个课课设我们们体会到到了亲自自设计电电路的过过程，也也切实了了解到了了设计中中应当注注意的问问题。最最重要的的是在自自己动手手设计电电路，设设计的思思想、过过程、各各设计环环节以及及电路中中各个部部分的实实现过程程，我们们都能比比较深入入的了解解到。我我们学习习电子技技术，只只是学习习的一些些理论的的东西，通通过这次次课设使使得理论论和实际际有了联联系，更更明确是是了以后后的学习习目标。课课程设计计是
30、我们们专业课课程知识识综合应应用的实实践训练练，这是是我们迈迈向社会会，从事事职业工工作前一一个必不不少的过过程自自己的亲亲身设计计，使我我在多方方面都有有所提高高。通过过这次课课程设计计，综合合运用本本专业所所学课程程的理论论和生产产实际知知识进行行一次红红绿灯设设计工作作的实际际训练从从而培养养和提高高学生独独立工作作能力，巩巩固与扩扩充了数数字电子子课程所所学的内内容，掌掌握各种种基本的的电子元元件的配配合使用用，熟悉悉了规范范和标准准，同时时各科相相关的课课程都有有了全面面的复习习，独立立思考的的能力也也有了提提高。参考文献献1 付家才才电子子工程实实践技术术北京京：北京京工业出出版社
31、，20032 毕满清清电子子技术实实验与课课程设计计北京京：机械械工业出出版社，20013阎阎石数数字电子子技术基基础（第第五版）北京：高等教教育出版版社，2200994 丁润涛涛电子子工程手手册北北京：机机械工业业出版社社，19995附录1 器件明明细表器件明细细表器件名称称器件型号号器件数目目非门74LSS041个或门74LSS321个与门74LSS111个74LSS081个D触发器器74LSS742个计数器74LSS16441个定时器IC55551个整流桥14B4421个电容33000uf1个1uf1个0.011uF1个电阻220 6个5 k7个560 k1个434 k1个开关手动开关关
32、1个三极管2N222196个稳压块LM788051个LEDLED灯灯6个附录2 仿真电电路图U174LS164D&QA3QB4QC5QD6A1B2CLK8QE10QF11QG12QH13CLR9J1Key = A R15kU2A74LS74D1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4U3B74LS74D1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4U4A74LS04DU5B74LS04DU6C74LS04DU7A74LS08D&U7B74LS08D&U8A74LS32D=1U9B74LS32D=1U10A74LS11D&U10B74LS11D&U11A74LS08D&U12B74LS08D&U13B74LS08D&U14C74LS08D&Q12N2219Q22N2219Q32N2219Q42N2219Q52N2219Q62N2219R25kR35kR45kR55kR65kR75kLED1LED3LED4LED5LED6R8220R9220R10220R11220R12220R13220A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIR14480k?R15480k?C11uFC210nFLED2V1220 Vrms 50 Hz 0 T1D11B4B421243C31mFU15LM7805CT25