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电容上的红绿灯电压 vC 按指数规律 上


  十字路口红绿灯控制系统讲解_中职中专_职业教育_教育专区。课程设计 设计题目 十字路口自动红绿灯指挥系统 学生姓名 学号 专业班级 指导教师 2015 年 7 月 30 日 目录 一、红绿灯主要指标及要求····························

  课程设计 设计题目 十字路口自动红绿灯指挥系统 学生姓名 学号 专业班级 指导教师 2015 年 7 月 30 日 目录 一、主要指标及要求····································· 1 二、方案选择··········································· 1 三、工作原理分析······································· 1 四、单元模块设计及分析································· 2 4.1 时钟信号脉冲发生器设计··························2 4.2 定时器设计······································4 4.3 延时电路设计····································5 4.4 状态转换电路设计································ 6 4.5 置数组合逻辑设计································ 7 五、总电路图··········································· 9 六、设计心得··········································· 9 七、参考文献··········································· 10 十字路口自动红绿灯指挥系统 班级: 指导老师: 学生: 学号: 一、主要指标及要求 1.自动完成绿-黄-红-绿-……工作循环; 2.每种信号灯亮的时间不等,如:绿灯亮20秒-黄灯亮5秒-红灯亮15秒, 如此循环; 3.用倒计时的方法,数字显示当前信号的剩余时间,提醒行人和司机; 4.(*) 信号灯的时间分别可调,以适应不同路口,红绿灯不同路段交通流量的 需求。 二、方案选择 三、工作原理分析 本电路分为五个模块,即时钟信号脉冲发生器、定时器、延时电路、状态转 换电路、置数组合逻辑电路。其中由 555 定时器组成的时钟信号脉冲发生器为由 两片 74LS192 计数器组成的定时器电路提供 1Hz 的脉冲信号,使计时器能够正常 计数。由三片双四选一数据选择器组成的置数组合逻辑电路分别为计数器置 1 19s、4s、14s 和 0s 等不同的数。当计数归零时,计数器的溢出信号使双 D 触发 器的状态发生跳转,同时控制着绿黄红灯的亮灭,使得绿黄红灯亮时,定时器分 别置 19s、4s、14s。延时电路起到延时作用,当计数器计数归零时,溢出信号 通过延时电路先使触发器状态发生翻转,再加载 LD 信号,使计数器置一个新数。 四、单元模块设计及分析 4.1 时钟信号脉冲发生器 时钟信号脉冲发生器选用 555 定时器主要用来产生秒脉冲信号。脉冲信号的 频率可调,所以可以采用 555 组成多谐振荡器,其输出脉冲作为下一级的时钟信 号。555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器的 电源电压范围宽,可在 5~16V 工作,负载电流可达 200mA。555 定时器成本 低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触 发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。 555 定时器构成多谐振荡器,组成信号产生电路 接通电源后,VCC 通过电阻 R1、R2 给电容 C 充电,充电时间常数为(R1+R2),电容上的电压 vC 按指数规律 上升,当上升到 VREF1=2VCC/3 时,比较器 C1 输出高电平,C2 输出低电平,RS=10, 触发器被复位,放电管 T28 导通,此时 v0 输出低电平,电容 C 开始通过 R2 放电, 放电时间常数约为 R2C,vC 下降,当下降到 VREF2=VCC/3 时,比较器 C1 输出低 电平,C2 输出高电平,RS=01,触发器被置位,放电管 T28 截止,v0 输出高电平, 电容 C 又开始充电,当 vC 上升到时 VREF1=2VCC/3,触发器又开始翻转。如此周 而复始,输出矩形脉冲。其电路原理图如下: 2 电路的振荡周期为: 振荡频率为 T ? T1 ? T 2 ? (R1 ? 2R2)C ln 2 f ? 1? 1 ? 1.43 T (R1 ? 2R2)C ln 2 (R1 ? 2R2)C 脉冲的占空比为: q ? T 1 ? R1 ? R2 T R1 ? 2R2 要 产 生 1Hz 的 脉 冲 信 号 , 选 取 电 路 参 数 R1 ? R2 ? 10k? , C1 ? 47?F , C2 ? 0.01?F ,代入公式得: f ? 1Hz,T ? 1s 。 下图是输出端 out 接示波器后的仿线 定时器 定时器选用可逆计数器 74192,置数组合逻辑为定时器提供 19、4、14 秒的 定时信号分别控制控制器状态的转换,当倒计数到零时,计数器产生的回零信号 B0 提供给双 D 触发器的 CLK 端,使触发器翻转,从而使不同颜色交通灯状态发 生跳转。计数器由两片 74192 构成,由双 D 触发器的输出 Q1Q0 决定预置时间, Q1Q0=00 时,预置时间为 19 秒,Q1Q0=01 时,预置时间为 4 秒,Q1Q0=10 时,预置 时间为 14 秒,Q1Q0 为 11 时,预置时间为 0。片 74192 控制十位数字,红绿灯第二 片 74192 控制个位数字,由于进行的是减法计数,所以 CLK 端接地,两个 LD 端 和两个 CPU 端均接高电平,低位的 CPD 端接 555 定时器的输出脉冲信号,每当上 升沿到来时,计数器记一次数;低位的 B0 端与高位的 CPD 端相连,当低位的计数 器计到零时,高位计数器开始计数。当位的 QD 计到零时,将它与 LD 端通过 一个非门相连,使 LD 端变为高电平,从而重新计数。 4 定时器选用的是 74LS192,74LS192 是同步十进制可逆计数器,它具有双时钟 输入,并具有清除和置数等功能,其引脚排列图及功能表如下: 74LS192 功能表 16 15 14 13 12 11 10 9 Vcc A R BO CO LD C D 74LS192 可逆双时钟BCD计数器 B QB QA CPD CPU QC QD GND 1 2 3 4 5 6 7 8 R LD CPU CPD 功能 H X X X 复位 L L X X 预置 L H ↑ H 加计数 L H H ↑ 减计数 192 为可预置的十进制同步加/ 减计数器, 共有54192/74192, 54LS192/74LS192 两种线路结构形式。其主要电特性的典型值如下: 192 的清除端是异步的。当清除端(LR)为高电平时,不管时钟端(CPD、CPU) 状态如何,即可完成清除功能。 192 的预置是异步的。当置入控制端(LD)为低电平时,标志牌不管时钟CP的状态 如何,输出端(Q0~Q3)即可预置成与数据输入端(A~D)相一致的状态。 192 的计数是同步的,靠CPD、CPU同时加在4 个触发器上而实现。在CPD、CPU 上升沿作用下Q0~Q3 同时变化,从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当 进行加计数或减计数时可分别利用CPD或CPU,此时另一个时钟应为高电平。 4.3 延时电路 倒计时归零后,必须先使双 D 触发器的状态发生翻转,然后才能发出 LD 信 号,使计数器重新计数,所以必须让溢出信号 B0 通过一个延时电路输出给 LD , 用可调的 RC 延时电路,既方便又简单。具体电路如下: 5 4.4 状态转换电路 由于有绿黄红三种状态,所以状态转换电路选用双 D 触发器,个触发器 的 CLK 端接时钟信号,第二个触发器的 CLK 端接个触发器的 Q 端,当上升沿 到来时,触发触发器的状态翻转一次,但双 D 触发器总共有 4 种状态:00、01、 10 和 11,其中 00、01 和 10 状态分别控制绿灯、黄灯和红灯,将 11 状态设置为 绿黄红灯全灭,且置 0 秒,状态转换表如下: 状态 灯 次态 要置的数 十位 个位 Q1 Q0 Q1* Q0* D1 C1 B1 A1 D0 C0 B0 A0 绿 G 0 0 0 1 19 0 0 0 1 1 0 0 1 黄Y 0 1 1 0 4 0 0 0 0 0 1 0 0 红 R 1 0 1 1 14 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 000 由状态转换表可设计出控制绿黄红灯亮灭的组合逻辑电路,其方程如下: G= Q1* Q0 * Y= Q1 * Q0 * R= Q1 * Q0 * 触发器次态 Q1* Q0 * 或 Q1* Q0 *通过 7408 与门芯片和 500 ? 限流电阻与分别 于红黄绿小灯相连,触发器的 Q1 Q0 端分别于置数组合逻辑的 AB 端相连,当 Q1 Q0 为 00, Q1* Q0 * 为 01 时,绿灯亮,且置 19 秒;当Q1 Q0 为 01, Q1* Q0 * 为 10 时,黄灯亮,且置 4 秒;当Q1 Q0 为 10,Q1* Q0 * 为 11 时,红灯亮,且置 14 秒; 当Q1 Q0 为 11, Q1* Q0 * 为 00 时,绿黄红灯全灭,且置 0 秒。 双 D 触发器 74LS74 及四二输入与门 7408 的芯片引脚图如下: 6 状态转换电路如下: 4.5 置数组合逻辑 置数组合逻辑选用三片双 4 选 1 数据选择器 74LS153,其中片 74LS153 的 1Y 端接高位 74LS192 的 A 端,控制十位数字;第二片 74LS153 的 1Y 和 2Y 和 第三片 74LS153 的 1Y 和 2Y 分别接低位 74LS192 的 A、B、C、D 端,控制个位数 字,三片 74LS153 的 A、B 端连在一起,并分别与两个触发器的 Q 端相连,每当 触发器的状态翻转一次,就置一个新的数,置数组合逻辑真值表如下: 状态 灯 次态 要置的数 十位 个位 Q1 Q0 Q1* Q0* D1 C1 B1 A1 D0 C0 B0 A0 绿 G 0 0 0 1 19 0 0 0 1 1 0 0 1 黄Y 0 1 1 0 4 0 0 0 0 0 1 0 0 红 R 1 0 1 1 14 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 000 7 置数组合逻辑电路图如下: 双 4 选 1 数据选择器引脚图如下: 8 五、总电路图 六、设计心得 对于此次课程设计,总的来说,我们成功了。我们小组三个人绞尽脑汁,同 心协力,共同完成了我们的课程设计。我们的设计共分设计仿真电路和实际电路 搭建两部分。 在设计仿真电路的过程中,我们采取一部分一部分的分析,查阅各种资料,标志牌 参考了许多相关书籍,可是还是遇上了不少困难,我们不仅要搞清楚各种芯片的 使用方法,还要考虑它们之间的连接能达到什么功能,为了实现仿真,我们废寝 忘食,我们通过在草稿纸上画真值表、卡诺图以及状态转换图等来将功能要求表 示清楚,更加直观方便。在后连好总电路图仿真的时候,基本功能可以实现了, 就是绿红黄按相应要求跳转后,第四个空状态不能置零,总是置成四秒,我们经 过讨论后加上了延时电路,然后电路就正常了,仿真电路就此完成。 在实际电路搭建的时候碰到的问题就更多了,由于电路连线较多,很容易连 错,再加上实验电路箱和面包板以及芯片和线路接触不良等问题,我们小心翼翼 的连好了各部分电路,将各部分分开调试,发现计数器的数码显示管总是每隔 2 倒计时计数,而且计数不稳定,我们仔细的检查了电路连线,发现没有错误,我 们就怀疑是面包板的问题,所以我们换了面包板后,计数器就正常了,但是我们 9 调试了每个模块都没有发现错误,把整个电路连起来功能总是实现不了,我们很 是焦急,曾有放弃的想法,但是我们想了一会,决定换实验箱,将总的电路重新 连了一遍,可是这一次各个模块的功能都实现不了了,我们就立刻崩溃了,眼看 好多同学已经完成了,我们还看不到黎明的曙光在哪里,顿时感觉成功已经与我 们告别了。不过我们看到剩下的同学也都没放弃,我们顿时又激起了斗志,我们 不会被击败,就算看不到希望也要坚持走下去,也许下一步我们就能看到希望的 光芒。于是我们又重新连接电路,各个模块好了,但总电路还是不行,此时我们 发现我们用的一块芯片型号与仿真的不同,我们尝试换一个,顿时电路就好了, 我们激动地热泪盈眶,几天的不懈奋斗,终于迎来了成功,那天下午验收完回去 的路上,感觉天真的好蓝,这种感觉,真好。 通过这次课程设计,我们对数字电路有了更清晰的认识,我们明白了,理论 与实际总是有差距的,在实际没有证实前,再好的理论它终究还是理论,但是我 们的收获是体验了从失望到希望的过程,标志牌坚持到底,我们总会成功,人不能 轻易言败,坚持不懈,永远抱有着希望,同时课程设计也是个需要耐心的事,心 急吃不了热豆腐,只有一步一个脚印,才能将它做好!只要你肯付出,总会有回 报。 后感谢老师们给我们的提点与指导,帮助我们走向了成功。 七、参考文献 1.罗杰、彭容主编·数字电子技术基础(第 3 版) 北京:高等教育出版社,2014 2.阎石主编·数字电子技术基础(第五版) 北京:高等教育出版社,2006 3.王冠华编著·Multisim10 电路设计及应用 北京:国防工业出版社,2008 4.林 红、周鑫霞编著· 数字电路与逻辑设计 第 2 版,清华大学出版社,2004 10
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