交通信號燈控制電路的設(shè)計與仿真分析研究電氣工程及其自動化專業(yè)

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1、 一、設(shè)計題目、內(nèi)容及要求 設(shè)計題目：交通信號燈控制電路的設(shè)計與仿真 設(shè)計內(nèi)容：1.信號燈白天工作要求 某方向綠燈點亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。 如果以4秒作為時間計量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點亮的時間比例為5：1：6。 從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。信號燈采用LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。 2.夜間工作方式 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次。其它燈不

2、亮。要求設(shè)置一個手動開關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。 設(shè)計要求： （1）要求根據(jù)設(shè)計要求實現(xiàn)交通燈的現(xiàn)實功能； （2）用Multisim進行仿真 （3）最后要有設(shè)計說明書； 二、設(shè)計原始資料 Multisim仿真軟件、芯片資料 三、要求的設(shè)計成果（課程設(shè)計說明書、設(shè)計實物、圖紙等） 課程設(shè)計說明書、仿真結(jié)果 四、進程安排 周1 講解整個設(shè)計要實現(xiàn)的功能，查閱相關(guān)資料，畫出整體電路， 周2、3進行仿真并調(diào)試； 周4 撰寫課程設(shè)計任務(wù)書 周5 課程設(shè)計答辯并交設(shè)計說明書 五、主要參考資料 [1] 付家才．電子工程實踐技術(shù)．北京：北京工業(yè)出版社，2003 [2]

3、畢滿清．電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計．北京：機械工業(yè)出版社，2001 [3] 閻石主編．數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）．北京：高等教育出版社，2009 [4] 丁潤濤主編．電子工程手冊．北京：機械工業(yè)出版社，1995 指導(dǎo)教師（簽名）： 教研室主任（簽名）： 課程設(shè)計成績評定表 出勤 情況 出勤天數(shù) 缺勤天數(shù) 成 績 評 定 出勤情況及設(shè)計過程表現(xiàn)（20分） 課設(shè)答辯（20分） 設(shè)計成果（60分） 總成績（100分） 提問 （答辯） 問題 情況 綜 合 評 定

4、 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 目 錄 1 引言 1 1.1設(shè)計目的 1 1.2設(shè)計的背景 1 2 MULTISIM的簡介 2 3 設(shè)計的思路 3 4設(shè)計的各個模塊 4 4.1 4分頻器模塊 4 4.2 計數(shù)器與信號燈模塊 5 4.3 555定時器模塊 6 4.4 直流電源模塊 7 5整體模塊 10 5.1 簡單概述 10 5.2 時序仿真結(jié)果 10 6課程總結(jié) 13 參考文獻 14 附錄1 15 附錄2 16

5、 1 引言 1.1設(shè)計目的 通過本次設(shè)計，加深對數(shù)字電子技術(shù)課程的全面認識、復(fù)習(xí)和掌握，對數(shù)字電子技術(shù)的應(yīng)用進一步的了解。 1.2設(shè)計的背景 現(xiàn)在城市人們?nèi)粘３鲂卸忌俨涣擞龅绞致房?，要想確保十字路口交通正常運行，必須要有命令統(tǒng)一指揮，以前是交警值班進行指揮，這樣不僅浪費人力資源，不利于自動化控制，而且遇到嚴寒酷暑天氣，對交警的身體素質(zhì)是一個很大的挑戰(zhàn)。而如果有一個能自動控制的裝置，則節(jié)省了人力而且避免了惡劣天氣對人身的危害，且控制的時間更加準確化，于是，交通燈便是一個很好的設(shè)計。 一個好的交通信號燈非常重要，不僅要求工作穩(wěn)定，還要求工作合理。例如：信號燈紅黃綠燈的亮滅時間要合理

6、，否則有可能會造成交通擁堵。 設(shè)計的交通燈應(yīng)滿足以下兩個要求： 1 信號燈白天工作要求： 某方向綠燈點亮20秒，然后黃燈點亮4秒，最后紅燈點亮24秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。 如果以4秒作為時間計量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點亮的時間比例為5：1：6。 從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。信號燈采用LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。 2 夜間工作方式 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次。其它燈不亮。要求設(shè)置一

7、個手動開關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。 2 Multisim的簡介 EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)是一門以計算機為工作平臺進行電子產(chǎn)品自動化設(shè)計的技術(shù)，利用EDA工具，大量工作可以通過計算機完成，并可以將電子產(chǎn)品從電路設(shè)計、性能分析到設(shè)計出PCB版圖的整個過程在計算機上自動完成。EDA的軟件很多，其中Multisim是目前最為流行的電路仿真軟件，是廣大專業(yè)及業(yè)余電路設(shè)計人員及在校大學(xué)生設(shè)計電路的得力工具。 Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形

8、輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。 Multisim 10通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計電路;通過交互式SPICE仿真，迅速了解電路行為；借助高級電路分析, 理解基本設(shè)計特征；通過一個工具鏈

9、，無縫地集成電路設(shè)計和虛擬測試；通過改進、整合設(shè)計流程, 減少建模錯誤并縮短上市時間。 NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進行設(shè)計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。 3 設(shè)

10、計的思路 作為一個實際的應(yīng)用系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源是必不可少的。本次課設(shè)設(shè)計的交通信號燈控制電路需要使用穩(wěn)定的5V直流穩(wěn)壓電源來驅(qū)動各芯片使電路其正常工作。因此需要設(shè)計輸出為5V的直流穩(wěn)壓電源。 設(shè)計的交通信號燈要求的工作方式為： 1 白天工作方式： (1) 南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮共5t； (2) 南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮共1t； (3) 南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮共5t； (4) 南北方向紅燈亮，東西方向黃燈亮共1t； (5) 上述過程依次循環(huán)。 2 夜間工作方式為：黃燈每秒閃爍一次，其它燈全熄滅。 總的設(shè)計思路為：信號燈由組合邏輯電路控制，由于白天燈亮?xí)r間之

11、比為：黃：綠：紅=6:5:1，因此組合邏輯電路應(yīng)由十二進制器輸入脈沖； 十二進制器的時間單位為4秒，為保證其工作步調(diào)一致，需要由1秒脈沖經(jīng)一個4分頻器得到4秒脈沖，因此需要設(shè)計一個4分頻器； 由于有白天和夜間模式之分，因此，在分頻器輸入組合邏輯電路之前要有一個工作方式控制開關(guān)來進行白天與夜間工作方式切換； 為簡單起見，秒脈沖應(yīng)由555定時器和電阻、電容連接成的多諧振蕩器產(chǎn)生； 另外，整個電路需要的電源為5V直流穩(wěn)壓電源，應(yīng)由室電220V交流電經(jīng)變壓器變?yōu)?V交流電，再經(jīng)過橋式整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓器穩(wěn)壓等過程，最后得到5V直流穩(wěn)壓電源。 從點亮要求可以看出，有些輸出是并行

12、的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。因此采用組合邏輯設(shè)計。組合邏輯電路：將十二進制計數(shù)器作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出去驅(qū)動?xùn)|西和南北兩個方向的信號燈的點亮。 4設(shè)計的各個模塊 4.1 4分頻器模塊 十二進制計數(shù)器的時間單位為4秒，即它的CP脈沖為4秒。為了使整體電路工作步調(diào)一致，4秒脈沖應(yīng)該利用秒脈沖經(jīng)分頻獲得，這就需要設(shè)計一個4分頻器電路。秒脈沖經(jīng)4分頻后得到4秒脈沖，將其作為十二進制計數(shù)器的CP脈沖。采用兩個D觸發(fā)器組成4分頻器

13、電路。 電路圖及其仿真時輸入分頻器前后波形對比： 圖4-1 4分頻器連接圖 圖4-2 經(jīng)4分頻器后脈沖波形對比 通過示波器可以看出，當輸入脈沖為1S時，經(jīng)4分頻器后輸出脈沖變?yōu)?S， 其經(jīng)4分頻器前后脈沖高低電平對比表如表4-1： 表4-1 經(jīng)4分頻器前后脈沖高低電平對比表 Cp1 Q2 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 4.2 計數(shù)器與信號燈模塊 十二進制計數(shù)器: 計數(shù)器可以用觸發(fā)器組成，也可以用中規(guī)模集成計數(shù)器組成，以及用移位寄存器組成環(huán)形或扭環(huán)形計數(shù)器。建議用中規(guī)模移位寄存器組成扭環(huán)形12進制計數(shù)器

14、。 表4-2 74LS164芯片真值表 RD′ CP A B QA QB QC QD QE QF QG QH L × × × L L L L L L L L H L × × QA0 QB0 QC0 QD0 QE0 QF0 QG0 QH0 H ↑ H H H QAn QBn QCn QDn QEn QFn QGn H ↑ L × L QAn QBn QCn QDn QEn QFn QGn H ↑ × L L QAn QBn QCn QDn QEn QF

15、n QGn 由信號燈白天點亮流程圖可以得知，任何方向的信號燈的一個工作循環(huán)為十二進制（綠、黃、紅時間比例為5：1：6），因此需要設(shè)計十二進制計數(shù)器，循環(huán)工作控制白天信號燈的點亮。因此，用移位寄存器組成十二進制計數(shù)器，擬選用8位串入并出移位寄存器74LS164。 電阻的選取：集電極直流負載電阻的計算與確定：發(fā)光二極管的驅(qū)動電流為10mA ～20mA，發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓大概是1.7V左右，其截止時不工作，正常工作時處于飽和狀態(tài)，由于UCES=0.3V可忽略，Rc=(Vcc-1.7)*1000/（3～20） ，即Rc為165Ω～1100Ω，可取Rc=220Ω，此時它的驅(qū)動電流為15mA。

16、因此R1=220Ω。 發(fā)光二極管飽和時UCE=0.7V,iBS≈15/100=0.15 mA,因為iB>iBS,可取iB=1mA。高電平時，RB=5kΩ。因此R2=5kΩ。 經(jīng)仿真后的白天模式下紅黃綠燈的波形及分頻器的輸出波形圖為見圖4-3。 由波形圖可知，同一個方向上紅黃綠三個燈中只能有且只有一個是高電平，即在同一個時刻，三個燈中只能有且只有一個燈是亮的，另外兩個必須熄滅。這種情況與實際情況相符合，如果三個燈中有不止一個燈亮，則勢必造成交通的混亂；如果一個都不亮， 圖4-3 白天模式下的某方向紅黃綠燈波形及分頻器的輸出波形 車輛各行其是，也必然容易引發(fā)交通事故。 夜間模式即開關(guān)

17、閉合后，晚上停止白天紅黃綠三燈工作方式，但為了提醒司機到了十字路口，于是用黃燈閃爍的方式作為夜間模式，而紅黃燈都停止工作。夜間模式如圖4-4： 圖4-4 夜間模式下的某方向紅黃綠燈波形及分頻器的輸出波形 以上兩個圖的電路圖見圖4-5。 4.3 555定時器模塊 由于黃燈點亮?xí)r按秒閃動以及時間顯示按秒倒計時，所以需要設(shè)計秒脈沖產(chǎn)生電路。秒脈沖產(chǎn)生電路實際就是一個多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電容組成 的多諧振蕩電路，也可以是用定時器555和電阻、電容組成的多諧振蕩器。為了電路簡單和調(diào)節(jié)振蕩周期方便，采用555定時器組成多諧振蕩器。 圖4-5 電路原理圖 振蕩周期與頻

18、率的計算公式：T=(R1+2R2).CIn2=0.7(R1+2R2)C電源電壓Vcc=+5V,電路圖中C2的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響一般選用0.01μF的瓷片電容。課程設(shè)計中要求T=1S,選取電容C1=1μF，經(jīng)計算選擇R1=560K?，R2=434.285 K?，原件選取完成后，根據(jù)電路圖連接線路。 圖4-6 555定時器芯片 555定時器電路連接圖見圖4-7。 555定時器直接輸出為500mV，通過一個運算放大器將電壓放大10倍，輸出5V 仿真結(jié)果輸出波形見圖4-8。 4.4 直流電源模塊 作為一個實際的應(yīng)用系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源是必不可少的。本次課設(shè)設(shè)計的交通信號燈控制電

19、路需要使用穩(wěn)定的5V直流穩(wěn)壓電源來驅(qū)動各芯片使電路其正常工作。因此需要設(shè)計輸出為5V的直流穩(wěn)壓電源。78系列和79系列三端線性集成穩(wěn)壓器為輸出固定電壓的集成穩(wěn)壓器。78系列輸出正電壓，79系列輸出負電壓。它們輸出的固定電壓標稱值分別為:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V。如7805輸出電壓為5V，7806輸出電壓為6V，…7824輸出電壓為24V。79系列輸出電壓與此類同。輸出電流檔次由78（79）與輸出電壓檔次之間的英文字母決定：L(0.1A)、M(0.5A)、空（1.5A）、T(3A)、H（5A）、P(10A)。 圖4-7 多諧振蕩器連接電路圖 圖4-8 秒脈沖波形圖

20、 根據(jù)電源的負載電流，折算成值，利用有關(guān)公式選擇濾波電容的容量。其耐壓應(yīng)高于變壓器次級電壓峰值2倍以上。 根據(jù)負載電流，選擇整流二極管，要求二極管最大整流電流大于負載電流的2倍以上。其耐壓應(yīng)大于變壓器次級電壓峰值的2倍以上。 變壓器的功率應(yīng)大于系統(tǒng)功率2倍以上，次級輸出電壓有效值根據(jù)橋式整流電容濾波輸出電壓為，而這個值應(yīng)大于穩(wěn)壓輸出電壓值的，從而選定變壓器次級電壓的有效值。而整流濾波的輸出為，本系統(tǒng)采用8299整流橋。變壓器選擇即可。 因此直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管（或整流橋）整流、電容濾波、集成穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓四部分。 圖4-9 直流電源電路穩(wěn)壓電路圖 采用Multisim軟

21、件進行仿真如圖： 圖4-10 變壓器副邊電壓 圖4-11 輸出電壓 5整體模塊 5.1 簡單概述 作為一個實際的應(yīng)用系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源是必不可少的。本次課設(shè)設(shè)計的交通信號燈控制電路需要使用穩(wěn)定的5V直流穩(wěn)壓電源來驅(qū)動各芯片使電路其正常工作。因此需要設(shè)計輸出為5V的直流穩(wěn)壓電源。 邏輯控制電路是本設(shè)計的核心電路，由它控制交通信號燈按要求方式點亮(一般經(jīng)驅(qū)動電路去控制信號燈)。根據(jù)白天信號燈的點亮要求，將時序邏輯電路的輸出作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出給信號燈的驅(qū)動電路。夜晚工作方式也需要組合邏輯電路的功能以及秒脈沖通過與門實現(xiàn)。 整體電路圖見

22、附錄2。 信號燈白天工作方式見表5-1： 表5-1白天模式燈的亮滅情況 時間 南北燈亮 東西燈亮 0—20s 紅 綠 21—24s 紅 黃 24—44s 綠 紅 44—48s 黃 紅 以上燈的變化情況依次循環(huán)。 夜間模式（開關(guān)閉合后）燈的工作方式見表5-2。 兩個方向都是黃燈每秒閃爍一次，其它燈均滅。 表5-2 夜間模式燈的亮滅情況 時間 南北燈亮 東西燈亮 1s 黃 黃 2s 黃 黃 3s 黃 黃 4s 黃 黃 以上燈的變化情況依次循環(huán)，與理論結(jié)果一致。 5.2 時序仿真結(jié)果 1 白天工作方式 交通燈從點亮要

23、求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。信號燈采用LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。 圖5-1 東西方向紅燈亮南北方向綠燈亮 圖5-2 東西方向紅燈亮南北方向黃燈亮 圖5-3 東西方向綠燈亮南北方向紅燈亮 圖5-4 東西方向黃燈亮南北方向綠燈亮 2 夜間工作方式 南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動一次，其它燈不亮，如圖4-6。設(shè)置一個手動開關(guān)，用它控制白天和夜間工作方式。 圖5-5 交通燈夜晚工作圖

24、6課程總結(jié) 一周的課程設(shè)計就要結(jié)束了，通過這次課程設(shè)計，我學(xué)到的最重要的東西就是對于這種工程量比較大的任務(wù)，一定要學(xué)會采取先分模塊實現(xiàn)的思想。開始的時候沒有采用這種方法，結(jié)果導(dǎo)致當想要的結(jié)果出不來時根本不知道是哪出的錯，想要修改電路根本無從下手，最后還是重新繪制，而且是先分塊后整體才把結(jié)果做了出來。因此，分塊思想應(yīng)在以后其它類似的設(shè)計中著重注意應(yīng)用。這次數(shù)電的課程設(shè)計，運用了許多數(shù)字電路和模擬電路的知識，通過這次設(shè)計，不僅對以前學(xué)過的許多理論知識很好的復(fù)習(xí)了一遍，而且還明白了許多知識的具體應(yīng)用，理論與實際算是得到了一次比較小的結(jié)合，對數(shù)電模電整體認識又有了一次質(zhì)的提升。從本次課設(shè)中我還學(xué)到了

25、做事必須嚴謹?shù)牡木瘢绕涫俏覀儗W(xué)工科的同學(xué)，不嚴謹結(jié)果就要有很大的偏差，就得不到想要的結(jié)果。 在課設(shè)中還學(xué)會了Multisim軟件的安裝、調(diào)試、以及一些簡單的應(yīng)用，當然也出現(xiàn)了一些問題，但是經(jīng)過分析，將問題解決后的感覺也是很好的。 還有就是在課設(shè)中學(xué)會了又問題請教別人與一起討論，因為以后很多東西的工程量都是很大的，單靠個人力量是不可能實現(xiàn)的，這就要求我們必須學(xué)會具有團隊精神，一定要學(xué)會和別人合作，因為很多困擾你的問題在集體力量面前會迎刃而解。 總之，通過這次數(shù)字電子技術(shù)的課程設(shè)計，我覺得自己學(xué)會了很多東西，進步很大，真的是受益匪淺，而且更重要的不是學(xué)會了哪些東西，而是學(xué)習(xí)的方法和設(shè)計的

26、一些思想，真的很感謝這次課設(shè)。 還有很重要的一點，就是要按老師的要求與指導(dǎo)來做，老師的角色是非常重要的。 我相信通過這次課程設(shè)計，我學(xué)到的東西絕對不是只在課本上能學(xué)到的，有很多東西，尤其是實踐性質(zhì)的，不能僅靠理論，實踐是非常必要的，理論與實踐相結(jié)合，才能得到真理。這次中遇到了前所未有的問題，可以說是困難重重，把我快逼到了崩潰的邊緣，但功夫不負有心人，到最后，還是把這些問題都一一解決了。在就要完成這次設(shè)計的此刻，心情是萬分激動的，因為這是我的努力成果。 我一定以這次課設(shè)為借鑒，今后做任何事情都要有這種做課設(shè)的精神。 參考文獻 [1] 付家才．

27、電子工程實踐技術(shù)．北京：北京工業(yè)出版社，2003 [2] 畢滿清．電子技術(shù)實驗與課程設(shè)計．北京：機械工業(yè)出版社，2001 [3] 閻石主編．數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）．北京：高等教育出版社，2009 [4] 丁潤濤主編．電子工程手冊．北京：機械工業(yè)出版社，1995 [5] 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第五版）. 北京：高等教育出版社，2006 附錄1 器件明細表 器件名稱 器件型號 器件數(shù)目 非門 74LS04 1個 或門 74LS32

28、 1個 與門 74LS11 1個 74LS08 2個 D觸發(fā)器 74LS74 1個 計數(shù)器 74LS164 1個 定時器 IC555 1個 整流橋 14B42 1個 電容 3300μF 1個 1μF 1個 0.01μF 1個 電阻 220Ω 6個 5kΩ 7個 560kΩ 1個 434kΩ 1個 開關(guān) 手動開關(guān) 1個 三極管 2N2219 6個 穩(wěn)壓塊 LM7805 1個 LED LED燈 6個 附錄2 整體電路圖