一款數(shù)字交通燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
——電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)探討

陳　曄, 黎錦鈺, 邵炳乾

(海南大學(xué) 應(yīng)用科技學(xué)院, 海南 儋州　571700)

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一款數(shù)字交通燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
——電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)探討

陳曄, 黎錦鈺, 邵炳乾

(海南大學(xué) 應(yīng)用科技學(xué)院, 海南 儋州571700)

介紹了一種數(shù)字交通燈的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該方案涵蓋了數(shù)字邏輯電路課程的主要教學(xué)內(nèi)容,難度適中,采用常用元器件設(shè)計(jì),利于學(xué)生掌握該門課程的設(shè)計(jì)精髓；并將仿真軟件Proteus引入課程設(shè)計(jì)實(shí)踐教學(xué)中,加強(qiáng)了教學(xué)效果；最后,通過Altium Designer畫出單面板的電路圖,在實(shí)驗(yàn)室中完成實(shí)物的制作。整個(gè)課程設(shè)計(jì),既提高了學(xué)生的設(shè)計(jì)能力,又提升了學(xué)生的動(dòng)手能力。

數(shù)字交通燈； Proteus7.8仿真； Altium Designer10.0制圖

課程設(shè)計(jì)是實(shí)踐教學(xué)的重要內(nèi)容,通過課程設(shè)計(jì)可以加深理論的學(xué)習(xí),掌握電路設(shè)計(jì)的方法,提高動(dòng)手的能力[1-2]。我們?cè)诮虒W(xué)過程中結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,用常用的元器件完成數(shù)字交通燈[3]各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì),鞏固了教學(xué)成果[4]，并引入了仿真軟件Proteus對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì),使學(xué)生掌握了電路的設(shè)計(jì)方法,為后續(xù)單片機(jī)等課程打下基礎(chǔ)[5]。通過Protel畫出電路圖后,在實(shí)驗(yàn)室中制作單面板的實(shí)物[6],提高學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力[7-8]。

1　設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方案

1.1功能

數(shù)字交通燈實(shí)現(xiàn)功能如下:一個(gè)具有主、支路的路口,主路通行時(shí)間30 s、支路通行時(shí)間20 s、黃燈各為5 s。

1.2工作狀態(tài)

一個(gè)十字路口主道方向的紅、黃、綠燈分別用G、R、Y表示；支道方向的紅、黃、綠燈分別為g、r、y表示。十字路口要有數(shù)字倒計(jì)數(shù)顯示裝置作為時(shí)間提示,以便人們更直觀地了解時(shí)間。

整個(gè)流程為:

(1) 主車道綠燈亮,支道紅燈亮。表示主道上的車輛允許通行,支道禁止通行。綠燈時(shí)間到30 s時(shí),控制器發(fā)出狀態(tài)信號(hào),轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。

(2) 主車道黃燈亮,支車道紅燈亮。表示主車道上未過停車線的車輛停止通行,已過停車線的車輛繼續(xù)通行,支車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時(shí)間間隔5 s時(shí),控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào),轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。

(3) 主車道紅燈亮,支車道黃燈亮。表示主車道禁止通行,支車道上的車輛允許通行綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔20 s時(shí),控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào),轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。

(4) 主車道紅燈亮,支車道黃燈亮。表示主車道禁止通行,支車道上位過縣停車線的車輛停止通行,已過停車線的車輛停止通行,已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔5 s時(shí),控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào),系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第(1)種工作狀態(tài)[9]。

1.3方案

利用循環(huán)一個(gè)周期的時(shí)間。如本實(shí)驗(yàn)是60 s,做一個(gè)計(jì)數(shù)器。把它截為4個(gè)時(shí)間段:30 s、5秒、20 s和5 s。這樣可以在整個(gè)周期上單獨(dú)地分離每個(gè)狀態(tài)所需的時(shí)間、狀態(tài)以及紅綠燈的變化,進(jìn)而完成周期循環(huán)工作。

2　交通燈電路設(shè)計(jì)

交通燈由以下幾部分模塊電路構(gòu)成:循環(huán)計(jì)數(shù)電路、控制器電路、交通燈驅(qū)動(dòng)電路、倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示電路、數(shù)碼管顯示控制器、時(shí)鐘電路和電源電路[10]。

工作原理:循環(huán)計(jì)數(shù)電路循環(huán)計(jì)時(shí)并輸出狀態(tài)信號(hào)給控制器電路,控制器直接控制交通燈驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)交通狀態(tài)的轉(zhuǎn)換,并通過顯示控制器選擇對(duì)應(yīng)的倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管計(jì)數(shù)。

(1) 循環(huán)計(jì)數(shù)電路。循環(huán)計(jì)數(shù)電路負(fù)責(zé)整個(gè)電路的計(jì)時(shí)和狀態(tài)控制,是整個(gè)電路的關(guān)鍵部分。它由循環(huán)計(jì)數(shù)和狀態(tài)判斷輸出兩部分組成,采用2塊74HC161以及若干與門、非門實(shí)現(xiàn)0-59的循環(huán)計(jì)數(shù),由若干與門、或門和非門組成狀態(tài)判斷輸出電路,在29、34、54、59四個(gè)計(jì)數(shù)值時(shí)輸出脈沖控制信號(hào)。

(2) 狀態(tài)控制電路。狀態(tài)控制電路是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分,它是控制紅、綠、黃燈的樞紐部分。由上述分析可知,電路只有4個(gè)狀態(tài):00、01、11、10。選擇用D觸發(fā)器74HC74來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。其由循環(huán)計(jì)數(shù)電路的狀態(tài)輸出信號(hào)來驅(qū)動(dòng)。

(3) 交通燈驅(qū)動(dòng)電路。紅、綠、黃燈的亮暗直接由控制D觸發(fā)器控制。列出交通燈的真值見表1。

表1　交通燈真值表

由真值表得出以下邏輯表達(dá)式:

式中Q表示交通燈二進(jìn)制狀態(tài)，采用高亮LED燈,其驅(qū)動(dòng)電流較大,選用三極管搭配限流電阻驅(qū)動(dòng)。

(4) 倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示電路。設(shè)置4組倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示,倒計(jì)時(shí)電路由74HC194十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器、74HC48、7段共陰極數(shù)碼管組成。

(5) 數(shù)碼管顯示控制器。倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管的顯示需要和交通燈同步配合,因此設(shè)計(jì)由一片74HC139數(shù)據(jù)選擇器來選擇4組倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管的倒計(jì)時(shí)顯示,其選擇輸入信號(hào)來至狀態(tài)控制電路。

(6) 時(shí)鐘電路。采用常用的555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器,輸出時(shí)鐘信號(hào)。

(7) 電源電路。電路采用的芯片和LED燈都可在5 V電源下工作,因此選用穩(wěn)壓芯片7805將12 V電源轉(zhuǎn)換為5 V穩(wěn)壓電源。

3　電路仿真設(shè)計(jì)

Proteus具有其他EDA工具軟件的仿真功能,還能仿真單片機(jī)及外圍器件,為以后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)[11]。Proteus的仿真圖見圖1[12]。

圖1　交通燈仿真電路圖

4　印制電路板設(shè)計(jì)

Altium Designer是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合,這一軟件必將使電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率大大提高。電路原理圖和PCB圖見圖2—圖5[13]。

圖2　交通燈控制部分原理圖

圖3　倒計(jì)時(shí)顯示部分原理圖

圖4　交通燈控制部分PCB圖

5　結(jié)語

本設(shè)計(jì)囊括了數(shù)字電路中的主要內(nèi)容,采用了常用元器件以及經(jīng)典電路,方便學(xué)生深入掌握課本的知識(shí)內(nèi)容。采用EDA仿真工具Proteus7.8仿真設(shè)計(jì)電路,可以直觀查看測(cè)試結(jié)果并修改設(shè)計(jì),為后續(xù)學(xué)習(xí)打

圖5　倒計(jì)時(shí)顯示部分PCB圖

下基礎(chǔ)。單面板制作方便,可在學(xué)生中普及應(yīng)用,運(yùn)用Altium Designer10.0軟件繪制印制電路板并在實(shí)驗(yàn)室中完成實(shí)物的制作,提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。

References)

[1] 劉建華,龔校偉,崔雅君.交通燈控制器數(shù)字電路的設(shè)計(jì)及仿真[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2012(1):1-2.

[2] 劉明丹.基于數(shù)字電路對(duì)交通燈控制的研究與設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005, 22 (6):30-34.

[3] 丁潔,張宏偉.基于數(shù)字電路的交通燈設(shè)計(jì)[J].輕工科技,2009(11):31-32.

[4] 宋朝君.基于數(shù)字電路的交通燈控制器的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子技術(shù)與軟件工程,2013(20):96-97.

[5] 湯書森,李蜀嫻,饒?jiān)鋈?仿真技術(shù)在數(shù)字邏輯電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究,2012(1):33-34.

[6] 趙興群,夏翎.以PROTEL軟件充實(shí)電路設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,1997,16(1):7-8.

[7] 郭映.Multisim10仿真軟件在數(shù)字電路教學(xué)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2010(7):162-165.

[8] 陳力平,徐冠捷,馬文新,等.提升印制板設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程質(zhì)量[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2009,28(5):148-150.

[9] 吳仁君.交通燈數(shù)字邏輯電路的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(22):1-2.

[10] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基本教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[11] 余新平.PROTEUS仿真軟件在《數(shù)字電子技術(shù)》課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào):自科版,2014(10):124-126.

[12] 朱清慧,張鳳蕊,翟天嵩,等.Proteus教程:電子線路設(shè)計(jì)、制版與仿真[M]. 2版.北京:清華大學(xué)出版社,2011.

[13] 高雪飛,安永麗,李澗. Altium Designer 10原理圖與PCB設(shè)計(jì)教程[M].北京:希望電子出版社,2014.

Design and realization of a product of digital traffic lights: Discussion of electronic technology curriculum design

Chen Ye, Li Jinyu, Shao Bingqian

(School of Applied Science and Technology, University of Hainan, Danzhou 571700, China)

This article introduces the design and realization of a product of digital traffic lights.This project contains the chief content of Digital Logic Circuit course, it is easy to learn by using the frequently-used components. By using the simulation software Proteus in teaching activity,it enhances the effectiveness of learning. Finally,the material object is made by printed circuit board of single face.The designed capacity and practical ability of the students have been improved in the electronic technology curriculum design.

digital traffic lights; simulation of Proteus7.8; PCB charting of Altium Designer10.0

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.057

2015- 08- 05

陳曄(1983—),男,海南儋州，碩士,助教,研究方向?yàn)榱髁繖z測(cè)

黎錦鈺(1987—),女,廣東，碩士,助教,研究方向?yàn)橥ㄐ旁?

E-mail:chenye1132@163.com

G642.423

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1002-4956(2016)3- 0226- 03