铁路和公路,交叉路口的,交通控制器设计

长沙学院
数电课程设计说明书
题目铁路和公路交叉路口的交通控制器设计系(部) 电子与通信工程系
专业(班级)
姓名
学号
指导教师
起止日期2012.6.11—6.16
2010级光电信息工程专业课程设计任务书（课题五）系（部）：电子与通信工程系专业：光电信息工程学生姓名同组者指导教师
课题名称铁路和公路交叉路口的交通控制器设计
设
计要求及设计参数1、实现双向原则，即为火车双向行驶，汽车双向行驶；
2、满足火车优先原则，即火车来了就过火车，不管汽车是否来；
3、火车行驶中亮红灯，护栏放下；火车过后亮绿灯，护栏弹上；
4、应用压力传感器产生高低电平信号，控制电路的红绿灯的亮灭以及护栏的开合。

设计工作量一周：1、查找资料，根据要求的格式并结合所查资料写出理论设计方案的全过程，实验操作的步骤、数据以及结论。

2、学习使用MultiSim9软件，利用MultiSim9画出原理图并进行仿真。

3、学习使用Protel软件，利用Protel完成原理图绘制。

进度安排起止日期（或时间量）设计内容（或预期目标）备注第一天课题介绍，答疑，收集材料
第二天设计方案论证
第三天进行具体设计
第四天进行具体设计
第五天编写设计说明书
教研室
意见
年月日系（部）主
管领导意
见
年月日
长沙学院课程设计鉴定表
姓名学号专业班级
指导教师
设计题目铁路和公路交叉路口的交通控制器设
计
指导教师意见：
评定等级：教师签名：日期：
答辩小组意见：
评定等级：答辩小组长签名：日期：
教研室意见：
教研室主任签名：日期：
系（部）意见：
系主任签名：日期：
说明
课程设计成绩分“优秀”、“良好”、“及格”、“不及格”四类；
目录
铁路和公路交叉路口的交通控制器的设计............................................................- 4 -摘要............................................................................................................................- 5 -1、铁路和公路交叉路口的交通控制器电路的设计方案.....................................- 5 -
1.1设计任务与要求 ......................................................................................- 5 -
1.2设计思路与原理 ......................................................................................- 5 -
1.2.1交通控制器系统概述.....................................................................- 5 -
1.2.2电路设计过程.................................................................................- 5 -
1.3单元电路设计与参数计算 ......................................................................- 8 -
1.3.1 脉冲信号发生器............................................................................- 8 -
1.3.2 时序控制电路................................................................................- 8 -
1.3.3 芯片简介........................................................................................- 9 -
1.4Multisim仿真元器件的选用................................................................ - 11 -
2、电路的设计与调试.......................................................................................... - 11 -
2.1单元电路原理图与仿真 ....................................................................... - 11 -
2.1.1 脉冲信号发生器单元电路....................................................... - 11 -
2.2电路Multisim整体仿真结果与调试................................................... - 12 -
3、Protel原理图的绘制 (16)
4、总结与体会...................................................................................................... - 16 -
5、参考文献 (18)
铁路和公路交叉路口的交通控制器的设计
摘要：本课题要求设计一个铁路和公路交叉路口的交通控制器。

该交叉路口的平面位置示意图如下图所示。

A、B是两个栏杆，J1、J2处设置两个压敏传感器，用于检测是否有火车通过路口。

（J1、J2点相距较远，一列火车不会同时压在两个压敏元件上）。

当有火车通过交叉路口时，栏杆放下，禁止车辆和行人通行，当火车通过交叉路口后，栏杆抬起，路口放行。

本文围绕铁路与公路之间交叉路口的交通控制器的设计与仿真进行剖析。

设计过程是依据时序逻辑电路的设计步骤进行的，以D触发器作为主要控制器件。

此外，为了验证设计结果的正确性，采用了Multisim软件对设计好的电路进行仿真测试，以便更好的说明其预期效果。

关键词：数字电路交通控制器压敏传感器红绿灯时序逻辑交通控制
1.铁路和公路交叉路口的交通控制器电路的设计方案
1.1设计任务与要求
1、实现双向原则，即为火车双向行驶，汽车双向行驶；
2、满足火车优先原则，即火车来了就过火车，不管汽车是否来；
3、火车行驶中亮红灯，护栏放下；火车过后亮绿灯，护栏弹上；
4、应用压力传感器产生高低电平信号，控制电路的红绿灯的亮灭以及护栏的开合。

1.2设计思路与原理
1.2.1交通控制器系统概述
铁路和公路交叉口的平面位置示意图如图1.2.1所示
在J1和J2点设置了两个压敏传感器元件（在仿真电路中用开关替代），用于检测是否有火车通过道口。

P1和P2这两点距离较远，因此一列火车不会同时压在两个压敏传感器上。

A和B路口护栏，当火车由东向西或者由西向东通过J1J2段，且当火车的任何部分位于J1J2之间时，栅门A和B应同时关闭，道口的红色交通灯亮，绿色交通灯灭，蜂鸣器报警，公路禁止通行；否则栅门A和B同时打开，道口的绿色交通灯亮，红色交通灯灭，公路允许通行。

压敏元件的功能是，当它感受到火车的压力时，产生逻辑电平1，否则产生逻辑电平0。

控制电路的输入是压敏元件所发出的信号x1 和x2，输出信号z用来控制栅门A和B，当Z=1时，栅门关闭；当Z=0时栅门打开。

图1铁路和公路交叉口的平面位置示意图
1.2.2电路设计过程
根据设计要求中对交通控制器整个工作过程的描述，可划分为
七个状态，分别表示为：
S1：火车在J1和J2区间之外（对应输入x1 x2 ＝00）。

S2：火车自西向东行驶，并压在J1上。

S3：火车继续自西向东行驶，且位于J1和J2之间。

S4：火车仍自西向东行驶，压在J2上。

S5：火车自东向西行驶，并压在J2上。

S6：火车继续自东向西行驶，且位于J1和J2之间。

S7：火车仍自东向西行驶，并压在J1上。

分别以上述状态为现态，分析在每一个可能的输入组合作用下
应转入哪个状态及相应的输出，以火车自西向东行驶并通过交叉路
口的工作过程为例来分析：
当火车还没有进入J1，J2的区间时，J1、J2 点对应的输出信号
X1=0,X2=0，栅门A、B应该处于打开状态，控制A栅门和B栅
门开关的信号Z=0，此时处于状态S1中。

当火车自西向东行驶压在了J1点上时， J1点对应的输出信号X1=1，由于J1 与J2点之间相距较远，使火车没有压到J2 点，X2=0。

此时火车正在接近交叉路口，护栏A、B应该关闭处于警报和保护状态，信号Z=1，即电路由S1状态进入到S2状态，如图2所示。

图中的圆圈表示触发器的状态，箭头表示从一个状态过渡到另一个状态，箭头旁边的有斜线“ / ”分开的代码分别表示产生过渡的条件和在此条件下产生的输出状态。

例如，从S1状态进入到S2状态的箭头旁边有“10/1”，表示
X1=1，X2=0 时，电路的输出信号Z=1。

同理可以分析出火车的整个工作过程和与之对应状态转移和输出。

通过以上分析便可画出原始状态图如图2所示。

图2由给定的逻辑功能画出原始状态图
分析交通控制器的状态图和状态表，可以发现S2和S3、S5和S6以及S4和S7是均是等价的可以进行合并，如图3所示，与之对应的状态表如表1所示。

图3化简后的状态图
表1化简后的状态表
通过上面的分析最终得到四个状态，用2 位二进制代码组合进行表示，即=00、=01、=11、=10。

本次设计采用D触发器来实现交通控制器的控制，根据状态的个数可知选择的D触发器个数为3个。

表2电路真值表
可以根据上述真值表分别列出触发器的卡诺图进行化简，化简后可得图中左边两个D 触发器的次态方程和Z 的输出方程为n 2
n
11n 121
n 1
Q Q Q X Q ++=+X
n
2n 12n 211n 2Q Q Q X Q ++=+X n 1n 2n 2n 121Q Q Q Q X X Z +++=
两个触发器的激励方程
n 2
n 11n 121Q Q Q X D ++=X
n 2n 12n 212Q Q Q X D ++=X
根据上述输出方程和激励方程，就可以设计出一个以D 触发器为核心的交通控制器逻辑电路图。

1.3 单元电路设计与参数计算
1.3.1 脉冲信号发生器
由555构成多谐振荡器产生1Hz 和1KHz 的脉冲。

改变电容C1的值或者电阻R1R2的值即可实现。

计算公式:
频率 f=1/[ln2(R 1+2R 2
)C]
图4脉冲信号发生器
1.3.2 时序控制电路
根据上述分析已知电路的输出方程和激励方程为
n 2
n
11n 121Q Q Q X D ++=X
n 2n 12n 212Q Q Q X D ++=X
n
1n 2n 2n 121Q Q Q Q X X Z +++=
故可以通过两个D 触发器和多个与非门器件组合得到时序控制电路。

电路图如下所示：
图5时序控制电路
1.3.3 芯片简介
1. 双D 触发器74LS74
74LS74功能表
2、四2输入与非门74LS00
74LS00管脚图
74LS真值表
3、555定时器
它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器和压控振荡器等多种应用电路。

555管脚图
表4 555功能表
1.4Multisim仿真元器件的选用
表5 铁路和公路交叉路口交通控制器主要技术参数元件序号名称型号与主要参数数量备注
1 单刀双掷开关
2 代替压敏传感器
2
电阻
43KΩ 1
组成脉冲信
号发生器调
节脉冲频率
50KΩ 1
非极性电容10nF 2
与非门
7410N 2
构成时序控
制电路
7420N 1
74LS00 1
4 555定时器见芯片简介 1 组成脉冲信号发生器
5 蜂鸣器 1 报警2.电路的设计与调试
2.1单元电路原理图与仿真
2.1.1 脉冲信号发生器单元电路
产生方波及其频率如下图
图6 示波器显示的脉冲方波信号
图7 脉冲方波信号频率
2.2电路Multisim整体仿真结果与调试
火车自西向东行驶过程Multisim仿真实验结果如下：
图8 完整电路图
图9 自西向东行驶，并压在J1上
图10 继续自西向东行驶，且位于J1和J2之间
图11 仍自西向东行驶，压在J2上
图12 火车离开J2 3.Protel原理图的绘制
图13 Protel原理图
图14 电器规则检查结果
4.总结与体会
时间过的好快，转眼间，为期一周的数字电路课程设计就结束了。

通过这一周的课程设计，我拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得到较大提高。

在这将近一个星期的课程设计中，我们需要运用很多课本上讲解的不是很深的知识，也遇到了一些事先没有预料的问题。

比如说在电路的设计过程中，我们可以有很多方案来选择，具体选择哪一种就要看哪一种方案比较简单，我们对这种方法是否了解。

选择好方案，在multisim上画完图之后，还要先对各个模块用示波器接线进行测试。

课程设计刚开始，拿着选定的题目不知如何入手。

毕竟课程设计不同于实验课，电路图和程序都要自己设计。

去图书馆找了好久也没有完全类似的设计课题，最后静下心来，仔细分析题目，我开始按照书上设计逻辑电路的解题步骤一步步分析、设计，渐渐地心中才有了谱。

将整个系统根据不同的功能化分成模块，再分别进行设计，逐个攻破，最后再将其整合即可。

整个课程设计过程我都认真地完成了。

本次课程设计加深了我对数电这门课程的进一步理解。

熟悉了集成芯片的使用，为我以后更好地运用数电知识奠定了良好的基础。

在此基础上学习了数字系统设计的基本思想和方法，学会了科学地分析实际问题，通过查资料、分析资料及请教老师和同学等多种途径，独立解决问题。

同时，也培养了我认真严谨的态度。

最重要的是使我清楚了遇到新的东西并不可怕，只要肯想办法，就一定能解决问题。

课程设计达到了专业学习的预期目的。

在一个星期的课程设计之后，我们普遍感到不仅实际动手能力有所提高，更重要的是通过对设计过程的了解，进一步激发了我们对专业知识的兴趣，并能够结合实际存在的问题在专业领域内进行更深入的学习。

参考文献：
1、康华光。

电子技术基础数字部分（第五版）
2、杨欣、王玉凤、刘湘黔。

电路设计与仿真——基于Multisim9与protel99
3、标准集成电路数据手册TTL电路。