Projekt Układów Logicznych

Transkrypt

1 Opole, dn. maja 005 Politechnika Opolska Wydział Elektrotechniki i Automatyki Kierunek: Informatyka Projekt Układów Logicznych Temat: Sterownik drogowej sygnalizacji świetlnej Autor: Prowadzący: Dawid Najgiebauer Piotr Nitner Informatyka, rok 004/05, sem. III, grupa lab. 7 (Pt. g. 7.5) prof. dr hab. inż. T. Skubis Ocena:... Uwagi:... O P O L E 0 0 4

2 Spisy. Spisy.. Spis treści. Spisy..... Spis treści..... Spis ilustracji i schematów..... Spis tabel Spis równań Spis zawartości załączonej płyty CD Temat projektu Podstawy teoretyczne i przeznaczenie układu Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie Projektowanie kombinacji torów ruchu na skrzyżowaniu Zegary taktujące Licznik Logika skrócenia fazy i pominięć fazy Realizacja pominięć cyklu opóźnienia w ustawianiu stanu wyjściowego; minimalny czas trwania fazy; przerzutnik Całościowy układ zmiany faz Realizacja funkcji Maksymalny pobierany prąd przez urządzenie sterujące Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych Schemat ideowy urządzenia Projekt płytki drukowanej urządzenia Symulacja działania urządzenia Zastosowane elementy Wykaz literatury Zasoby biblioteczne i czasopiśmiennicze Zasoby internetowe Spis ilustracji i schematów Rysunek.. Plan skrzyżowania ulic Horoszkiewicza i Ozimskiej w Opolu... 5 Rysunek 4.. Podział skrzyżowania na tory ruchu Rysunek 4.. Program do symulowania natężenia ruchu oraz sygnalizacji świetlnej na badanym skrzyżowaniu... 8 Rysunek 4.. Poszczególne fazy cyklu w odpowiedniej kolejności.... Rysunek 4.4. Aplikacja układu Rysunek 4.5. Aplikacja licznika 749 jako licznika -bitowego... Rysunek 4.6. Układ symulujący zajętość dróg na podstawie zajętości przejść dla pieszych... 4 Rysunek 4.7. Schemat połączeń multipleksera serii 5 w celu zrealizowania żądanej funkcji Rysunek 4.8. Schemat blokowy układu sterującego fazami na skrzyżowaniu Rysunek 4.9. Siatka Karnaugha dla funkcji D... 7 Rysunek 4.0. Siatka Karnaugha dla funkcji D... 7 Rysunek 4.. Siatka Karnaugha dla funkcji D... 7 Rysunek 4.. Siatka Karnaugha dla funkcji D Rysunek 4.. Siatka Karnaugha dla funkcji D Rysunek 4.4. Siatka Karnaugha dla funkcji D Rysunek 4.5. Schemat połączeń bramek logicznych do realizacji funkcji.... 0

3 Spisy Rysunek 5.. Schemat ideowy układu... Rysunek 5.. Poglądowy obraz płytki drukowanej części cyfrowej urządzenia (skala nie jest zachowana) Rysunek 5.. Projekt płytki drukowanej urządzenia część wierzchnia, skala : Rysunek 5.4. Projekt płytki drukowanej urządzenia część spodnia, skala : Rysunek 5.5. Schemat użyty do symulacji układu w programie Electronics Workbench Rysunek 5.6. Wykresy urządzenia "Logic Analizer" programu Electronic Workbench podczas symulacji statycznej. Rysunek 5.7. Wykresy urządzenia "Logic Analizer" programu Electronic Workbench podczas symulacji dynamicznej.... Rysunek 5.8. Zachowanie układu podczas pustego skrzyżowania i pojawienia się pieszego..... Spis tabel Tabela 4.. Symulowanie zajętości drogi w celu umożliwienia przekroczenia wybranego przejścia dla pieszych... Tabela 4.. Warunek pominięcia lub skrócenia fazy, jeśli już występuje... 4 Tabela 4.. Funkcje dla poszczególnych torów ruchu... 6 Tabela 4.4. Teoretyczne maksymalne prądy na elementach urządzenia... Tabela 5.. Znaczenie przełączników w układzie symulacji... 8 Tabela 5.. Wyniki symulacji statycznej... 0 Tabela 5.. Wyniki symulacji dynamicznej symulującej ruch.... Tabela 6.. Spis elementów zastosowanych do wykonania urządzenia Spis równań Równanie 4.. Wzór na czas trwania okresu w generatorze Równanie 4.. Wzór na czas trwania fazy wysokiej generatora Równanie 4.. Wzór na czas trwania fazy niksiej generatora Równanie 4.4. Równanie funkcji D... 7 Równanie 4.5. Równanie funkcji D... 7 Równanie 4.6. Równanie funkcji D... 7 Równanie 4.7. Równanie funkcji D Równanie 4.8. Równanie funkcji D Równanie 4.9. Równanie funkcji D Równanie 4.0. Równania funkcji przejść dla pieszych P-P Równanie 4.. Równania funkcji po optymalizacji i wyłączeniu wspólnych czynników... 8 Równanie 4.. Równania funkcji D i D4 po wydzieleniu wspólnego czynnika... 9

4 Spisy 4.5. Spis zawartości załączonej płyty CD Katalog/plik docs\ projekt\krzyzowka.sch projekt\krzyzowka.brd projekt\krzyzowka.ewb projekt\krzyzowka.ee projekt\img\ programy\eagle-4.0e.ee programy\license.key programy\ewb.ee Opis Katalog z wersjami elektronicznymi w formacie Word i Adobe Aprobat (PDF) tego dokumentu Schemat części cyfrowej symulatora w formacie programu Eagle Projekt płytki części cyfrowej symulatora w formacie programu Eagle Schemat całego symulatora wykorzystany do symulacji działania układu w formacie programu Electronics Workbench Program do symulacji natężenia ruchu na badanym skrzyżowaniu Katalog z obrazami w formacie PNG projektów płytek drukowanych oraz schematów do nich Program Eagle 4.0 wykorzystany do zaprojektowania schematów oraz płytek drukowanych dla układu (wersja instalacyjna) Plik z kluczem licencyjnym dla studenckiej wersji programu Eagle zapewnia poprawne i pełne działanie programu Program Electronics Workbench 5. wykorzystany do symulacji działania układu (wersja nieinstalacyjna samorozpakowywujące się archiwum z programem)

5 Temat projektu 5. Temat projektu Zaprojektować układ do sterowania drogową sygnalizacją świetlną na skrzyżowaniu ulic Horoszkiewicza i Ozimskiej w Opolu. Sterowanie ma odbywać się w sposób inteligentny, w zależności od natężenia ruchu samochodów oraz pieszych. ul. Horoszkiewicza ul. Ozimska Rysunek.. Plan skrzyżowania ulic Horoszkiewicza i Ozimskiej w Opolu

6 Podstawy teoretyczne i przeznaczenie układu 6. Podstawy teoretyczne i przeznaczenie układu Układ ma służyć do sterowania drogową sygnalizacją świetlną wyposażoną w czujniki obecności pojazdów dla dróg oraz przyciski dla pieszych na przejściach. Układ ma działać w sposób inteligentny. Cały problem dzieli się zasadniczo na kilka części:. Należy zaprojektować kilka różnych kombinacji otwartych torów ruchu (tj. na których występuje sygnał zielony) tak, aby: a. Umożliwić zarówno pieszym na wszystkich przejściach jak i pojazdom na wszystkich drogach ruch w zamierzonym kierunku w przeciągu całego cyklu zmiany świateł b. Otwarte tory ruchu dla pojazdów nie kolidowały ze sobą ani z ruchem pieszych. Zapewnić cykliczną zmianę z określonym maksymalnym czasem trwania fazy kolejnych zaprojektowanych wcześniej sekwencji.. Należy uwzględnić sytuacje, które usprawnią ruch na skrzyżowaniu, poprzez: a. Pominięcie fazy, w którym otwarty zostałby tor, na którym nie znajduje się żaden pojazd b. Skrócenie czasu trwania bieżącej fazy, jeśli na otwartym torze ruchu nie znajduje się już żaden pojazd c. Wymuszenie takiej fazy, która umożliwi przejście pieszemu przez drogę po naciśnięciu odpowiedniego przycisku znajdującego się przy przejściu dla pieszych d. Zapewnienie bezpiecznego opuszczenia skrzyżowania przez pieszego (zapewnienie minimalnego czasu trwania danej fazy). Cały układ zasilany będzie z przystosowanego do tego celu zasilacza podłączonego pod sieć energetyczną. Układ nie steruje bezpośrednio czujnikami (lub przyciskami dla pieszych) ani sygnalizacją świetlną. Wejściami układów będą stany czujników pojazdów (stan oznacza, że na danej drodze znajduje się pojazd) oraz przycisków przy przejściach dla pieszych (stan oznacza, że przycisk został wciśnięty; wystąpienie sygnału zielonego dla danego ruchu pieszych powinno resetować zapamiętany stan przyciśnięcia przycisku). Na wyjściu układów będą dwie linie oznaczające: dla linii pierwszej 0 sygnał czerwony, sygnał zielony; dla linii drugiej stan normalny, 0 wymuszenie przełączenia sygnalizacji w stan awaryjny (sygnał żółty migający). Sygnał na drugiej linii ma priorytetowe znaczenie. Za sekwencję zmiany światła z zielonego na czerwone oraz z czerwonego na zielone a także wyświetlania sygnału awaryjnego odpowiadać będzie zewnętrzny układ.

7 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 7 4. Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 4.. Projektowanie kombinacji torów ruchu na skrzyżowaniu Na analizowanym skrzyżowaniu wyszczególnić można torów ruchów; 6 dla pieszych oraz 6 dla pojazdów. P6 D5 D6 P5 P4 P D4 P D D D P Rysunek 4.. Podział skrzyżowania na tory ruchu. Do zaprojektowania układów posłużono się specjalnie napisanym do tego celu programem. Za jego pomocą możliwe jest symulowanie natężenia ruchu na analizowanym skrzyżowaniu. Program dopuszcza zamykanie i otwieranie dowolnych niekolidujących ze sobą torów ruchów. Liczby na każdym z torów reprezentowały ilość pojazdów/pieszych znajdujących się w kolejce w danym kierunku ruchu. Program uwzględnia rzeczywiste przybliżone natężenie ruchu w każdych kierunkach. Program znajduje się na dołączonym dysku CD-ROM.

8 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 8 Rysunek 4.. Program do symulowania natężenia ruchu oraz sygnalizacji świetlnej na badanym skrzyżowaniu. W oparciu o wyniki działania tego programu oraz metodą różnych kombinacji otwartych torów ruchów zaprojektowano ostatecznie 6 różnych układów otwartych torów ruchu, które przedstawione są na rysunkach 4.a-f. Strzałki oznaczają te tory ruchu, które są aktualnie otwarte. Strzałki rysowane linią przerywaną oznaczają warunek pominięcia lub skrócenia cyklu (por. p. 4.4). a)

9 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 9 b) c)

10 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 0 d) e)

11 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie f) Rysunek 4.. Poszczególne fazy cyklu w odpowiedniej kolejności. Układy przedstawione na rysunkach a i d występują w całym cyklu dwukrotnie (bezpośrednio po sobie). Ma to na celu wydłużenie fazy ze względu na znaczne nasilenie ruchu w tych kierunkach, gdzie podawany jest sygnał zielony. 4.. Zegary taktujące Zegar zapewniający zmianę fazy po określonym czasie trwania Urządzenie ma pracować z zadanym interwałem czasowym. Do realizacji tego w sposób bardzo prosty najlepiej nadaje się popularny układ generatora 555. Na nim to oparty będzie zegar taktujący. Układ ten umożliwia pracę z interwałem zależnym od dobranych parametrów elementów wchodzących w skład aplikacji układu, która przedstawiona jest na rysunku poniżej.

12 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie Rysunek 4.4. Aplikacja układu 555. Zasada działania tego układu jest następująca: W chwili dołączenia napięcia zasilającego, kondensator C jest rozładowany, więc zerowy poziom na wejściu wyzwalanie (TR, ) powoduje ustalenie się stanu wysokiego na wyjściu układu, co powoduje ładowanie tego kondensatora ze źródła napięcia zasilającego przez rezystory R A i R B. Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie wartość równą / U CC, uaktywni się wejście próg (THR, 6), powodując przełączenie wyjścia układu w stan niski. Kondensator C rozładowuje się przez R B, a napięcie na nim dąży do zera. Od tego momentu praca układu staje się cykliczna, napięcie na kondensatorze zmienia się od / U CC do / U CC i na odwrót, z okresem wyrażonym poniższym równaniem: Równanie 4.. Wzór na czas trwania okresu w generatorze 555. T = 0,69( RA + RB ) C Rezystory R A i R B określają dokładnie czas trwania stanu wysokiego i niskiego wyjścia zgodnie ze wzorami 4. i 4.. Równanie 4.. Wzór na czas trwania fazy wysokiej generatora 555. TH = 0,69( RA + RB ) C Równanie 4.. Wzór na czas trwania fazy niskiej generatora 555. TL = 0,69* RB * C W urządzeniu wykorzystano kondensator o standardowej pojemności 0µF oraz oporniki o wartościach MΩ każdy. Zapewnia to czas trwania taktu zegarowego długości ok. sek. Jednocześnie czas trwania fazy niskiej wynosi ok. 7 sek. Jest to wykorzystane jako minimalny czas trwania rozpoczętej fazy (por. p. 4.4.). Zegar wymuszający pomijanie fazy Zegar ten będzie zbudowany w sposób identyczny jak powyższy, lecz z bardzo krótkim czasem trwania cyklu. Ma on za zadanie zapewnić szybkie taktowanie licznika w celu pominięcia niepotrzebnych faz. Zegar ten będzie uruchamiany, gdy nastąpi taka potrzeba; w tym samym czasie zegar główny będzie zablokowany (por. p. 4.4). W celu osiągnięcia odpowiednio krótkiego czasu trwania cyklu zastosowane elementy o wartościach: dla kondensatora 00nF, dla rezystorów 0kΩ każdy. Przy takich wartościach zegar będzie pracował z okresem wynoszącym ok. ms (co odpowiada częstotliwości ok. 480 Hz). 4.. Licznik Jako licznik wystarczy wykorzystać dowolny licznik -bitowy. Najpopularniejszym układem tej serii jest 749. Jest to dokładnie jednokierunkowy, dodający licznik -,-bitowy. Wykorzystana w układzie będzie wyłącznie część -bitowa.

13 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie Rysunek 4.5. Aplikacja licznika 749 jako licznika -bitowego. W momencie, gdy licznik ma odliczać, wejścia resetujące R0() i R0() muszą znajdować się w stanie niskim. Podanie stanu wysokiego na oba wejścia powoduje zresetowanie licznika i ustawienie stanów niskich na jego wyjściach Logika skrócenia fazy i pominięć fazy Z założenia uwzględniając wyłącznie ruch drogowy w celu jego upłynnienia nie warto otwierać toru, na którym nie znajduje się żaden samochód. Stąd układ będzie pomijał takie fazy, gdzie otwarta jest droga, na której nie znajduje się żaden pojazd przechodząc do najbliższej możliwej, dla której na otwartych torach ruchów znajdują się pojazdy. Analizując wszystkie kombinacje przedstawione na rysunkach 4.a-f można zauważyć, że każda kolejna faza różni się od poprzedniej w sposób jak najmniej znaczący. Dzięki temu można prosto pominąć daną fazę przeskakując do następnej, a przeskok taki nie będzie uwarunkowany zbyt wieloma czynnikami na raz (dużej liczbie czujników, a więc torów ruchu, które musiałyby zostać wzięte pod uwagę). Na wymienionych rysunkach zaznaczono przez strzałki rysowane linią przerywaną tory ruchów, na których, gdy brak jest samochodów można przejść do następnej fazy (wykonując skrócenie bieżącej fazy lub przeskok fazy). W ekstremalnym przypadku, kiedy na żadnej z dróg nie będzie pojazdów wszystkie fazy będą pomijane w nieskończoność, aż do momentu, gdy na którejś z dróg pojawi się pojazd. Wtedy zostanie uruchomiona najdalsza możliwa faza, która pozwoli na ruch w tym kierunku. Pozostaje jeszcze kwestia ruchu pieszych. Jako, że układ nie jest bezpośrednio uzależniony od ruchu pieszych, stąd wciśnięcie przycisku na przejściu dla pieszych musi zasymulować obecność pojazdu na tym torze ruchu, który jest równoległy do danego przejścia dla pieszych, a więc i umożliwi przekroczenie pieszym jezdni. Analizując wszystkie sytuacje dochodzimy do następujących zależności: Tabela 4.. Symulowanie zajętości drogi w celu umożliwienia przekroczenia wybranego przejścia dla pieszych. Przejście nr P P P P4 P5 P6 Symulacja obecności na drodze nr D D, D5, D6 D D, D6 D, D, D D Układ symulacji ma zatem wejść i 6 wyjść odpowiadających zajętości dróg. Są to proste funkcje logiczne LUB, czyli dana droga jest zajęta wtedy, gdy jest faktycznie zajęta, lub został wciśnięty przez pieszego przycisk na odpowiednim przejściu. Realizacja tego uproszczenia na bramkach logicznych przedstawiona jest na rysunku. Por. tabela 4.. Por. p Por. rys. 4..

14 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 4 Rysunek 4.6. Układ symulujący zajętość dróg na podstawie zajętości przejść dla pieszych. Kolejną częścią jest wypracowanie sygnału, który poinformuje o tym, że aktualna faza odpowiadająca stanu będącego na wyjściu licznika należy pominąć. Musi on pracować w oparciu o 6 sygnałów, lecz wybierać spośród nich wyłącznie ten, który jest istotny dla danej fazy. Analizując raz jeszcze wszystkie sytuacje przedstawione na rysunkach 4., warunek pominięcia fazy można zestawić w tabeli: Tabela 4.. Warunek pominięcia lub skrócenia fazy, jeśli już trwa. L D D D D4 D5 D W powyższej tabeli przez cyfrę oznaczono stan, jaki musi występować w danej fazie, aby ją pominąć (lub skrócić, jeśli już występuje); znakiem minus oznaczono wejścia, które nie mają znaczenia dla danej fazy. Aby zrealizować taką funkcję, która będzie miała wartość wybranego czujnika najlepiej zastosować multiplekser z liniami adresowymi jak na przykład 745. Schemat połączeń realizujący powyższą tabelkę oraz funkcję, która w wyniku da wartość, jeśli cykl ma zostać pominięty przestawiono na poniższym rysunku:

15 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 5 D D D D4 D5 D Rysunek 4.7. Schemat połączeń multipleksera serii 5 w celu zrealizowania żądanej funkcji Realizacja pominięć cyklu opóźnienia w ustawianiu stanu wyjściowego; minimalny czas trwania fazy; przerzutnik Jako, że zastosowany licznik może zliczać wyłącznie co jeden, to w przypadku, gdy cykle są pomijane, jego stan wyjściowy nie może być podawany bezpośrednio na układ sterujący sygnalizacją. Dodatkowo w tym czasie powinien być wyświetlany dalej niezmieniony stan. Aby to zrealizować najlepiej wykorzystać przerzutnik typu D, który będzie zapamiętywał wyłącznie te stany, które mają być wyświetlone na sygnalizatorach świetlnych. Aby to zrobić wpisywanie musi odbywać się z pewnym opóźnieniem oraz wyłącznie na sygnał z zegara odpowiedzialnego za zmianę fazy (wcześniej zegar ten musi wymusić zmianę stanu licznika, a dopiero później wpisanie ustalonego już stanu licznika do rejestru). W tym celu można świetnie wykorzystać pewną właściwość układu rejestru z serii 75 wpisywanie odbywa się wraz z narastającym zboczem sygnału, a więc odwrotnie, niż zmiana stanu licznika, która następuje przy opadającym zboczu sygnału. Pozostaje jeszcze jeden aspekt do rozstrzygnięcia. Przypuśćmy sytuację, gdy wszystkie drogi są puste poza jedną, w której poprzek przez przejście chce przejść pieszy. Przyciska on przycisk i w tym momencie zostanie wyszukana najdalsza faza, która umożliwi pieszemu przejście przez ulicę. Niestety wraz z zapaleniem się dla niego sygnału zielonego nastąpi zresetowanie czujnika, a więc wystąpi skrócenie cyklu i puszczenie pojazdu. Pieszy nie zdąży przekroczyć jezdni. Dlatego należy zapewnić minimalny czas trwania cyklu. W realizacji tego wykorzystuje się tą samą własność rejestru, która opisana jest powyżej. Należy jedynie zapewnić, aby czas stanu niskiego z generatora był odpowiednio długi i odpowiadał minimalnemu czasu trwania fazy. Stąd dobrane takie, a nie inne parametry elementów wchodzących w skład aplikacji układy Całościowy układ zmiany faz Na rysunku 4.8 przedstawiono schemat blokowy całego układu odpowiedzialnego za zmiany faz w cyklu. Por. p. 4..

16 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 6 Zegar minimalnego i maksymalnego czasu trwania fazy Zegar pominięć faz Licznik -bitowy Układ odpowiedzialny za wprowadzanie opóźnienia (filtracja przeskoków licznika) Czujniki obecności na skrzyżowaniu (6 dla pojazdów i 6 dla pieszych) Układ symulacji zajętości drogi ze względu na pieszych (wyj. tylko dla dróg) Układ wymuszający pominięcie faz lub skrócenie bieżącej fazy w uzależnieniu od aktualnego stanu na skrzyżowaniu Rysunek 4.8. Schemat blokowy układu sterującego fazami na skrzyżowaniu Realizacja funkcji Do zrealizowania jest funkcji opartych na liniach sygnałowych. Przedstawione są one w tabeli 4.. Tabela 4.. Funkcje dla poszczególnych torów ruchu Wejścia Funkcje sygnalizacji drogowej Funkcje sygnalizacji dla pieszych L D D D D4 D5 D6 P P P P4 P5 P Do realizacji tych funkcji najprościej posłużyć się metodą opartą o tzw. siatki (mapy) Karnaugha. Por. rys. 4..

17 Funkcja D: Rysunek 4.9. Siatka Karnaugha dla funkcji D. Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 7 Równanie 4.4. Równanie funkcji D. D = + + Funkcja D: Rysunek 4.0. Siatka Karnaugha dla funkcji D. Równanie 4.5. Równanie funkcji D. D = + Funkcja D: Rysunek 4.. Siatka Karnaugha dla funkcji D. Równanie 4.6. Równanie funkcji D. D = + Funkcja D4: Rysunek 4.. Siatka Karnaugha dla funkcji D4. Równanie 4.7. Równanie funkcji D4. D 4 = + +

18 Funkcja D5: Rysunek 4.. Siatka Karnaugha dla funkcji D5. Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 8 Równanie 4.8. Równanie funkcji D5. D 5 = + Funkcja D6: Rysunek 4.4. Siatka Karnaugha dla funkcji D6. Równanie 4.9. Równanie funkcji D6. D 6 = + Funkcje P-P6: Analizując dokładnie tabelę 4. można zauważyć, że funkcje P-P6 są bardzo podobne do funkcji D-D6, a ściślej są zaprzeczeniem odpowiednich sobie funkcji. Do takich samych wniosków można dojść przyglądając się planowi skrzyżowania. Dane przejście będzie otwarte, kiedy przecinająca je droga będzie zamknięta i vice versa. Stąd można je bardzo prosto zapisać używając już wyznaczonych funkcji D-D6: Równanie 4.0. Równania funkcji przejść dla pieszych P-P6. P = D + D6 P = D P = D4 P 4 = D P 5 = D6 P 6 = D5 Optymalizacja Powyższe funkcje w większości przypadków można uprościć. Równanie 4.. Równania funkcji po optymalizacji i wyłączeniu wspólnych czynników. D = = D ( ) D = + = + = + + = + + D = + = + = + + D 4 = + + D5 = + =

19 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 9 ( ) ( ) 6 D = + = + = W równaniach D i D4 można jeszcze wyznaczyć wspólny czynnik: A + = = = Równania te można zatem zapisać jako: Równanie 4.. Równania funkcji D i D4 po wydzieleniu wspólnego czynnika. A D D + = 4 A D + + = + + = Realizacja wszystkich funkcji na bramkach Realizację wszystkich opisanych funkcji na bramkach logicznych z uwzględnieniem rzeczywistych układów, jakie zostaną zastosowane przedstawiono na rysunku poniżej.

20 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 0 Rysunek 4.5. Schemat połączeń bramek logicznych do realizacji funkcji Maksymalny pobierany prąd przez urządzenie sterujące Teoretyczne maksymalne prądy w obwodach w oparciu o katalog elementów zostały przedstawione w tabeli 4.4.

21 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie Tabela 4.4. Teoretyczne maksymalne prądy na elementach urządzenia. Element / obwód Prąd zasilania [ma] IC, IC (NE555) 6 IC (74LS9N) 55 IC4, IC6- IC5 (bramki logiczne) IC5 (745N) 48 V (7475N) 45 RAZEM: 58 (,9W) Wyliczony prąd jest szacunkowym prądem maksymalnym, który tak naprawdę nigdy nie będzie pobierany przez układ. Dla standardowego napięcia zasilania 5V i w warunkach, kiedy prąd pobierany jest jak największy.

22 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 5. Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 5.. Schemat ideowy urządzenia Schemat układu przedstawiono na rysunku 5.. Zasilanie należy podłączyć pod złącza X- (+) i X- (-). Złącze SV służy do podłączenia pod nie czujników obecności pojazdów oraz pieszych na wszystkich torach ruchów. Wyprowadzone jest nim także masa, jako punkt odniesienia sygnału cyfrowego. Złącze X jest wyprowadzeniem sygnałów logicznych odpowiedzialnych za stan świateł na danym kierunku. Na złączach -6 wyprowadzone są sygnały logiczne dla torów drogowych D-D6, na złączach 7- wyprowadzone są sygnały logiczne dla ruchów pieszych P-P6. Dodatkowo złącze jest podłączone pod masę stanowiąc tym samym poziom odniesienia dla sygnałów logicznych.

23 Rysunek 5.. Schemat ideowy układu. Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych

24 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych Projekt płytki drukowanej urządzenia Płytka drukowana urządzenia jest dwuwarstwowa. Poglądowy obraz płytki przedstawiający obie jej warstwy znajduje się na rysunku 5. (bez zachowania skali). Projekt płytki w skali : przedstawiają rysunki 5. (część wierzchnia) oraz 5.4 (cześć spodnia).

25 Rysunek 5.. Poglądowy obraz płytki drukowanej części cyfrowej urządzenia (skala nie jest zachowana). Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 5

26 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 6 Rysunek 5.. Projekt płytki drukowanej urządzenia część wierzchnia, skala :.

27 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 7 Rysunek 5.4. Projekt płytki drukowanej urządzenia część spodnia, skala :.

28 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych Symulacja działania urządzenia Schemat wykorzystany do przeprowadzenia symulacji przedstawiono na rysunku 5.5. Symulacji dokonano w programie Electronics Workbench 5.. Na potrzeby symulacji wprowadzono przełączniki sterowane klawiaturą zgodnie z poniższą tabelką. Tabela 5.. Znaczenie przełączników w układzie symulacji. Klawisz Spacja Znaczenie Załącza układ przed rozpoczęciem symulacji przełączniki te muszą znajdować się w stanie otwartym. Dopiero po załączeniu symulacji należy zamknąć te przełączniki. Zamknięty występuje pojazd na torze D Zamknięty występuje pojazd na torze D Zamknięty występuje pojazd na torze D 4 Zamknięty występuje pojazd na torze D4 5 Zamknięty występuje pojazd na torze D5 6 Zamknięty występuje pojazd na torze D6 7 Zamknięty przycisk na przejściu P został wciśnięty 8 Zamknięty przycisk na przejściu P został wciśnięty 9 Zamknięty przycisk na przejściu P został wciśnięty 0 Zamknięty przycisk na przejściu P4 został wciśnięty - Zamknięty przycisk na przejściu P5 został wciśnięty = Zamknięty przycisk na przejściu P6 został wciśnięty

29 Rysunek 5.5. Schemat użyty do symulacji układu w programie Electronics Workbench. Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 9

30 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 0 W kolejnej tabeli zestawiono przebiegi z urządzenia Logic Analizer w zależności od tego, która z była zajęta. Zajętość nie ulegała zmianie przez całą symulację. W tabelce nie uwzględniono wprost przycisków na przejściach, gdyż symulują one wyłącznie określone kombinacje zajętości dróg. Uwzględniono też tylko kilka z możliwych sytuacji. Na rysunkach przyjęto podziałkę czasową div/takt, a więc urządzenie jest taktowane zegarem zewnętrzym tym samym, który taktuje całe urządzenie. Tabela 5.. Wyniki symulacji statycznej. D D D D4 D5 D6 Odpowiada przejścią Przebiegi Odbyte fazy: P, P, P, P4, P5, P6 D D D D4 D5 D6 P P P P4 P5 P6 rys. a) 0,,,, 4, 5, 6, 7 0 P, P, P 0 P4, P6 D D D D4 D5 D6 P P P P4 P5 P6 rys. b) D D D D4 D5 D6 P P P P4 P5 P6 rys. c) Odbyte fazy: 0,,, 4, 5, 6, 7 Odbyte fazy: 0,,, 5, 6, 7

31 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych D D D D4 D5 D6 Odpowiada przejścią Przebiegi Odbyte fazy:, 4, 5 D D D D P, P, P6 D5 D6 P P P P4 P5 P6 rys. d) Rysunek 5.6. Wykresy urządzenia "Logic Analizer" programu Electronic Workbench podczas symulacji statycznej. Na kolejnych rysunkach przedstawiono wykresy z Logic Analizer, gdzie wymuszono skrócenie fazy poprzez zasymulowanie nieobecności pojazdu. Skala wykresu wynosi 6sek/div. Tabela 5.. Wyniki symulacji dynamicznej symulującej ruch. D D D D4 D5 D6 Stan 0 zaznaczono na wykresie cieniem Odpowiada przejścią P4, P6 D D D D4 D5 D6 P P P P4 P5 P6 rys. a) Przebiegi 0 0 Stan 0 zaznaczono na wykresie cieniem 0 0 P4, P6 D D D D4 D5 D6 P P P P4 P5 P6 rys. b)

32 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych D D D D4 D5 D6 Odpowiada przejścią Stan 0 P zaznaczono na wykresie cieniem Przebiegi D D D D4 0 P D5 D6 P P P P4 P5 P6 rys. c) Rysunek 5.7. Wykresy urządzenia "Logic Analizer" programu Electronic Workbench podczas symulacji dynamicznej. Na ostatnim rysunku przedstawiono przebiegi z urządzenia Logic Analizer oraz oscyloskopu, którego jeden kanał podłączony jest pod wejście taktujące zegara, a drugi pod przełącznik zegarów (wejście zegara pomijania cykli) podczas, gdy skrzyżowanie jest puste, oraz zasymulowanie pojawienie się pieszego na przejściu P. Na potrzeby tej symulacji czas trwania cyklu dla zegara służącego do pomijania cykli został wydłużony.

33 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych Rysunek 5.8. Zachowanie układu podczas pustego skrzyżowania i pojawienia się pieszego. Jak widać na powyższych rysunkach układ działa poprawnie zarówno pomijając zbędne fazy jak i skracając aktualnie trwające, a zbędne, jednocześnie nie dopuszczając do sytuacji, kiedy minimalny czas trwania fazy uniemożliwiłby przekroczenie przejścia przez pieszego. W przypadku, gdy skrzyżowanie jest puste układ blokuje się w ostatniej pozycji nie następuje zmiana faz, bo i nie ma takiej potrzeby. W momencie pojawienia się obiektu następuje prawie natychmiastowa zmiana świateł (gdyż zegar trwania cyklu od razu znajdzie się w stanie wysokim). Oznacza to tym samym, że minimalny czas trwania Jest to jedynie czas potrzebny na znalezienie najbliższej fazy otwierającej żądany tor ruchu w realnym układzie, gdzie czas pomijania cyklu wynosi ms, nie będzie widoczny efekt opóźnienia, zaznaczony na rysunku 5.8 kolorem szarym.

34 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 4 poprzedniej fazy już został przekroczony. Po opuszczeniu skrzyżowania przez obiekt układ ponownie się blokuje pozostając w ostatnim stanie, co umożliwi ponownie szybkie zareagowanie na zmianę sytuacji.

35 Zastosowane elementy 5 6. Zastosowane elementy Tabela 6.. Spis elementów zastosowanych do wykonania urządzenia. Oznaczenie Element Wartość Cena C, C Kondensator elektrolityczny 470nF/50V 0,5 C Kondensator elektrolityczny 0µF/0V 0,0 C4 Kondensator elektrolityczny 00nF/50V 0,5 R, R Rezystor MΩ/0,5W/5% 0,5 R, R4 Rezystor 0kΩ/0,5W/5% 0,5 SV Gniazdo -złączeniowe,0 X Gniazdo -złączeniowe,0 X Złącze -złączeniowe,0 IC, IC Generator scalony NE555N,00 IC Licznik 4-bitowy 74LS9N,60 IC4, IC6, IC7, IC9, IC Bramka logiczna TTL 74N 5,00 IC5 Multiplekser -bitowy 745N,60 IC8 Bramka logiczna TTL 740N,00 IC0, IC Bramka logiczna TTL 74S08N,80 IC, IC5 Bramka logiczna TTL 7404N,00 IC4 Bramka logiczna TTL 7486N,00 V Przerzutnik D 7475N,00 RAZEM:,65 PLN Zgodne z tym, które zastosowano na schemacie przedstawionym na rysunku 5.. Na podstawie sklepu

36 Wykaz literatury 6 7. Wykaz literatury 7.. Zasoby biblioteczne i czasopiśmiennicze [] P. Horowitz, W. Hill: Sztuka elektroniki Część i. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 996. [] O. Limann, H. Pelka: Elektronika bez wielkich problemów Technika Cyfrowa. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 99. [] J. Pieńkos, J. Turczyński: Układy scalone TTL w systemach cyfrowych. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 986. [4] W. Traczyk: Układy cyfrowe. Podstawy teoretyczne i metody syntezy. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 986. [5] H. Kamionka-Mikuła, H. Małysiak, B. Pochopień: Układy cyfrowe, Wyd. Pracowni Komputerowej Jacka Skalmierskiego, Gliwice 00. [6] W. Sasał: Układy scalone serii UCA64/UCY74. Parametry i zastosowania. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 990. [7] M. Leśko, J. Guzik: Sterowanie ruchem drogowym. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 000. [8] A. Brzozowski, L. M. Hoppe, K. Jamróz, R. Krystek: Efektywność metod sterowania ruchem eksperyment w Warszawie. [9] A. Dobiecki: Wybrane problemy zarządzania ruchem. 7.. Zasoby internetowe [0] [] [] [] [4] [5]