交通灯控制电路设计课题报告.docx
《交通灯控制电路设计课题报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交通灯控制电路设计课题报告.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
交通灯控制电路设计课题报告
一、实验目的
1、掌握综合使用理论知识和中规模集成电路设计方法
2、熟练掌握万用电表、函数信号发生器、数字电路实验箱、示波器的正确使用方法。
3、能识别和正确使用各种所需的集成块、电阻、电位器等，熟悉集成块的管脚功能结构。
4、自行设计实验图、检查和排除故障。
5、掌握调试及电路主要技术指标的测试方法
二、设计任务和要求
有一条主干道和一条支干道的汇合点形成十指交叉路口，为确保车辆安全、迅速地行驶，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。
红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。
设计一个十字路口交通灯信号控制器，设计要求如下：
1、用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯，用传感器或用逻辑开关代替传感器作检测车辆是否到来的信号，设计制作一个交通灯控制器。
2、由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道处于常允许通行的状态，而支干道有车来才允许通行，当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。
而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯。
3、当主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行24s，支干道每次放行20s，设立24s,和20s计时显示电路。
4、在每次由亮绿灯转变成亮红灯的转换过程中间，要亮4s的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外，设置4s计时显示电路。
三、设计原理和参考电路
1．分析系统的逻辑功能，画出其框图
交通灯控制系统的原理框图如图12、1所示。
它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。
图中：
TL:
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到，TL=1，否则，TL=0。
图12、1交通灯控制系统的原理框图
2．画出交通灯控制器的ASM（AlgorithmicStateMachine，算法状态机）
（1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第
（1）种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表12、1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
表12、1控制器工作状态及功能
控制状态信号灯状态车道运行状态
S0（00）甲绿，乙红甲车道通行，乙车道禁止通行
S1（01）甲黄，乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行
S3（11）甲红，乙绿甲车道禁止通行，甲车道通行
S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，甲车道缓行
AG=1：
甲车道绿灯亮；
BG=1：
乙车道绿灯亮；
AY=1：
甲车道黄灯亮；
BY=1：
乙车道黄灯亮；
AR=1：
甲车道红灯亮；
BY=1：
乙车道红灯亮；
由此得到交通灯的ASM图，如图12、2所示。
设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。
依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。
三．单元电路的设计
1、基于NE555的秒方波发生器
用NE555芯片以及外围电路搭建成一个多谐振荡器，通过设计外围电路的参数输出方波频率为1Hz，故称为秒方波发生器。
由于脉冲的占空比对系统的影响不大，故把占空比设计为1/3。
输出方波用作计数器及D触发器的clk信号。
NE555定时器引脚图如图1所示，脉冲频率公式：
f=1／（R1+2R2）C㏑2
选择R1=47K，R2=47K，RV1=2K，C=10μF，形成电路图如图2所示：
图1
如上图所示，R6和C2组成一个串联的充放电电路，在NE555的7引脚上输出一个方波信号C2上得到一个三角波，此三角波送到NE555的2脚输入端。
由NE555的内部比较器和门电路共同作用，以维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。
2.倒计时计数器
这里是采用两片74192两片芯片构成16和11进制计数器,控制个位数字的74192的减计数控制端接1HZ的脉冲输入,其中输入端A、C是接在一起并接在进制控制器的输出端。
其中两个74192的置数端是由控制十位数字的74192一个高位输出端QD通过一个非门接过来的，并且低位输入端A接高电平，控制十位数字的74192的减计数控制端接控制个位数字的74192的借位输出端BO。
两个74192的清零端都接在紧急开关的一端。
如下图：
3．黄灯控制电路
这里是采用数据分配器74138，该芯片的输入端A、B、C分别接倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QA、QB、QC，为了保证是在显示器只是在显示0~5s时黄灯亮，应把此74138的使能端G1由倒计时计数器中的控制十位数字的74192的输出端QA和由倒计时计数器中的控制个位数字的74192的输出端QD通过一个或门再经过一个非门接过去。
然后6输出端Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y5都分别经过一个非门然后都接入一个或门，那么或门的输出端就是接黄灯的，也即黄灯控制器的输出端。
如下图：
4．信号灯转换电路（计数进制转换器）
信号灯转换器其实就是由计数进制转换器来实现，即一个JK触发器，其中J、K端都同时接高电平，即构成了一个T’触发器，目的就是实现翻转功能，其时钟输入端是由倒计时计数器中的两片74192的八个输出端经过一个或门然后经过一个非门接入。
如下图：
5．交通灯显示电路
一个方向的红灯由信号灯转换电路的反向输出端~Q和一个紧急开关的输出端经过一个或门接入,黄灯是由信号灯转换电路的正向输出端Q和一个紧急开关的输出端经过一个非门以及一个黄灯控制电路的输出端经过一个1HZ的脉冲源,这三个输出端再经过一个和门接入,绿灯由信号灯转换电路的正向输出端Q和一个紧急开关的输出端经过一个非门,这两个输出端再经过一个和门接入;另一个方向的红灯由信号灯转换电路的正向输出端Q和一个紧急开关的输出端经过一个或门接入,黄灯是由信号灯转换电路的反向输出端~Q和一个紧急开关的输出端经过一个非门以及一个黄灯控制电路的输出端经过一个1HZ的脉冲源,这三个输出端再经过一个和门接入,绿灯由信号灯转换电路的反向输出端~Q和一个紧急开关的输出端经过一个非门,这两个输出端再经过一个和门接入.其中还加入一人行道的信号灯,这些灯的接法就是红灯接在相邻车辆信号灯的绿灯上,绿灯接在相邻车辆信号灯的红灯上即可,也就是该方向上的车辆通行,人行道就禁通行,反之,人行道通行.如下图:
6.．紧急开关
该开关这里用的是单刀双掷开关,一端就是接入每个交通灯,直接接红灯,其它灯是经过了一个非门接入,该端还接入到倒计时计数器两片74192的清零端.另一端是不起作用,其实也可以用一个单刀单掷开关,该开关不仅能够在发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。
在处理完紧急事件后,第一次开始进入正常运行状态时还可以通过它控制切换选择哪个方向开始先通行.
图7
五、仿真及调试
EWB仿真软件简介
随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已和计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。
电子设计自动化（EDA）技术，使得电子线路的设计人员能在计算机上完成电路的功能设计、逻辑设计、性能分析、时序测试直至印刷电路板的自动设计。
EDA是在计算机辅助设计（CAD）技术的基础上发展起来的计算机设计软件系统。
和早期的CAD软件相比，EDA软件的自动化程度更高、功能更完善、运行速度更快，而且操作界面友善，有良好的数据开放性和互换性。
电子工作平台ElectronicsWorkbench（EWB）（现称为MultiSim）软件是加拿大InteractiveImageTechnologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件，它具有这样一些特点：
（1）采用直观的图形界面创建电路：
在计算机屏幕上模仿真实实验室的工作台，绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取；
（2）软件仪器的控制面板外形和操作方式都和实物相似，可以实时显示测量结果。
（3）EWB软件带有丰富的电路元件库，提供多种电路分析方法。
（4）作为设计工具，它可以同其它流行的电路分析、设计和制板软件交换数据。
（5）EWB还是一个优秀的电子技术训练工具，利用它提供的虚拟仪器可以用比实验室中更灵活的方式进行电路实验，仿真电路的实际运行情况，熟悉常用电子仪器测量方法。
因此非常适合电子类课程的教学和实验。
PCB图：
印刷图样式：
功能测试
时间显示的调试
因此在调试之初，高位片的借位信号作为计数器的置数控制信号
在调试过程中存在00这种输出状态，这样就会导致红黄绿灯亮的时间分别为60-00，05-00,25-00。
这样每种灯亮的时间就会增加一秒成为61秒，6秒，26秒。
这样就不符合题目要求的时序。
所以需要想办法消除00这种状态。
后来想到00000000这种状态来作为计数器的置数信号，同时这样就会要求除00000000这种状态，其他状态时计数器都能正常倒计数。
所以考虑到将计数器的八个输出端相或作为置数信号。
这个时候也恰好产生一个下降沿来使控制电路输出状态转化，进而使预置数电路的输出变化，然后输入到计数器，这样刚刚好能达到效果。
虽然用到了两个四输入和门和一个二输入和门，但是能有效地消除00这种状态。
使得时序满足设计要求，另外计数过程也更符合实际情况。
时间预置的调试
在设计之初，考虑到用尽量少的芯片作为时间的预置数电路，或者是直接用控制器的不同状态在计数器上实现预置数，但是这样需要用到比较多的逻辑门电路，是电路变得复杂，而且每次调整时间都的重新设计组合逻辑电路，比较繁琐。
后来考虑到用编码器来进行时间预置。
到参考了二~十进制优先编码器。
这是一种可行的时间预置电路，由于输出的有效状态是高电平，所以需在每个输出端加一个非门。
由于是优先编码器，时间预置时只需要考虑优先端，其他端保持输入高电平即可，在控制电路输出一种状态对对应的置数读入时，其他状态的置数都无效。
扩展功能的调试
在设计的电路能完成任务要求后，我考虑通过对电路的局部修改来实现扩展功能。
为了增强电路的扩展功能，可以在计数器的置数信号和控制开关相和来控制两个触发器的时钟脉冲信号，因此当将主道的开关A掷0，打开秒脉冲发生器。
然后将开关掷1即可开始计数，若需要控制从那种颜色的灯先开始计时，先将开关置1然后置0，即可产生一个下降沿脉冲，同时也是一个置数信号。
可以置数为控制器控制的下一状态。
虽然很好的实现了扩展功能，使得任务的所有要求都能很好的实现。
但是在这个时候我产生了一个疑问。
这是一个关于时间延迟的问题。
在计数器的输出变为00000000的瞬间，置数信号变为低电平，同时控制器产生下降脉冲，使得其状态发生改变，我觉得置数信号没有通过组合逻辑电路，应先于控制器状态改变发生置数。
比如，控制器输出为00时，时间预置为44。
当计数器的输出产生置数信号时，由于时间延迟，这一瞬间，时间预置电路应该没有选择到05。
所以，时间预置应该还是44。
这种疑问并不是没有意义，如果是在做电路实物时出现这用延迟，肯定就不能达到在电脑上仿真时的效果。
后来想到，假设真是预置时间还是44不变，在置数完成之前，指数信号输出仍然是0，此时计数器仍然处和置数状态，这是时间预置电路应经变为了下一个状态05，然后计数器就置数为04，所以最终置数后输出会是下一个状态05（经验证这中间确实存在一个跳变即显示输出由44跳变为4，不过时间非常短暂），置数信号变为1，计数器开始正常工作。
在电路调试过程中很多时候都会遇到这种临界状态的时序问题，各种电路变化的先后问题，分析好这些情况才能更好的了解电路，对错误进行有针对性的迅速的调整，设计出比较好的电路。
电路的整体调试
将主道的开关A掷0，打开秒脉冲发生器。
然后将开关掷1即可开始计数，若需要控制从那种颜色的灯先开始计时，先将开关置1然后置0，即可产生一个下降沿脉冲，同时也是一个置数信号。
可以置数为控制器控制的下一状态。
次道亦同。
该电路测试过程过:
主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以预置；
主、次道路绿、黄、红灯亮的时间可以分别调整；
满足任务的要求
六、总电路设计图
6.1
6.2．元件清单及其参数：
序号
名称
元件编号
参数
备注
1
四位二进制加法计数器
74LS160
2
2
双四选一数据选择器
74LS153
2
3
四个二输入和非门
74LS00
14脚
1
3
六个单输入的非门
74LS04
14脚
1
4
四个二输入的和门
74LS08
14脚
3
5
三个三输入和非门
74LS11
14脚
1
6
74LS164
14脚
1
7
显示器
74LS248
16脚
4
8
74LS168
16脚
4
4
双输入和门
74LS32
14脚
1
9
双D触发器
74LS74
14脚
1
10
发光二极管红绿黄
LED
6（各2个）
11
双刀双掷开关
SW-DPDT
6脚
1
12
数码管译码
7448
4
13
3-8译码器
74LS138
1
14
电阻
1K
35
15
电阻
10K
2
16
电阻
47k
2
17
可变电阻
2k
1
18
瓷片电容
0.01uF
1
19
电解电容
10uF
1
所用芯片简介：
QA－QH：
输出端
附总设计大致图：
七、主要仪器及其使用方法
主要仪器有：
稳定电源，剥线钳，数字万用表，数字通用版，电烙铁，镊子。
其中稳定电源由手机电池充电器供给。
使用电烙铁时注意不要手直接触摸。
八、设计过程中的问题及解决方案
1、用PROTUES软件仿真电路。
仿真数字电路时用PROTEUS软件将优于用MULTISIM软件，因为使用PROTUES软件可以直接观察每个引脚的电平，从而帮助设计者更好观察芯片的状态，方便了电路的设计。
（1）合理使用芯片
PROTUES软件中的芯片丰富，但是实验室不一定有仿真图使用过的芯片，所以设计电路时要考虑实验室是否有芯片。
（2）元件的虚接
有些器件的引脚是直接把其引脚放在线上,所以出现了显示灰色信号,开始一直没有发现,其实表面上看上去已经接到电路上了，其实不然。
连电路时必须把线路牢固地接到芯片引脚上。
2、焊电路板过程中的问题
（1）芯片的布局
首先要考虑元器件布局的问题，很多同学仅仅只考虑了芯片摆放的美观性却忽略了合理地摆放芯片的重要性。
合理的摆放芯片其实比美观地摆放芯片更重要，因为合理的布局能够大大减少电路板上飞线的长度。
比如，译码器74LS74就最好摆在计数器74ls164的正上方，因为74LS74的1、2、6、7引脚就是和74161的11、12、13、14引脚相连，所以这些引脚靠的越近越好。
（2）合理利用万能版
要学会利用这块万能板的走线，比如板子过孔都是三个过孔相连的，把同一个节点的所有连线均匀地分布在这三个相连的过孔上。
仿真的时候我们可以把很多线连载一个小小的节点上，但是实际焊万能板的时候却不能这样，因为每个导线或者芯片的引脚都是有一定体积的，焊接之前必须充分考虑到这一点。
每隔留个过孔就又两行铜线，只要对这些铜线稍加处理就能使它们变成电源线和地线。
由于每块芯片都必须接电源线和地线，所以好好利用者写平行的铜线同样能够起到减少飞线的效果。
（3）标记芯片管脚
实际上在万能板上焊接东西是一个比较麻烦的也考验焊接者耐心的事情，但是我们稍稍对板子做一些优化就能简化我们焊接的过程。
比如固定好每块芯片的管座以后在管脚旁边标好引脚的标号，这样能够帮助我们更加准确的把每根导线焊道它该焊到的地方，同时也减少了我们看电路图纸的频率，节约了时间，减小了错误焊接的概率。
（4）善用万用表
要学会使用万用表。
万用表是一种功能非常强大仪器，我们可以利用它短路蜂鸣器报警的功能测试焊点是否虚焊和短线是否短线。
同时当我们不确定一个电阻和电容的值的时候我们同样可以利用万用表把它的值检测出来。
（5）严格按照电路图标号接线
有的芯片比如和非门芯片、非门芯片等，一块芯片中就有多个逻辑门，很多同学喜欢随意使用其中的逻辑门，而我想说的是我们一定要按照仿真图上面的标号选择逻辑门。
这样做是非常有道理的，因为数字电子课程设计用到了大量的数字芯片，自然连线会非常多，我们很可能会不记得那根线连到了芯片的那个引脚，一旦不记得了我们得重新在密密麻麻的导线束中跟踪某跟导线的走势，这样做是非常消耗时间的。
如果严格按照仿真图的标号联线则不会出现上述问题。
九、结论和心得
十、参考文献；
1、《数字电路逻辑设计》（第三版），王毓银主编,高等教育出版社
8.74LS00、74LS04、74LS74、74LS153、74LS138、74LS160NE555等芯片数据手册
9.电子实验和实践，付家才主编，高等教育出版社出版
升级会员 