protel课程设计交通灯控制器.docx
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protel课程设计交通灯控制器
成绩评定表
学生姓名
班级学号
专业
通信工程
课程设计题目
交通灯控制电路
评
语
组长签字：
成绩
日期
20年月日
课程设计任务书
学院
信息科学与工程学院
专业
通信工程
学生姓名
班级学号
课程设计题目
交通灯控制电路
实践教学要求与任务:
1、绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch。
2、绘制电路原理图相应的双面印刷板图*.pcb。
3、熟悉Protel99SE环境。
4、综合应用数字电路知识设计一个交通灯控制器。
工作计划与进度安排:
指导教师：
201年月日
专业负责人：
201年月日
学院教学副院长：
201年月日
1课程设计目的1
2总体方案的设计1
3单元电路的设计3
3.1秒脉冲产生电路3
3.2计时器部分电路4
3.3主控电路5
3.4红绿灯显示电路5
4protel软件实现过程6
4.1protel99SE简介6
4.2protel制作电路图7
4.2.1绘制电路的原理图（*.SCH）7
4.2.2元件封装10
4.2.3原理图的检查10
4.3pcb双面印刷版制作11
4.3.1创建pcb文件11
4.3.2生成网络表12
4.3.3设置pcb设计环境13
4.3.4布置零件封装位置13
4.3.5自动布线15
5设计体会17
6参考文献18
1课程设计目的
1.综合应用数字电路知识设计一个交通灯控制器。
了解各种元器件的原理及其应用。
2.深入了解交通灯的工作原理。
3.熟悉protel环境。
绘制交通灯控制器电路原理图*.sch和相应的双面印刷板图*.pcb。
4.锻炼自己的动手能力和实际解决问题的能力。
2总体方案的设计
（1）通过分析系统的逻辑功能，画出其机构框图如图1。
交通灯控制系统的原理框图如图1所示。
它主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器和计时显示电路等部分组成。
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，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1系统的原理框图
（2）具体分析
1.东西干道绿灯亮，南北干道红灯亮。
南北干道禁止通行。
绿灯亮规定的时间隔30s时，转到下一工作状态。
2.东西干道黄灯亮，南北干道红灯亮。
南北干道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔2s时，转到下一工作状态。
3.东西干道红灯亮，南北干道绿灯亮。
表示东西干道禁止通行，南北干道上的车辆允许通行绿灯亮规定的时间间隔30s时，转到下一工作状态。
4.东西干道红灯亮，南北干道黄灯亮。
表示东西干道禁止通行，黄灯亮足规定的时间间隔2s时，电路又转换到第种1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、S2、S3表示，则控制器的工作状态及功能如表所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
并作如下规定：
控制状态信号灯状态车道运行状态
S0（00）东西干道绿，南北干道红东西干道通行，南北干道禁止通行
S1（01）东西干道黄，南北干道红东西干道停车，南北干道禁止通行
S2（11）东西干道红，南北干道绿东西干道禁止通行，南北干道通行
S3（10）东西干道红，南北干道黄东西干道禁止通行，南北干道停车
其状态表为：
表1
状态
东西车道
南北车道
时间
s0
绿灯亮
红灯亮
25秒
s1
黄灯亮
红灯亮
5秒
s2
红灯亮
绿灯亮
25秒
s3
红灯亮
黄灯亮
5秒
设：
A:
表示东西干道绿灯亮的时间间隔为25秒，定时时间到A=1，否则，A=0。
B:
表示南北干道绿灯亮的时间间隔为25秒，定时时间到B=1，否则，B=0。
C:
表示黄灯亮的时间间隔为5秒，定时时间到C=1，否则，C=0。
状态图如下
A=0C=0
A=1
C=1
C=1
B=1
C=0图2工作状态转换图B=0
3单元电路的设计
3.1秒脉冲产生电路
５５５是一个能产生稳定而精确的时间延迟和频率的控制器。
有触发和复位功能。
外接电阻、电容各一个就能精确控制时间延迟。
作为振荡工作时，振荡频率和占空因子由二个外接电阻和一个外接电容精确控制。
图3秒脉冲产生电路原理图
电路图如图4所示
图4
3.2计时器部分电路
74LS190是单时钟同步十进制加/减计数器，当U /D=0时做加法计数；当U /D=1时做减法计数。
引出端符号及功能：
MAX/MIN进位输出/错位输出端； CLK 时钟输入端（上升沿有效）； CTEN 计数控制端（低电平有效）； A～D 并行数据输入端；LOAD 异步并行置入控制端（低电平有效） ；QA～QD 输出端 ；~RCO并行波时钟输出端（低电平有效）； U /D 加/减计数方式控制端 。
表2
CLK
CTEN
LOAD
U/D
工作状态
*
1
1
*
保持
*
*
0
*
预置数
上升沿
0
1
0
加法计数
上升沿
0
1
1
减法计数
本课设通过用两片74LS190级联实现交通灯控制电路的倒计时功能.
倒计时显示部分通过BCD—7段字形译码器和共阳极7段发光二极管显示器相连来
实现。
电路图结果如图5所示。
图5
3.3主控电路
控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
本课程设计用二—十进制计数器74LS190实现，采用反馈归零法构成四进制计数器，即可从输出端QB、QA得到所要求的4个状态。
输入端为计数器数值为5、0时产生的两个信号相与得到一个控制信号。
3.4红绿灯显示电路
译码器的主要任务是将控制器的输出QA、QB的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表2所示。
表中A、B代表甲、乙车道。
表3
QBQA
AG绿灯
AY黄灯
AR红灯
BG绿灯
BY黄灯
BR红灯
00
1
0
0
0
0
1
01
0
1
0
0
0
1
10
0
0
1
1
0
0
11
0
0
1
0
1
0
由计数器部分电路产生的控制信号脉冲脉冲，送给控制器的74LS190芯片。
从而使控制器状态发生转换。
电路原理图如图6所示。
图6
4protel软件实现过程
4.1protel99SE简介
Protel99SE是Protel公司在80年代末推出的EDA软件,应用广泛功能强大,是个完整的板级全方位电子设计系统。
它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能。
Protel99SE不仅在绘制原理图、PCB版布局布线等方面功能更加完善，而且为用户提供功能强大、使用方便的仿真器，它可以对当前所画的电路原理图进行即时仿真，因此在电路的整个设计周期都可以仿真查看和分析其性能指标，以便及时发现设计中存在的问题并加以改正，从而更好的完成电路设计。
Protel99se软件中提供了SIM99se数模混合仿真器集成软件可以对许多电子线路进行模拟设计，模拟运行，反复修改。
提供了接近6000个仿真元件和大量的数学模型，可以对电工电路，低频电子线路、高频电子线路和脉冲数字电路在一定范围内进行仿真分析。
仿真结果以多种图形方式输出，直观明了，可以单图精细分析，也可以多图综合比较分析、并可通过不同的角度进行分析，以获得对电路设计的准确判断。
Protel99se仿真方面其具有的特点有：
强大的分析功能、丰富的信号源、充分的仿真模型库、友好的操作界面。
4.2protel制作电路图
4.2.1绘制电路的原理图（*.SCH）
（1）创建一个项目
首先启动protel99SE系统。
如图7所示，创建一个项目，名称为JiaoTongDeng.ddb。
图7
单机【OK】，显示结果如图8
图8
（2）创建原理图文件（*.SCH）
打开Documents文件夹，单击右键，选择New，结果如图9所示
图9
选择SchematicDocument文件夹，单击【OK】，结果如图10所示
图10
（3）添加元件库
执行菜单命令【Dsign】/【Add/RemoveLibrary】，单击Add按钮添加所需要的元件库。
本课程设计需要从【ProtelDOSSchematic】库中添加NE555定时器；从【sim】库中添加7段数码管AMBERCA、BCD—7段字形译码器7446和十进制加/减计数器74LS190；从【MiscellaneousDevice】库中添加LED、电阻、电容、与或非门逻辑器件。
（4）按设计的电路原理图添加元件并连接电路，结果如图11所示
图11
4.2.2元件封装
双击元件，为每个元件设置封装号和元件名称。
电阻R1的封装号如图12所示。
图12
电阻R1~R8的封装号相同。
无极性1的封装号为RAD0.1，有极性电容C2的封装号为POLAR0.8，LED的封装号为DIODE0.4，集成芯片的封装号再添加元件时自动给出。
4.2.3原理图的检查
原理图绘制完成后，要进行检查。
因为原理图与其他的图不同，不是简单的电路的点和线，而是代表着实际的电器元件和它们之间的相互连接。
因此，它们之间不仅仅具有一定的拓扑结构，还必须遵循一定的电气规则。
电气规则检查（ERC）是进行电路原理图设计过程中非常重要的步骤之一；原理图的电气规则检查是发现一些不应该出现的短路、开路、多个输出端子短路和未连接的输入端子等。
电气规则检查还对原理图中所用元件里，若有元件输入端有定义，则对该元件的输入端进行是否有信号源的检查，若没有直接信号源，系统会提出警告。
做好的办法就是在该端放置“NOERC”。
执行菜单命令【Tools】/【ERC】，对原理图进行电气特性检查，运行结果如图13所示。
图13
结果显示电路原理图无电气特性错误。
4.3pcb双面印刷版制作
印制电路板，又称印刷电路板、印刷电路板，简称印制板，英文简称PCB（printedcircuitboard）或PWB（printedwiringboard），以绝缘板为基材，切成一定尺寸，其上至少附有一个导电图形，并布有孔（如元件孔、紧固孔、金属化孔等），用来代替以往装置电子元器件的底盘，并实现电子元器件之间的相互连接。
由于这种板是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。
习惯称“印制线路板”为“印制电路”是不确切的，因为在印制板上并没有“印制元件”而仅有布线。
它是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体。
4.3.1创建pcb文件
（1）立空白PCB文件。
执行菜单命令【File】/【New】/【PCB】，即可完成PCB文件的建立。
（2）命名PCB文件在PCB编译环境中，执行菜单命令【File】/【SaveAs…】将“PCB1”更名为“jiaotongdeng”。
新创建的PCB编辑界面如图14所示。
图14
4.3.2生成网络表
打开原理图编辑窗口，执行菜单命令【Dsign】/【createNetlist】，如图15所示。
图15
单击【OK】，运行结果如图16所示。
图16
4.3.3设置pcb设计环境
（1）进入PCB系统后的第一步就是设置PCB设计环境，包括设置格点大小和类型，光标类型，版层参数，布线参数等等。
大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。
（2）规划电路版，主要是确定电路版的边框，包括电路版的尺寸大小等等。
在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘。
对于3mm的螺丝可用6.5~8mm的外径和3.2~3.5mm内径的焊盘对于标准板可从其它板或PCBizard中调入。
（3）在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成KeepOut层，即禁止布线层。
4.3.4布置零件封装位置
Protel99可以进行自动布局,也可以进行手动布局。
如果进行自动布局，运行"Tools"下面的"AutoPlace",用这个命令，你需要有足够的耐心。
布线的关键是布局，多数设计者采用手动布局的形式。
用鼠标选中一个元件，按住鼠标左键不放，拖住这个元件到达目的地，放开左键，将该元件固定。
Protel99在布局方面新增加了一些技巧。
新的交互式布局选项包含自动选择和自动对齐。
使用自动选择方式可以很快地收集相似封装的元件，然后旋转、展开和整理成组，就可以移动到板上所需位置上了。
当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。
（1）打开PCB编辑界面，执行菜单命令【Design】/【LoadNetlist】，如图17所示
图17
（2）单击Browse，选择jiaotongdeng.NET并单击【OK】，结果如图18所示
图18
（3）单击【Execute】，然后手动布线，如图19所示。
图19
4.3.5自动布线
（1）设置电路板的禁止布线区域
首先在PCB编辑器工作状态下，设定当前的工作层面为“Keep-OutLayer”。
然后确定电路板的电器边界。
执行菜单命令【Place】【Line】，光标变为十字状。
将光标移到工作窗口中的适当位置，确定一边界的起点。
然后拖动光标至某一点，再确定电器边界一边的终点。
（2）自动布线
执行菜单命令【AutoRoute】，选择自动布线的方式为all。
选中除了AddTestpoints以外的所有项，特别是选中其中的LockAllPre-Route选项，RoutingGrid可选1mil等。
自动布线开始前PROTEL会给你一个推荐值可不去理它或改为它的推荐值，此值越小板越容易100%布通，但布线难度和所花时间越大。
在弹出窗口中单击【Routeall】，单击【OK】，运行结果如图20所示。
图20
假如不能完全布通则可手工继续完成或UNDO一次（千万不要用撤消全部布线功能，它会删除所有的预布线和自由焊盘、过孔）后调整一下布局或布线规则，再重新布线。
完成后做一次DRC，有错则改正。
布局和布线过程中，若发现原理图有错则应及时更新原理图和网络表，手工更改网络表（同第一步），并重装网络表后再布。
需加粗的地线、电源线、功率输出线等加粗，某几根绕得太多的线重布一下，消除部分不必要的过孔，再次用VIEW3D功能察看实际效果。
手工调整中可选Tools-DensityMap查看布线密度，红色为最密，黄色次之，绿色为较松，看完后可按键盘上的End键刷新屏幕。
红色部分一般应将走线调整得松一些，直到变成黄色或绿色。
设计体会
这次课程设计使我进一步熟悉了Protel99SE。
本次课程设计通过使用Protel99SE软件来设计实现交通灯控制电路。
电路由脉冲产生电路、倒计时器部分电路、主控制电路、红绿灯显示电路4部分组成。
其中脉冲产生电路由555定时器构成的多谢振荡器实现；倒计数器由十进制加/减计数器实现，输出结果通过BCD—7段字形译码器和共阳极7段发光二极管显示器相连，显示倒计时时间；主控制电路用二—十进制计数器74LS190实现；控制器输出的信号体内通过译码电路控制交通灯的变化。
通过此次课设，我深深地认识到了Protel99SE的强大功能。
Protel99SE通过把电路图设计、PCB绘制编辑、电路的仿真等技术的完美融合，为用户提供了全线的设计解决方案，使用户可以轻松地进行各种复杂的电子电路设计工作。
尤其是其强大的绘制原理图和PCB的功能，更是给我留下了深刻地印象。
此次课程设计让我收获颇多，为我以后的学习和工作都奠定了良好的基础。
参考文献
[1]余孟尝.数字电子技术基础简明教程.第三版.北京:
高等教育出版社,2006:
254-301
[2]王永华.现代电气控制及PLC应用技术.第5版.北京:
北京航空航天大学出版,2003:
50-95
[3]康华光.电子技术基础（数字部分）.第5版.北京:
清华大学出版社,2010:
48-79
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