根据数字电子技术的交通灯设计.docx
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根据数字电子技术的交通灯设计
附录Ⅰ
附录Ⅱ
正文
1选题背景
在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。
因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。
交通信号灯常用与交叉路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。
有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。
自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化、科学化、简便化。
尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。
1．1指导思想
系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器、信号灯显示器五大部分组成。
其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号，通过定时器向控制器发出三种定时信号，使相应的发光二极管发光。
译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，分别产生三种倒计时时间显示，控制器根据定时器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。
1．2方案论证
在本次任务中我设计了两个方案，方案框图分别为下图1—1和1—2
图1—1设计方案一原理框图
图1—2设计方案二原理框图
图1—1为方案一的总体设计框图。
系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器组成。
其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。
图1—2为方案二的总体设计框图。
系统主要秒脉冲信号发生器、计数部分、控制器、译码显示部分、模式选择开关以及主支干信号显示组成。
其核心也是控制器，但它通过直接控制高位计数器的置数使计数器的置不同的数值；同时结合模式选择开关实现模式一与模式二的选择。
经过仿真和认真论证，虽然上述两个方案都达到完成设计中提出的目标方案二因为使用的元器件少，而且原理简单易懂成为本次设计任务的实际使用方案。
1．3基本设计任务
设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯。
红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则停止行驶
（给行驶中的车辆有时间停在禁行线以外）。
具体要求如下：
（１）用红、绿、黄发光二极管作信号指示灯。
（2）让主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行。
可用逻辑开关作
支干道检测车辆是否到来的的信号。
（3）主支干道交替允许通行。
主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。
（4）在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中，要亮5秒钟的黄灯作为过渡。
（5）设置45秒、25秒计时、5秒计时显示电路。
参考元器件：
74HC160/161，74HC74，74HC00，74HC153，74HC138，74HC04，CD4060等。
1.4发挥设计任务
（1）上电置数功能
1．5电路特点
模式一：
利用两片器74LS190N的借位信号经过门电路的处理后控制各自的置数端，并且接至一片74ls160N的时钟段产生循环控制信号。
循环控制信号控制一片74LS153N对高位74LS190N计数器置4、0、2、0四个数字。
与此同时通过另一片74ls153和必要的门电路控制灯显。
模式二：
用两个单刀双掷开关分别对各个集成块的控制位进行控制，从而完成模式二的功能。
2电路设计
总体方框图见表1—2.
2.2工作原理
2.2.1秒脉冲信号发生器的选择与工作原理
方案一：
本实验采用555定时器组成秒脉冲信号发生器。
因为该电路的输出脉冲的周期T≈0.7（R1+2R2）·C,若T=1s，令C=10μf，R1=39KΩ,那么R2≈51KΩ。
取一固定电阻47KΩ与一个5KΩ的电位器想串联代替电阻R2
。
在调试电路时，调节电位器RP,使输出脉冲周期为1s。
如图3.1所示
方案二：
用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器,如图3.2。
先用石英晶体振荡器和若干电阻电容组成频率为32768Hz的信号发生器，再用十四位二进制计数器CD406014进行14分频使其成为2Hz的信号，最后用D触发器进行2分频，使其成为频率为1Hz的秒脉冲信号。
方案选择：
本设计中由于用秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度会影响计数器的精度，进而影响控制系统的精度，因此要求秒脉冲信号具有比较高的精度，为提高精度可先做一个频率比较高的矩形波振荡器，然后将其输出信号分频，就可以得到频率较低而精度比较高的脉冲信号发生器。
用石英晶体构成秒脉冲信号发生器不需要外加输入信号，而且其脉冲频率很稳定，起振快、时基精度高，它的工作频率仅决定于石英晶体的振荡频率，而与电路中的R、C的数值无关。
综上考虑，在实际应用中秒脉冲信号发生器的设计选用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器。
但由于本次设计是基于multisim10.1软件的，而multisim10.1上不支持石英晶体振荡器，所以在仿真过程中可以使用555定时器构成的秒脉冲触发器代替。
在仿真精度不高的前提下，也可以使用RC多谐振荡器构成的电路来提供秒脉冲。
2.2.2控制器部分的设计
控制器是本次任务设计的核心。
本次设计根据任务要求可以将输出归为四种状态。
即S0主绿、S1黄、S2主红、S3黄
S0、S1、S2、S3状态分别分配状态编码为00、01、11、10，由此得到控制器的状态，如表2—1所示
图2—1控制器
状态
主干道
支干道
时间（s）
S0
绿灯亮，允许通行
红灯亮，禁止通行
45
S1
黄灯亮，停车
红灯亮，禁止通行
5
S2
红灯亮，禁止通行
绿灯亮，允许通行
25
S3
红灯亮，禁止通行
黄灯亮，，停车
5
表2—1.状态转换表
每当片74ls190同时借位时，借位信号通过门电路给74ls160一个脉冲，使74ls160加1。
就能实现00，01，10，11的循环并连接到74ls153的控制端，从而控制74ls153进行正确的选择；
借位信号在控制给74ls160脉冲的同时反接回两片计数器的置数端。
从而实现与74ls153的信号同步。
2.2.3主支干道信号显部分的设计
借位信号在控制计数器的同时也通过74ls138和另两片74ls153对发光二极管进行控制。
具体方式如下：
74ls160的输出接入74ls138输入端的低两位，最高位接地（即将74ls138改为两位译码器）输出对应输出见表2—2：
状态
74LS160输出
74ls138输入
74ls138输出
S0
00
000
0111
S1
01
001
1011
S2
10
010
1101
S3
11
011
1110
表2—2灯控部分状态转换表
由此可得主干道信号显示部分的硬件设计。
图2—2主支干道显示部分模拟图
2.2.4模式控制部分的设计
因为对控制器的信号值占用了74ls153上两个数据选择器各一个输入端，我们可以利用其它的输入端，通过控制74ls153的选择端来控制它的选择。
于是。
我们人为的将开关的；两个输入端分别接地和VCC。
在需要切换模式时按动开关，改变数据选择器选择端的电平，从而改变模式。
仿真图如图2—3
图2—3模式控制部分仿真图
3各部分电路的仿真
这是本次设计任务的总仿真图。
4电路设计实物的焊接与调试
通过理论知识的计算，设计完成后，利用multisim软件仿真无误之后，我们开始实物的安装焊接，首先为了确保电路的安全可行性，我们首先利用面包板进行了安装和调试，最终观察到各部分的结果后，我们才开始了在电路板上进行焊接。
4.1调试时使用的仪器与仪表
双通道示波器、电源、信号源、万用表等等。
4.2电路板上实物的焊接与调试
由于本次设计结果所有器件较多，所以要先期对电路板进行规划。
所以我花去了大量地时间。
在焊接过程中，我采取的是分步调试的办法，即将各部分分开调试完成最后串联运行。
4.3电路调试的过程。
1）检测各元件能否正常使用
2）照原理图分部分接线
3）上电检测，用万用表测量各点电位。
解决出现的问题。
5小结
这次课程设计历时整整一个星期。
通过这一个星期的课程设计，我发现了自己的很多不足，自己知识的很多漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。
在课程设计过程中，光有理论知识是不够的，还必须懂一些实践中的知识。
这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。
刚开始的时候，我们就分配好了各自的任务，我主要负责定时器及数字显示器的设计，李世彦同学主要负责秒脉冲信号发生器及控制器的设计。
然后我们积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性。
在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。
团结协作是我们成功的一项非常重要的保证。
而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。
本次课程设计也巩固和加深了我对电子线路基本知识和理解，提高了综合运用所学知识的能力，增强了根据课程需要选学参考资料，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。
然后深入研究，提出方案，对比后得出最终的可行方案。
同时我也初步学习到了关于课程设计的基本方法、步骤和撰写设计论文的格式。
通过这次课程设计，我想说：
为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐。
和团队人员这七天的一起工作的日子，我们相互帮助、默契配合。
对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。
让我知道了学无止境的道理。
我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆
6设计体会及改进意见
6.1体会
本次课程设计思路非常简单，但是电路板的焊接对我来说是一个挑战。
在本次的课程设计过程中，第一让我重新认识到自己不仅理论知识方面存在很多的欠缺，而且动手操作能力太差，急需锻炼与提高。
此外，我们在实践操作过程中与理论会有些许的偏差，利用软件仿真出来的结果在现实中太理想化，那些只能给我们做一些参照和指导，真正的结果还需要我们在实践中寻求探索；第二我对一些仪器的原理结构等有了更深刻的认识，对今后的学习有莫大的帮助。
6.2本方案特点及存在问题
1）本方案经过本人的多次设计仿真已经尽量实现使用尽量少的元件完整地实现设计设计人物中的所有要求。
做到成本最小化。
但同时也存在着一些问题：
2）系统运行于模式二时，本设计方案有无法控制数码显示部分的清零。
这一情况在实际应用时可能使驾驶员产生误解。
3）对现实情况的模拟不够充分，没有进行左拐道或者其他复杂情况的设计。
6.3改进意见
基于本方案存在的一些问题，我认为可以有以下几点改进的地方：
1）在模式二时使用电源控制法或者对数码管的移码电路进行控制达到让数码管显示预定值的目的
2）结合单片机课程的学习，我们可以使用51系列单片机加上必要的外围电路实现上诉功能，并且丰富设计内容，使之更贴近实际应用。
（例如加入左转优先以及其他一些在现实生活中经常遇到的问题）
参考文献
【1】童诗白主编．模拟电子技术基础（第四版）．北京：
高等教育出版社，2009
【2】党宏社主编.电路电子技术实验与电子实训.北京：
电子工业出版社，2008
【3】胡宴如主编.模拟电子技术.北京.高等教育出版社，2000
【4】杨刚，周群主编.电子系统设计与实践.北京：
电子工业出版社，2005
附录Ⅰ：
元器件清单
元器件名称
型号
数量／个
计数器
74LS190N
2
异或门
74LS86N
1
与非门
74LS00N
1
数据选择器
74LS153N
3
计数器
74LS160N
1
非门
74LS04N
1
与门
74LS08N
1
或门
74LS32N
1
译码器
74LS138N
1
译码器
CD4511
2
分频器
CD4060
1
电容
22pF
1
可变电容
0—50pF
1
电阻
22M
1
电阻
22K
1
电阻
240
14
开关
SPDT
2
晶振
32.768KHz
1
附录Ⅱ：
原理总图
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