兰州理工大学电信院数电课设交通灯.docx

资源描述

兰州理工大学电信院数电课设交通灯.docx

《兰州理工大学电信院数电课设交通灯.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《兰州理工大学电信院数电课设交通灯.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

兰州理工大学电信院数电课设交通灯.docx

兰州理工大学电信院数电课设交通灯

电子技术综合训练

设计报告

题目：

交通信号灯控制器制作

姓名：

牛博玮

学号：

10220530

班级：

自动化5班

同组成员：

张玉新

指导教师：

吴丽珍

日期：

2013/1/1

摘要

交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车辆的流量，提高交叉路口车辆的通行能力，减少交通事故。

本交通灯设计主要由定时器、控制器、译码显示电路组成。

定时器由74LS160实现，控制器由74LS74

组成，译码电路采用BD4511和七段数码管来显示。

控制器通过74LS74、74LS08、74LS04对定时器进行控制，从而显示红黄绿灯的转换。

关键字：

交通灯控制器定时器译码器

4电路仿真.................................................................................................................................22

1设计任务和要求

1.1设计任务

设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器，控制甲、乙两条交叉道路上的车辆通行。

1.2设计要求

1、每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿三个灯组成，

绿灯绿表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已

过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行；

2、每条道路上每次通行的时间为25S；

3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道；

4、黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次；

5、电源：

220V/50HZ的工频交流电供电；

（注：

直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）

6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，

2系统设计

2.1系统要求

在这一方案中，系统主要由控制器、定时器、译码器等部分组成。

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。

TY：

表示黄灯亮的时间间隔为5秒。

定时时间到，TY=1，否则，TY=0。

ST：

表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。

由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

交通灯控制系统的原理框图如图1所示

图1系统的原理框图

一般情况下，十字路口的交通信号灯工作状态如下：

（1）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）乙车道黄灯亮，乙车道黄灯亮。

表示车辆缓行。

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，乙车道绿灯亮。

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。

交通灯以上3种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。

2.2方案设计

2.2.1控制电路方案设计

控制电路

根据图中的状态转换，控制器有三个状态，因此可由两个触发器构成，本设计中选用两个D触发器产生三个状态，该设计选用四选一的数据选择器74LS153来实现，触发器采用双D触发器74LS74。

第一个触发器控制黄灯和第二个触发器控制红绿灯，由于D触发器是上升沿触发，所以第一个在5进制计时后改变状态，黄灯灭，红绿灯工作，进入25进制计数。

2.2.2计数电路方案设计

十字路口除指示灯显示外，还有数字倒计时显示。

具体为：

当某方向绿灯亮时，另一方向红灯亮，然后以每秒加1的计数方式工作，直至减到数字为“25”时绿灯灭，黄灯从“00”开始工作直到“05”后，红灯亮，而另一方向红灯灭，绿灯亮。

十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。

倒计时计数器选用集成电路74LS160进行设计。

74LS160是十进制同步可逆计数器。

选用两个74LS160级联成一个二十五进制计数器和一个五进制计数器。

将其中作为个位数的芯片的CLK端接秒脉冲发生器（1Hz的脉冲），RCO端接在十位数芯片的CLK端。

当启用五进制计数器时，个位数预置为5，即A接“1”、B接“0”、C接“1”、D接“0”。

当启用二十五进制计数器时，个位数预置为5，即A接“1”、B接“0”、C接“1”、D接“0”。

十位数预置为2，即A接“0”、B接“1”、C接“0”、D接“0”。

2.2.3译码电路方案设计

译码器电路的作用是将控制器输出构成的三种状态转换为AB车道上六个信号灯的控制信号。

定义：

A车道绿灯亮为AG=1，绿灯灭为AG=0；黄灯亮为AY=1，黄灯灭为AY=0；红灯亮为AR=1，红灯灭为AR=0。

同样可以令B车道上绿灯亮为BG=1，绿灯灭为BG=0；黄灯亮为BY=1，黄灯灭为BY=0；红灯亮为BR=1，红灯灭为BR=0。

要求黄灯每秒闪一次，用频率为1Hz的脉冲连在控制黄灯的输入端即可。

2.2.4信号灯与数字显示方案设计

信号灯采用了发光二极管。

信号灯旁用CD4511和数码管显示器显示当前秒数。

3单元电路设计

3.1脉冲信号发生电路的实现

3.1.1电路的基本特点

在数字电路和数字系统中，需要各种脉冲波形。

例如时钟脉冲，控制过程中的定时信号等。

我们可以采用脉冲信号产生电路或通过已有的信号进行变换，来获取所需要的脉冲信号以满足实际系统的要求。

当然，有些电路对时钟脉冲的要求并不是很高，所以可以依据自己电路的实际需求，从性价比方面来选择脉冲发生器，

3.1.2电路基本原理

原本构思中，脉冲信号发生器可以用一片555定时电路构成的多谐振荡器来实现，但是在实际电路中由于是振荡电路，很难满足要求，因此设计用了晶振。

脉冲周期为1s。

图中左边部分用来产生32768HZ的频率，经过4060BD分频为2HZ，在经过D触发器实现1HZ。

因为本电路中用到的是1s的脉冲，所以依据电阻和电容的定值表可以得，我们选R15=10kΩ，R23=10MΩ,R22=470KΩ,C1=C2=15PF。

3.1.3电路原理图

上面即为产生1s的脉冲电路，仿真出的波形如下：

3.2计数电路

3.2.174LS160功能介绍

这种同步可预置十进计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前

进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。

对所有触发器同时加上时钟，

使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。

这种

工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。

缓冲时钟输入将在

时钟输入上升沿触发四个触发器。

这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平。

当预置是同步时，在置数输

入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都

与建立数据一致。

清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为

何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置为低电平。

超前进位电路无须另加门，即可级联出n位同步应用的计数器。

它是借助于两个计

数使能输入和一个动态进位输出来实现的。

两个计数使能输入（ENP和ENT）计数时

必须是高电平，且输入ENT必须正反馈，以便使能动态进位输出。

因而被使能的动态

进位输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度近似等于QA输出高电平。

此高电平溢出

进位脉冲可用来使能其后的各个串联级。

使能ENP和ENT输入的跳变不受时钟输入的影响。

电路有全独立的时钟电路。

改变工作模式的控制输入（使能ENP、ENT或清零）

纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。

计数器的功能（不管使能、不使

能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。

特点

·用于快速计数的内部超前进位

·用于n位级联的进位输出

·同步可编程序

·有置数控制线

·二极管箝位输入

·直接清零

·同步计数

图374LS160外引脚排列

3.2.2计数电路原理图

计时电路设计如图4所示

图4交通灯计时电路

其工作原理为：

由信号源产生的脉冲CP送给74LS160低位片的时钟端CLK处。

输入端ABCD分别接地.。

低位片的行波时钟输出端RCO1与高位片的CLK相连，实现异步置数。

两个芯片的U/D端分别接高电平实现减计数控制。

设计要求绿灯和红灯的持续时间为25s，黄灯持续时间为5s，所以计数电路包括二十五进制和五进制的计数部分.

3.3控制电路

3.3.1控制电路工作原理

控制电路由红绿灯控制和黄灯控制两部分组成，要了解电路的特点，首先应了解交通灯的实际工作工程。

当启动交通灯系统开关后，交通灯开始工作：

假设当甲方向红灯亮时，乙方向绿灯亮，LED数码管从00秒开始加法计数；

25秒后，黄灯开始有频率的闪烁，LED数码管从00秒开始加法计数；

5秒后，甲方向的绿灯亮，乙方向的红灯亮，同时乙方向的黄灯熄灭，LED数码管从00秒开始计数；

25秒后，甲方向的绿灯熄灭，黄灯有频率的闪烁，LED数码管从00秒开始计数；

5秒后，甲方向红灯亮，黄灯熄灭，乙方向的绿灯亮，LED数码管又一次从00开始加法计数。

在我们所设计的电路中，控制电路主要是由计数器输出端的高低电平来控制，当计数器从00s开始计数，一直到05s黄灯发光，而到0s出现时，再给一个脉冲，让它控制红绿灯，红灯发光。

从而实现灯的有序控制。

译码器电路的作用是将控制器输出构成的四种状态转换为甲乙车道上六个信号灯的控制信号。

定义：

甲车道绿灯亮为AG=1，绿灯灭为AG=0；黄灯亮为AY=1，黄灯灭为AY=0；红灯亮为AR=1，红灯灭为AR=0。

同样可以令乙车道上绿灯亮为BG=1，绿灯灭为BG=0；黄灯亮为BY=1，黄灯灭为BY=0；红灯亮为BR=1，红灯灭为BR=0。

则可以得到如下关系：

表4交通灯与控制器的四种状态的关系

状态

设计中要求黄灯亮时每秒钟闪烁一次，可将AY（BY）信号与秒冲信号共同送入与门，然后用其输出信号控制黄灯即可。

3.3.2控制电路原理图

控制电路设计如图6所示

图6交通灯控制电路设

3.4译码电路

3.4.1译码电路工作原理

译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0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4所示。

表中A、B代表甲、乙车道。

表5控制器状态编码与信号灯关系表

Q1Q0

AG绿灯

AY黄灯

AR红灯

BG绿灯

BY黄灯

BR红灯

3.4.2译码电路原理图

译码电路设计如图7所示

译码器的作用是将控制器输出Q1、Q0构成的四种状态装换成为A、B车道上六个信号灯的控制信号。

3.5显示部分

译码显示电路主要是由共阴极LED七段数码管，CD4511译码器组成。

3.5.1共阴极LED七段数码管

数码管分为共阳极结构和共阴极结构。

若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。

此次设计采用的是共阴极连接如图

图8共阴极数码管引脚图

3.5.2CD4511译码器

图9CD4511管脚功能排列图

1.以下介绍各引脚的功能：

其功能介绍如下：

BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

2.数码连接译码电路。

CD4511是一种BCD码输入端,其中D是高电位;a、b、c、d、e、f、g是输出端,输出高电平有效,和共阴极半导体发光数码管各发光段的阳极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，CD4511和数码管的管脚排列图:

6FS电子资料网6FS电子资料网3-3-6FS电子资料网

图10段数码显示器管脚接法

3.真值表

共阳极数码管

的数字显示真值表如下表所示

表6七段显示译码电路真值表

3.5.3译码电路原理图

图11显示电路

3.6直流电源设计

1.直流稳压电源的工作原理

直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，其工作原理图如图12.

图3.

直流稳压电源各部分电路的功能

（1）变压器用于把220V的交流电转换成整流电路所需要的电压U2。

（2）整流电路把交流电U2转变为脉动的直流电。

（3）滤波电路的作用是将脉动直流电压变为脉动较小的直流电Uf。

（4）稳压电路的作用是将比稳定的直流电转换成稳定的直流电压。

2.直流稳压电源multism仿真原理图如图8

图12直流稳压电源仿真原理图

4电路仿真

4.1黄灯先亮5秒仿真

4.2红绿灯亮25秒仿真

5电路安装与调试

5.1电路安装

5.1.2安装焊接

在整体电路进行和单元电路仿真充分验证后，列出元件清单，购买元器件开始安装。

该设计是在万能实验板上进行安装的，根据元器件的布局，首先摆放集成电路块座，待位置合理后，焊接集成块座，然后焊接相邻的分立元件，再依照各集成电路以及分立元件引脚之间的关系，用导线焊接起来，最后再焊接电源线和接地线。

1．布线方向：

从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：

指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。

2．各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。

3．电阻的放置方式分为平放与竖放两种：

（1）平放：

当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好；对于1/4W以下的电阻平放时,两个焊盘间的距离一般取4/10英寸，1/2W的电阻平放时,两焊盘的间距一般取5/10英寸。

（2）竖放：

当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放，竖放时两个焊盘的间距一般取1～2/10英寸。

4．进出接线端布置

（1）相关联的两引线端不要距离太大，一般为2～3/10英寸左右较合适。

（2）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。

5．设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。

6．在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一定顺序要求走线，力求直观，便于安装，高度和检修。

7．设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。

8．布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符；　　

9．设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下的顺序进行。

5.1.2焊盘应注意的常见问题

焊盘内孔边缘到多功能板板边的距离要大于1mm，这样可以避免以后焊盘缺损。

焊盘的开口：

有些器件是在经过波峰焊后补焊的，但由于经过波峰焊后焊盘内孔被锡封住，使器件无法插下去，解决办法是在印制板加工时对该焊盘开一小口，这样波峰焊时内孔就不会被封住，而且也不会影响正常的焊接。

焊盘补泪滴：

当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。

相邻的焊盘要避免成锐角或大面积的铜箔，成锐角会造成波峰焊困难，而且有桥接的危险，大面积铜箔因散热过快会导致不易焊接。

5.2电路调试

如果等到焊接完毕后再进行电路调试,由于电路连线复杂和模块多,则电路调试并不容易,因此最好分块进行调试.本电路中使用分块焊接和分块调试,即首先焊接好的是晶振脉冲电路,用一个发光二极管和秒表测试其完好性和准确性.再焊接发光二极管群,用电源加上限流电阻进行测试,如果二极管均正常发光则该模块焊接完毕.接下来焊接译码显示电路和数码管,并加先流电阻后测试所有段码能否正常工作.接下来焊接的要是计时电路,因为计时电路要通过数码管来进行检测.给计时电路加上已经测试好的时钟脉冲,数码管按照要求正确进行30秒倒计时.最后焊接的是控制电路以及和交通灯之间的逻辑电路,本块焊接完毕后电路按照要求工作则最后的模块以及整个电路是正确的,否则问题很有可能出在最后的模块上,只用对最后一块模块进行检查即可.

在调试过程中如果发光二极管亮度不够，而其他电路检查无误，则一种可能就是二极管的限流电阻太大，可以依据实际调试进行修改。

结论

利用整体电路图在Multisim进行仿真，从计时电路和交通灯各个方面都能够满足要求，焊接后对电路进行了调试，能够满足任务书的要求，而且电路板工作可靠性也能够达到要求。

但是当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调，多值化方向发展随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。

随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,而且此交通灯仅仅控制单一通道上车辆的行驶，要想使其更加实用可靠，就必须改进电路，不但能够控制一条路上车辆的行驶，更能够控制换道行驶的功能。

这样将比以前电路更加复杂但是其方案将更为精确。

总结与体会

开始拿到题目的时候，不知道怎么去做,因为只是了解课本上的理论知识，实际运用很少，对很多的芯片的功能都不是很清楚，所以刚开始的设计很困难。

从收集资料到仿真在到做实物一共用了2天的时间。

在焊接时由于芯片太多，线布的很乱，一共用了一周的时间才做好。

通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力.现在设计已经做好了,但是控制器控制信号灯不是很好。

虽然花了很多的时间，但学到了很多东西。

做课程设计的时候,自己把整个书本都看了几遍，增强了自己对知识的理解，很多以前不是很懂的问题现在都已经一一解决了。

在课程设计的过程中，我想了很多种方案，对同一个问题（像计数器的接法）都想了很多种不同的接法，运用不同这次实践是对自己大学两年半来所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很不全面。

大二马上就要过去了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作实践中不断学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。

本设计是在吴丽珍老师的精心指导和鼓励下完成的。

吴丽珍老师深厚扎实的学识，严谨的学风和真诚谦逊的品质，使我在这次设计过程中收益匪浅。

吴丽珍老师在设计方面对我的指导和帮助令我终身难忘。

在此，谨向吴丽珍老师表示衷心的感谢！

还有所有支持和帮助过我的同学们，特别是我的搭档！

参考文献

[1]康华光电子技术基础---模拟部分［M］北京：

高等教育出版社，2000，7

[2]童诗白模拟电子技术基础［M］北京：

高等教育出版社，2000，10

[3]成立数字电子技术［M］北京：

机械工业出版社，2004，1

[4]阎石数字电子技术［M］北京：

高等教育出版社，2000，5

[5]毕满清电子技术实验与课程设计（第三版）［M］北京：

机械工业出版社，2005，7

[6]谢自美电子线路设计·实验·测试（第4版）［M］北京：

高等教育出版社，2000，3

[7]孙肖子邓建国陈男电子设计指南［M］北京：

高等教育出版社，2006，10

[8]赵曙光可编程器件原理、开发及应用［M］西安：

西安电子科技大学出版社，2002,2

[9]潘松黄继业EDA技术实用教程（第二版）［M］北京：

科学出版社，2006，6

附录

电路主要元件

集成电路：

共阴极数码管—2片CD4511—2片

74LS32—4片74LS00—1片

74LS190—2片74LS08—1片

74LS73—2片

电阻：

300欧姆—6个470欧姆—14个

其他：

发光二极管—6个

展开阅读全文