交通信号机实验总结报告.docx
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交通信号机实验总结报告
电子电路实验3
实验总结报告
题目名称：
多功能交通信号机
学生姓名：
学号：
学生电话：
指导教师：
王革思
验收日期：
2016年3月24日
电工电子实验教学中心制
摘要
交通信号机是现代城市交通系统的重要组成之一，主要用于城市道路交通信号的控制与管理。
道路上常见的交通信号机有感应控制，定周期控制，多时段控制，单点优化控制等多种功能。
本次实验所设计的交通信号机是道路上信号机的简化版，它主要有自动/手动工作方式、夜间服务（黄闪）、绿闪控制、时间设置、时间显示等功能，是集信号灯控制及时间显示功能于一体的交通信号机。
本次实验的设计过程是，根据功能和技术指标要求，采用自上而下的设计方法，从整个系统功能出发，进行最上层的系统设计，然后逐级向下完成若干个模块（单元）电路设计。
首先完成信号灯控制器和时间显示器的电路结构设计；其次，进行信号灯控制器的电路设计，包括周期信号产生电路、信号灯指示电路、脉冲信号产生电路、时间设置电路和时钟信号产生电路五个部分，设计完成后利用Multisim仿真软件进行各个部分的仿真验证，最后进行整体电路的仿真验证，证明了信号灯控制器的合理性和可行性；然后，完成时间显示器的设计，包括时间测量电路、置数电路、复位电路、倒计时器和动态扫描译码电路五个部分，设计完成后利用QuartusII仿真软件进行各个部分的仿真验证，最后进行整体电路的仿真验证，证明了时间显示器的合理性和可行性。
设计完成之后，进行电路的安装和调试。
同样采用自上而下的方式，首先，安装并调试每个子系统对应的单元电路；然后，逐渐扩大将几个单元电路进行联调；最后，进行整机调试。
当实现了设计的功能目的，表示实验成功。
从功能及技术性能测试结果来看，该交通信号机的已经达到设计要求。
目录
第1章系统总体方案设计1
1.1题目简介1
1.2功能及技术性能指标要求1
1.3信号灯控制器电路结构及工作原理2
1.4时间显示器电路结构及工作原理3
第2章信号灯控制器设计与仿真4
2.1周期信号产生电路4
2.2信号灯指示电路8
2.3脉冲信号产生电路8
2.4时间设置电路8
2.5时钟信号产生电路8
2.6信号灯控制器整体电路8
第3章时间显示器设计与仿真8
3.1时间测量电路8
3.2置数电路8
3.3复位电路8
3.4倒计时器8
3.5动态扫描译码电路8
3.6顺序脉冲发生器8
3.7时间显示器整体电路8
第4章系统硬件电路测试12
4.1信号灯控制器12
4.1.1时钟信号产生电路8
4.1.2手动脉冲信号产生电路8
4.1.3定时器电路8
4.1.4整体电路8
4.2时间显示器12
实验总结16
参考文献16
附录17
附录一信号灯控制器元器件明细表17
附录二信号灯控制器实物照片17
附录三实验日志17
第1章系统总体方案设计
1.1题目简介
交通信号控制机是现代城市交通系统的重要组成部分，主要用于城市道路交通信号的控制与管理。
信号控制机的功能由红绿黄三种颜色的灯显示，红灯表示禁止通行，绿灯表示允许通行，黄灯表示警示慢行。
通过不同颜色的灯发出的信息，指导行人和车辆有序通过交叉路口。
目前，交通信号控制机的控制方式有定时控制、感应控制和自适应控制三种形式。
定时控制：
按照预先设定的时间控制方案进行相位信号输出，也称为定周期控制。
定时控制又分为两种，单时段控制和多时段控制。
单时段控制是指一天内只采用一个时间控制方案。
多时段是指一天24小时分成多个时段采用不同的时间控制方案，来适应不同时段的交通状况。
最基本的控制方式是单个交叉口的定时控制。
感应控制：
在交叉口设置车辆行人感应检测装置，根据检测到的数据，实时的自动调整信号控制参数和时间控制方案。
感应控制的基本方式是单个交叉口的感应控制，简称单点控制感应控制。
根据感应和战略检测器5分钟的数据，进行交通强度—周期优化。
单点感应控制随检测器设置方式的不同可分为半感应控制和全感应控制。
自适应控制：
预设一个希望的动态特性指标，如车流量、停车次数、延迟时间、排队长度等。
再连续测量交通状况的动态特性数据，将数据和指标进行比较，利用差值来控制交通系统的可调参数，来进行动态特性指标的维持。
通过这样的动态调整，无论环境如何变化，均可使控制效果达到最佳。
倒计时显示器是一种城市交通信号的辅助设备，它帮助司机和行人实时了解信号灯的时长，以便做出正确的判断。
倒计时显示器具备自动检测交通信号的时间的功能，当时间控制方案改变，能够自动识别其变化，自动采集并记录交通信号周期，并和交通信号灯的显示同步。
通过这样的设计，可以减少车辆通过路口的延误时间，提高交通效率。
本次实验将交通信号控制机和倒计时显示器的功能集于一体，以数字集成电路、可编程逻辑器件FPGA为主要器件，设计的是定时控制中的单时段控制交通信号机，具有功能多、时间准确、可靠性强、成本低、操作简单、便于维护等特点。
1.2功能及技术性能指标要求
多功能交通信号机包括信号灯控制器和时间显示器两部分，它们之间的电路结构相对比较独立。
其功能及技术性能指标要求如下：
信号灯控制器：
（1）输出控制回路数：
6路，分别控制东西方向和南北方向的红灯、绿灯和黄灯；
（2）信号灯控制方式：
自动/手动；
（3）绿灯时间设置：
0s~90s；
（4）绿闪时间设置：
3s；
（5）黄灯时间设置：
2~3s；
（6）四面红灯时间设置：
2s；
（7）夜间服务：
启动黄灯闪烁。
时间显示器：
（8）测量时间范围：
0s~90s；（9）测量误差：
≤1s；（10）测量方式：
自适应；（11）显示时间范围：
99s~1s；（12）显示时间方式：
LED数码管，两位，共阳极，动态扫描。
（13）路数：
3路（红灯、绿灯和黄灯）。
1.3信号灯控制器电路结构及工作原理
多功能交通信号机共有八个工作周期，见表1.1。
第一个周期为四面红，时间为2s；第二个周期为东西绿，时间为0s~90s；第三个周期为东西绿闪，时间为3s，第四个周期为东西黄，时间为2s~3s；第五个周期为四面红，时间为2s；第六个周期为南北绿，时间为0s~90s；第七个周期为南北绿闪，时间为3s，第八个周期为南北黄，时间为2s~3s。
表1.1多功能交通信号机工作周期表
工作
周期
东西方向
南北方向
时间
设置
红灯
绿灯
黄灯
红灯
绿灯
黄灯
1
亮
灭
灭
亮
灭
灭
2s
2
灭
亮
灭
亮
灭
灭
0s~90s
3
灭
闪
灭
亮
灭
灭
3s
4
灭
灭
亮
亮
灭
灭
2s~3s
5
亮
灭
灭
亮
灭
灭
2s
6
亮
灭
灭
灭
亮
灭
0s~90s
7
亮
灭
灭
灭
闪
灭
3s
8
亮
灭
灭
灭
灭
亮
2s~3s
依据表1.1所设计的信号灯控制器由脉冲信号产生电路、周期信号产生电路、信号灯指示电路、时间设置电路及时钟信号产生电路组成，其电路结构如图1.1所示。
图1.1信号灯控制器电路结构框图
通过【自动/手动】按键，可选择编码电路的控制方式。
当调到自动模式时，时间设置电路控制步进脉冲产生电路（预先设置好电路状态的时间），74160芯片在步进脉冲的作用下，产生表示信号灯控制电路八种方式的8组编码信号：
0000~0111。
7442芯片在编码信号的作用下，进行译码，按照表1.1中的顺序驱动相应的信号灯状态。
当调到手动模式时，脉冲信号产生电路启动，每按动一次【脉冲】按键，即产生一个脉冲信号，驱动74160芯片工作，从而驱动7442芯片工作，从当前的状态转换到下一个状态，仍按照表1.1。
时钟信号产生电路一方面为定时器电路提供基准的时钟信号，另一方面产生黄闪和绿闪的效果。
1.4时间显示器电路结构及工作原理
时间显示器由时间测量电路、控制电路、时间显示电路及时钟电路组成，其电路结构如图1.2所示。
其中，时间显示电路包括三个功能相同的倒计时器、动态扫描译码电路和LED数码管；时钟电路包括时钟信号源、分频器；控制电路包括置数电路、复位电路。
图1.2时间显示器电路结构框图
交通信号机控制的信号灯的顺序是：
红灯亮，绿灯亮，黄灯亮，循环往复。
高电平代表灯亮。
当R/G/Y三路高低电平信号输入，通过时间测量电路检测高电平（即灯亮）的持续时间。
当下一个工作周期到来，置数电路产生置数信号LD，可控制时间检测电路的结果DATA置入相应的倒计时中。
同时，LD作用于清零电路，产生CLRN清零信号，将时间测量电路复位清零，再重复当前的工作。
倒计时器置入的数据在时钟电路的控制下递减，经过动态扫描译码电路驱动LED数码管，显示当前工作的剩余时间。
时钟电路产生1Hz信号，与所熟知的时间计数s相对应，控制时间测量电路、倒计时器和动态扫描译码电路。
时间显示器开始工作后，第一个循环周期只能进行数据的测量和置数，倒计时器不工作，因此数码管不工作。
从第二个周期开始，时间显示器同时进行数据的测量和倒计时的显示。
第2章信号灯控制器设计与仿真
2.1周期信号产生电路
2.1.1电路结构和工作原理
周期信号产生电路由反相器U1A、电阻R1、74160芯片、7442芯片、开关SW1等组成，如图2.1所示。
图2.1周期信号产生电路图
在时钟信号源V1（5V，100Hz）脉冲信号的作用下，U2的输出端QC、QB、QA编依次输出编码信号，而U3的输出端输出译码信号。
夜间服务按键SW1选用带锁按键。
SW1自锁状态时，其输出低电平，产生清零信号，使得编码电路和时间设置电路处于非工作状态。
2.1.2仿真结果
逻辑分析仪（设置100Hz）输入端分别接在U2的QD、QC、QB、QA端和U3的0~8端，夜间服务按键为非自锁状态。
逻辑分析仪显示波形如图2.2所示。
图2.2周期信号产生电路输出波形图
从图中可知，在时钟信号作用下，U2的QD、QC、QB、QA端依次输出0000–0111，而U3的0~8端依次为低电平，表明仿真结果正确。
2.2信号灯指示电路
2.2.2电路结构和工作原理
电路由信号灯译码控制电路、信号灯驱动电路和信号灯指示电路组成。
当黄闪按键接地时，将U7D的输出置成低电平，信号灯译码控制电路无效，两个黄灯在时钟信号（一高一低的电平）的控制下，产生黄闪现象。
当黄闪按键接高电平，黄闪信号消失。
左下角六个开关模拟译码器输出的结果，控制信号灯产生八种状态。
当绿闪信号接高电平，二极管截止，绿闪信号消失。
图2-3信号灯指示电路图
图中开关ZQ2-ZQ4和ZQ6-ZQ8用来产生6个周期信号，而时钟信号源V2（5V，30Hz）用做黄灯和绿灯闪烁。
2.2.2仿真结果
2.3脉冲信号产生电路
2.3.1电路结构和工作原理
脉冲信号产生电路由手动脉冲信号产生电路、步进脉冲信号产生电路和自动/手动按键组成，如图3.4所示。
图3-4脉冲信号产生电路图
其中，手动脉冲信号产生电路包括【脉冲】按键和锁存器；步进脉冲信号产生电路包括来自时间设置电路的信号和来自周期信号产生电路的信号以及逻辑门电路。
手动脉冲信号产生电路中，开关接地，锁存器一端接高电平，一端接低电平；开关接高电平时则相反。
根据锁存器的工作原理，将产生高低不同的信号，并锁定。
一高一低产生脉冲信号，通过【手动/自动】按键输送至编码器，触发其工作。
步进脉冲信号产生电路的信号一部分来自于时间设置电路，一部分来自于周期信号产生电路，通过逻辑门电路，控制步进脉冲产生电路的输出，八种状态的持续时间即输出高电平的持续时间。
信号通过【手动/自动】按键输送至编码器，触发其工作。
2.3.2仿真结果
在手动脉冲信号产生电路输出端接入示波器，按动开关SW3，示波器显示的波形如图3.4所示，从图中可知，当按动【脉冲】按键时，一开一合即产生一个脉冲信号，以此手动控制编码器进行工作。
图3.4手动脉冲信号产生电路输出波形图
2.4时间设置电路
2.4.1电路结构和工作原理
时间设置电路由定时器电路和时间选择开关电路组成，如图3.5所示。
图3.5时间设置电路图
其中，定时器电路包括两片74160芯片和两片7442芯片；时间选择开关电路包括10个开关和9个开关。
定时器电路中，在脉冲信号的驱动下，74160芯片进行计数工作，即编码工作，产生10种状态的编码信号，通过7442的进行译码。
时间选择开关电路中，译码的信息通过电路的开合，改变一个循环周期的方波的占空比，以此来进行时间的设置。
2.4.2仿真结果
根据仿真波形分析，时间设置电路通过改变开关的开合，来改变高低电平的持续时间的比值，从而控制信号灯的时间。
2.5时钟信号产生电路
2.5.1电路结构和工作原理
时钟信号产生电路包括555计时器、R10、R11、C1、C2，组成了多谐振荡器。
图3.6所示，其输出频率为1Hz的时钟信号。
图3.6时钟信号产生电路图
时钟信号的周期T、频率f的计算：
2.5.2仿真结果
由波形图可以看出，产生了时钟信号。
2.6信号灯控制器整体电路
信号灯控制器整体电路如图3.7所示。
该电路仿真操作、分析过程如下：
1．夜间服务仿真
按下SW1开关，使其输出低电平，则无论其余开关是怎样的状态，一直处于黄闪状态，表明仿真结果正确。
2．手动工作方式仿真
按下SW2开关，选择手动工作方式；然后再连续按动SW3，则信号灯按照表1.1的八个状态依次进行，循环往复，表明仿真结果正确。
3．自动工作方式仿真
打开SW2开关，选择自动工作方式。
信号灯按照预设的时间，自动进行八个状态的转换，循环往复，表明仿真结果正确。
4．时间设置仿真
拨动左下角10个开关，按照开关标签上显示的秒数提示，进行时间的设置，若信号灯的时间持续与设置时间相符，则表明仿真结果正确。
5．绿闪控制仿真
按下SW2开关，选择手动工作方式；然后再连续按动SW3，使工作状态到达绿闪状态。
拨动SW4开关，若绿闪状态的有无随着SW4改变，则表明仿真结果正确。
图3.7信号灯控制器整体电路图
第3章时间显示器设计与仿真
3.1时间测量电路
3.1.1电路结构和工作原理
时间测量电路由74160芯片、74190芯片和若干输入和输出组成。
当时钟信号同时驱动两块芯片工作，74190接成加法计数器，是低位，先进行计数，满十进位信号驱动74160高位计数，最终计数的数据显示在Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1中。
图3.8时间测量电路图
3.1.2仿真结果
3.2置数电路
3.2.1电路结构和工作原理
置数电路由74160芯片和若干门电路组成的逻辑电路。
当R/G/Y其中一路信号为高电平，其他两路信号为低电平（代表只有一盏灯亮），相应的LY/LR/LG将会输出低电平，控制倒计时电路将对应的数据置入。
74160芯片作为计数，QBQA:
00~10，当红绿黄三个状态依次亮过之后，芯片重新被置数成为00状态。
图3-9置数电路图
3.2.2仿真结果
3.3复位电路
3.3.1电路结构和工作原理
复位电路由74160芯片、D触发器和逻辑门电路组成。
当置数信号从A1、A2、A3输入（其中一路为低电平，另外两路为高电平），驱动D触发器输出高电平，驱动74160开始工作，当计数至QC为高电平时，RESET输出低电平清零信号，同时将74160复位。
图3.10复位电路图
3.3.2仿真结果
3.4倒计时器
3.4.1电路结构和工作原理
倒计时器由两个74190芯片和若干门电路组成。
两个74190芯片均接成减法计数器，在LD置数信号的驱动下，将时间测量电路的数据置入两个芯片中，下面的74190是低位，先进行减法计数，当输出减小至0000，驱动上面的高位74190进行减法计数。
倒计时器的输出端Q8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1便逐渐减小，呈现倒计时的效果。
当输出端均为0时，OFF-ZERO输出为0，代表倒计时结束。
图3.11倒计时器电路图
3.4.2仿真结果
3.5倒动态扫描译码电路
3.5.1电路结构和工作原理
动态扫描译码电路由四片74244芯片和一片7442芯片，还有若干逻辑电路组成。
左边三片74244芯片分别接到对应的红绿黄倒计时电路中，使能端为低电平时将数据输送至第二级74244中。
三个使能端保证每次有一组且仅有一组数据被置入下一级电路中。
数据再通过7446芯片的译码作用，变成数码管控制信号来控制数码管显示倒计时。
图3.12动态扫描译码电路图
3.5.2仿真结果
3.6顺序脉冲发生器
3.6.1电路结构和工作原理
顺序脉冲发生电路由两片74160芯片和若干门电路组成，它模拟信号灯的工作状态。
两面74160芯片组成32进制计数器。
脉冲驱动芯片开始计数，红灯亮，当右边的QB变为1，即计数到20，红灯灭绿灯亮；当右边的QA、QB均为1，即计数到30，绿灯灭黄灯亮；再继续计数，当左边QA为1，即计数到31，黄灯灭。
此时置数信号LDN有效，将两个芯片同时异步置数为全0，重新计数。
因此，设置红灯20s，绿灯10s，黄灯2s。
图3.13顺序脉冲发生器电路图
3.6.2仿真结果
3.7时间显示器整体电路
时间显示器整体电路如图3.14所示，其仿真结果如图3.15所示。
图3.14时间显示器整体电路图
图3.15时间显示器仿真波形图
从图3.15可以看出，RGY三行，在时钟信号的驱动下，顺序脉冲发生器输出的R高电平为20s，G高电平为10s，Y高电平为2s。
D代表时间测量电路的结果，结果也是20,10,2，两个结果相符。
LR,LG,LY为置数电路的信号，当R、G、Y由1变为0时（即灯灭），置数信号有瞬间为0的暂态，按照电路设计的原理，可使时间测量电路的数据置入倒计时电路中。
同时，经过1s后（预设的），RESET产生清零信号（复位信号），与实验的设计相符合。
倒计时电路结果显示，当R、G、Y分别为1时，相应的倒计时结果是数字依次减小，也与设计相符合。
因此，验证本电路的设计是正确可行的。
第4章系统硬件电路测试
4.1信号灯控制器
4.1.1时钟信号产生电路
使用的仪器和设备：
使用了5V直流源、示波器和万用表
测量的过程和方法：
将直流源接至硬件电路中的电源处，将555计时器的输出接至示波器中。
调节示波器的显示刻度，直到显示较易观察的波形。
测量的数据或结果：
示波器显示高低电平交替变换
测量数据或结果分析：
该电路是使用555计时器产生时钟信号，示波器显示的高低电平有序变换即为时钟信号，该电路焊连正确。
4.1.2手动脉冲信号产生电路
使用仪器和设备：
使用了5V直流源和万用表
测量过程和方法：
将信号源接至硬件电路的电源处，另一端接地。
将万用表的电压档一端接电路输出端，一端接地。
我使用的是有锁定的开关，因此一开一关，观察万用表的示数变化。
测量数据或结果：
当开关打开，万用表的示数接近5V；当开关闭合，万用表的示数接近0V。
测量数据或结果分析：
手动按动按键两次，即一开一合，可产生一高一低的信号，完成一次脉冲。
因此该电路焊连正确。
4.1.3定时器电路
此项工作尚未完成。
4.1.4整体电路
信号灯控制器整体测试内容包括工作周期、时间设置、绿闪控制及夜间服务。
本次实验完成了夜间服务、绿闪控制和手动切换八种状态。
夜间服务：
打开夜间服务开关，两个黄灯处于闪动状态，其余灯不亮，因此焊连正确，此项功能与设计的相符合。
手动切换：
关闭夜间服务按键，按动【脉冲】按键，每一开一合便切换一次状态，当八个状态结束之后回到第一个状态，循环往复，与设计的相符合。
绿闪控制：
使用手动切换状态至绿闪状态，随后关闭绿闪开关，绿闪状态消失，与设计的相符合。
4.2时间显示器
（时间显示器测试内容包括红色、绿色、黄色信号灯工作时间的测量及显示，时间误差，自适应和黑屏功能。
此项测试作为选择项目，视完成情况加分。
）
此项工作尚未完成。
实验总结
本次实验完成了交通信号灯电路的仿真和焊接，先是利用Multisim软件对信号灯控制器电路进行仿真，完成手动和自动两种控制信号灯的方式，同时实现了夜间服务和绿闪控制等功能。
其次，利用MAX+PLUS
软件对时间显示器进行仿真，完成了每个模块的绘制并将其收缩为一个元件，最终连成完整的电路，得到了仿真波形。
然后，在老师的指导下，进行硬件电路的焊连，完成了信号灯控制器的手动部分，并且调试成功。
这次实验确实遇到了许多困难，也深深的意识到自己的不足之处。
首先是软件的使用不够熟练，在绘制电路图时就比别人稍慢一些，在排查电路时也没有经验。
其次是焊连的技术不过关。
本次实验的线路比较复杂，需要焊连的地方很多。
一开始还是使用焊锡在电路板上走线，等到焊连一半之后，就只能用导线连接。
因此电路板的背面非常的乱。
而且，因为焊连的技术不好，焊锡的线又粗又弯，往往一根线要焊上半小时以上，效率非常低。
在检查线路问题时，也吃了焊连技术的大亏，焊连的不够整齐，排查起来就非常的不方便，无形中给自己出了更多的难题。
最后也是最重要的一点，是线路的设计问题。
懂得如何排线布线是一门大学问，更多的是需要有足够的经验和技术。
我这次电路板的背面就是没有很好的排线布线，才会焊连的比较乱，以后一定要注意积累这方面的经验，要多加练习。
虽然本次实验做得磕磕绊绊，但也有不少的收获。
1.复习了上学期学过的数电知识。
本次实验主要运用的都是上学期所学过的数字电路的知识，里面的芯片还有逻辑电路都是书中可以查到的知识。
因为做实验，我不得不翻书去回忆，巩固了知识，我相信以后不会再忘记了。
2.熟练掌握了两种软件的使用。
本次实验使用了两种仿真软件，Multisim和MAX+PLUS
。
Multisim软件是大二时学习模电就使用过的软件，时间长了就有所遗忘，通过实验将它回忆起来，而且比以前使用的更加熟练。
MAX+PLUS
是以前从未使用过的新软件，但是它与Quartus软件十分类似，因此在老师的指导下也很快上手。
多学会一种软件，会对以后的学习有很大的帮助。
3.焊连技术有所提高。
一开始的焊连真是非常困难，一条短短的线都没办法连起来。
经过几次的练习，焊连水平有了一定的提高，第一天和第二天焊连的都非常不一样。
相信通过练习水平会越来越高的。
4.培养了细心耐心的实验精神。
电路刚刚焊连完成的时候，我决定先进行线路的排查再连信号源调试。
因此我将电路图中的每条线路都检查了两遍，发现了不少缺焊或错焊的情况。
这个花费了很长的时间。
然后再接上电源进行调试，发现只有夜间模式是正确的。
我又根据电路图去寻找错误的原因，发现在74160编码器上就有问题。
最终发现是芯片没有接电源。
解决之后状态立刻正确了。
通过耐心的排查线路，才最终调试成功。
通过这次实验，我充分感受到做实验就像做科研一样，要耐得住寂寞，沉得下心，才能成功。
我除了正常的实验时间，还利用了额外的时间去研究它，最终完成的时候的心情比什么都高兴。
感谢这次实验让我收获了这么多。
附录
附录一
多功能交通信号机元器件明细表
表F
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