交通灯课程设计说明书.docx
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交通灯课程设计说明书
电子技术课程设计说明书
题目：
交通灯控制器设计A
学生姓名：
学号：
201106040210
院（系）：
电气与信息工程学院
专业：
测控技术与仪器
指导教师：
2013年12月20日
目录
1选题背景1
1.1指导思想1
1.2方案论证1
1.3设计任务与要求3
1.4发挥设计任务4
1．5电路特点4
2电路设计4
2.1总体方框图4
2.2工作原理5
3各主要电路及部件工作原理5
3.1NE555构成多谐振荡器5
3.274LS192
（1）、74LS192
（2）与74HC153构成的脉冲信号选通控制电路6
3.3主控制器7
3.4译码电路8
4相关计算9
4.1限流电阻的计算9
4.2时钟信号产生部分9
5原理总图9
6元器件清单10
7调试过程及仿真结果11
7.1通电前检查11
7.2通电检查11
7.2.1NE555单元电路调试11
7.2.274HC192与74HC153构成的脉冲选通信号的调试11
7.2.3发光二极管调试11
7.2.4状态循环电路的调试11
7.3结果分析12
7.4小结12
8设计体会及今后的改进意见12
8.1体会12
8.2本方案特点及存在的问题13
8.3改进意见14
参考文献资料15
附录
1选题背景
随着人们生活水平的提高,人们更重视出行的方便。
随着现代交通的不断发展和汽车工业进程的加快，城市街道内的车越来越多，城市交通问题越来越引起人们的关注。
所以,在很多大中型城市中,受到城市发展空间和汽车数量的影响,交通拥挤现象越来越严重。
人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
随着交通线路越来越复杂,我们应该设计一个系统来解决交通控制的问题。
交通灯的出现使城市街道的秩序变得井然有序，为人们的出行提供很大的方便。
如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与支干道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
为此，通过应用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数,字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。
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）。
1.1指导思想
由NE555产生1秒脉冲，并对74LS192
（1）和74LS192
（2）置数，每转换一个状态后控制个位计数的74LS192
（2）置为5，而控制十位的74LS192
（1）则根据双四选一数据选择器74HC153的反向输出端决定，当数据选择器的输出不同时，会分别使74LS192
（1）置不同的数，从而实现了分频，分为5秒、25秒、45秒的脉冲信号。
再用74HC161实现45秒、5秒、25秒、5秒的四个状态的计时循环，并以74HC161和74HC138及门电路输出的信号控制LED信号灯相应状态的转换。
1.2方案论证
方案一：
由555产生5秒脉冲，输入到74HC161的CLK端构成80s的计时器，再经门电路译码输出45秒、50秒、75秒、80秒的信号经或门作为以74HC161和74HC138构成的四个状态的循环电路的脉冲信号。
方案一特点：
门电路多易于发生竞争冒险，译码部分复杂，连线多，不便于检查。
其原理图如下（见下页）。
图1-2
（1）方案一原理图
方案二：
由555产生1秒脉冲，由计数器74LS192
（1）和74LS192
（2）两个加减计数器计数产生计时信号。
从计数器的输出端输出的计时信号经门电路再经74HC153对其进行选择依次在经过45秒、5秒、25秒、5秒时产生的同相输出信号作为以74HC161和74HC138构成的四个状态循环电路的脉冲信号。
方案二特点：
电路所需元器件少，连线简单，所需门电路少，前后联系紧密，便于检查，并且状态转换时数码显示比较稳定。
其原理图如下。
图1-2
（2）方案二原理图
综合方案一二考虑，方案二简单易行，所以采用方案二。
1.3设计任务与要求
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）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。
（３）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。
1.4发挥设计任务
利用74LS192置数端实现让主干道处于长允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行的功能，从而达到智能控制。
并且利用74LS192的异步清零的功能实现减一显示。
1．5电路特点
本电路采用NE555定时器对电路输入1秒的脉冲，所产生的脉冲信号与计数器74LS192
（1）、74LS192
（2）合作构成定时器。
计数器的输出端经门电路再经74HC153对其进行选择依次在经过45秒、5秒、25秒、5秒时产生的信号作为以74HC161和74HC138构成的四个状态循环电路的脉冲信号，从74HC138输出的信号控制LED信号灯相应状态的转换。
2电路设计
2.1总体方框图
依据功能要求，交通灯控制系统主要由秒脉冲信号发生器、定时电路和控制电路及译码电路组成，原理框图如下图2-1所示，秒脉冲发生器是该系统计数电路的标准时钟信号源。
图2-1原理框图
2.2工作原理
由555产生1秒的脉冲，74LS192
（1）的9和10管脚由74HC153的输出Y1和Y2决定，74LS192
（2）始终置为5，而74LS192
（1）由数选器输出可置为0、2、4。
74LS192
（1）、74LS192
（2）就可将信号分频为5秒、25秒和45秒。
（1）主车道绿灯亮，支车道红灯亮。
表示主车道上的车辆允许通行，支车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔45s时，控制器发出跳转信号ST，转到下一工作状态。
（2）主车道黄灯亮，支车道红灯亮。
表示主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，支车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔5s时，控制器发出跳转信号ST，转到下一工作状态。
（3）主车道红灯亮，支车道绿灯亮。
表示主车道禁止通行，支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25s时，控制器发出跳转信号ST，转到下一工作状态。
（4）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。
表示主车道禁止通行，支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。
黄灯亮足规定的时间间隔5s时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到
（1）种工作状态。
通灯以上4种工作状态的转换是由控制器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、10、11，并分别用S0、S1、S2、S3表示，则控制器的工作状态及功能如下所示，控制器应送出主、支车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见，把各个状态表示如下：
S0主绿灯亮，支红灯亮
S1主黄灯亮，支红灯亮
S2主红灯亮，支绿灯亮
S3主红灯亮，支黄灯亮
3各主要电路及部件工作原理
3.1NE555构成多谐振荡器
1秒脉冲发生器可以由一个集成的555定时器构成，当电源接通后，VCC通过对R1、R2向电容充电。
电容上得到电压按指数规律上升，当电容上的电压上身到2/3VCC时，输电压Vo为零，电容放电。
当电压下降到1/3VCC时，输出电平为高电平，电容放电结束。
这样周而复始便形成了振荡。
我们要的周期是1秒，频率是1Hz。
周期T可以由下面的公式可知：
T＝（R1+2R2）Cln2
其中R1=R2=47KΩ,C1=10μ,C2=0.01μ，把数据带入T=（R1+2R2）C1ln2，得T=1s，即周期为1秒，输出1Hz的信号
，电路如图3-1。
图3-15秒脉冲发生器
3.274LS192
（1）、74LS192
（2）与74HC153构成的脉冲信号选通控制电路
我们采用置数法，使74LS192
（1）、74LS192
（2）在经74HC153将计时信号选通输出一次即进入下一状态，便清零一次，再从新开始计时，从而使74HC153实现依次在经45s、5s、25s、5s输出端输出脉冲信号。
其连接如图3-2所示。
图3-2选通控制电路
3.3主控制器
主控电路是整个的核心，其实它是由前一部分脉冲信号的选通控制电路和后一部分四个状态循环电路的部分电路组成，它的输出信号经译码后分别控制主干道和支干道的三个信号灯。
主干道和支干道的三种灯（红、黄、绿），正常工作时，只有4种可能，即4种状态：
S=QBQA
1）主干道绿灯亮支干道红灯亮S0：
QBQA=00控制器等待45s时钟信号的到来。
2）主干道黄灯亮支干道红灯亮S1：
QBQA=01控制器等待前一状态后5s时钟信号的到来。
3）主干道红灯亮支干道绿灯亮S2：
QBQA=10控制器等待前一状态后25s时钟信号的到来。
4）主干道红灯亮支干道黄灯亮S3：
QBQA=11控制器等待前一状态后5s时钟信号的到来。
四种状态的转换关系如下图。
图3-3
3.4译码电路
选用计数器74HC161来实现，则其输出状态编码与车道状态的对应关系为S0=0000，S1=0001,S2=0010,S3=0011（输出的编码从左至右分别为QD、QC、QB、QA）。
通过信号灯与车道状态的关系可进一步得到，计数器输出状态编码与信号灯状态的对应关系如下表所示。
表3-1状态编码与信号灯状态关系表
QDQCQBQA
G1
Y1
R1
G2
Y2
R2
0000
1
0
0
0
0
1
0001
0
1
0
0
0
1
0010
0
0
1
1
0
0
0011
0
0
1
0
1
0
由表1可以得出信号灯状态的逻辑表达式：
G1=QAQBQCQDY1=QAQBQCQDR1=QBQCQD
G2=QAQBQCQDY2=QAQBQCQDR2=QBQCQD
车道状态由S0-S1-S2-S3的逐步转换，就是计数器74HC161
（2）加法计数的过程。
74HC161是一个十六进制计数器，但也可以当作四进制计数器来用，此时只看74HC161输出的低两位QBQA，其状态从00开始计数，加至11后又返回00重新计数，观察74HC161的功能表，只需对74HC161的低两位QBQA输出，这样就可以实现上述变化。
因此，只需将74HC161的输出端QB、QA通过74HC138译码和门电路实现三种LED灯的四个状态变换。
图3-4译码电路图
4相关计算
4.1限流电阻的计算
如右图所示，根据74HC08门电路VOL（MAX）=0.33V,IOL（MAX）=5.2mA;LED发光二极管正常工作时的电流为ID=3～20mA，压降为VD=1.2～2.5V。
当取VOL（MAX）=0.33V、VD=1.5V时，可计算出:
R=（VDD－VD－VOL（MAX））/ID=317Ω（4-1）
因此，取R=330Ω。
4.2时钟信号产生部分
如右图所示，时钟脉冲产生电路是由NE555搭成的多谐振荡器。
可以产生1秒的时钟信号。
T=（R1+R2）Cln2=1,q=（R1+R2）/（R1+2R2）=2/3,取C=10μF（4-2）
可计算出：
R1=R2=47KΩ。
故取C2=0.01μFC1=10μFR1=R2=47KΩ则555的输出端即可产生频率为1Hz的脉冲。
5原理总图
图3-5原理总图
6元器件清单
表6-1元器件清单
元器件名称
数量
配件
备注
NE555
1
底座Dip8
74LS192
2
底座Dip16
74HC32
1
底座Dip14
74LS126
1
底座Dip14
74HC161
1
底座Dip16
74HC138
1
底座Dip16
74HC153
1
底座Dip16
CD4511
2
底座Dip14
数码管（共阴）
2
74HC08（2输入与门）
1块（内含4个与门）
底座Dip14
lED绿色
2
LED红色
2
LED黄色
2
电阻R
47KΩ×2个
330Ω×6个
电容C1
10uF×1个
电容C2
0.01uF×1个
电路板
15×20
导线
焊锡
7调试过程及仿真结果
为使电路便于调试我们采用分块调试的方法
7.1通电前检查
电路安装完毕后，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错现象。
7.2通电检查
7.2.1NE555单元电路调试
断开其他单元，给NE555单元电路加+5V电压，并将其输出端接在示波器上。
调节示波器，观察波形，记录波形幅值和其它参数。
NE555单元电路输出波形参数：
电压+5V，周期1s。
此单元电路无较大误差。
7.2.274HC192与74HC153构成的脉冲选通信号的调试
断开其他单元，用信号发生器提供1秒的脉冲信号，观察数码显示管是否能够正常计数，即实现计时信号。
如果能正常计数，将74LS192
（1）
（2）与74HC153连接，并且将74HC153的数据选择连接手动开关实现对其端口置数，用信号发生器给这个系统提供1秒的脉冲信号，参考设计原理在不同的时间段给置数端置不同的电平，将输出端口连接到示波器上观察输出信号是否依次在经过45秒、5秒、25秒、5秒有脉冲信号输出。
7.2.3发光二极管调试
未接电源时，二极管的正负极判断方法：
万用表打到二极管挡上，然后用万用表的表笔分别接到二极管的两个极上去。
当红表笔接触的是二极管的正极，黑表笔接触的是二极管的负极，即二极管处于正向接法时，二极管导通，阻值较小，此时二极管发出微弱的亮光；当黑表笔接触的是二极管的正极，红表笔接触的是二极管的负极，即二极管处在反向接法时，二极管截止，阻值很大，此时二极管不发光。
7.2.4状态循环电路的调试
断开其他电路，用信号发生器提供1秒的脉冲信号，观察LED灯的状态变化是否正常（主緑支红→主黄支红→主红支绿→主红支黄→主緑支红……）。
7.3结果分析
整个电路联通之后，给电路板加上直流稳压+5V，电路开始运行，主干道绿灯指示灯亮，支道红灯亮，45s主干道变为黄灯亮。
5s后主干道红灯亮，支干道绿灯亮。
25s后支道变为黄灯亮，5秒后又恢复到初始状态。
如果将74HC161的接到低电平上，则主干路一直保持绿灯亮，支干道红灯亮（即支干道在45秒到来后无车的情况）。
7.4小结
该设计原理简单易懂，连线简单，设计中用到的门电路较少，避免了门电路的竞争冒险出现以及连线出错的概率，在做仿真电路图时还比较顺利,但到实物时还是有很大的差距.因为前后各部分联系紧密，不仅在确保各部分电路调试正确，还应确保各部分之间的连接正确，在此情况下方可给系统通电调试，各部分的调试也较为简单，这时只需用信号发生器给其供给一个周期较短的信号（如1秒的脉冲信号），这样可以节约调试时间；从总体设计到调试都较为简单，方案易行。
8设计体会及今后的改进意见
8.1体会
老师上学期就把我们的课题布置下来了,开始让我们从中自选题目,然后自己查找资料，设计方案，进行方案论证，选择方案，系统设计，基本电路设计，电路焊接及调试，在这个学期才完成作品,完成设计报告.
开始拿到题目的时候，还不知道怎么做，因为自己对所学的知识还没有真正的去运用过，对数电中所涉及很多芯片的功能还不是很清楚，还有Multisim仿真软件，以前从来没有接触过，它的用法还不是很清楚。
所以开始的时候我必须花了大量的时间去了了解这些器件的功能，去实验室验证这些器件的功能。
还花了时间去专门学习了Multisim软件。
在课程设计的过程中，我们也考虑过很多方案，对这些方案论证,考虑经济,连线及复杂程度最终选择简单易行的方案，在选择方案时我们也运用不同的芯片进行了比较，最后还是采取了上面的方法进行连接。
在连接过程中，经常会遇到一些问题，比如接错线，无意中删除了一些线等，是自己还不够细心。
我这次课程设计前后约八周左右，老师给我们足够的时间设计原理﹑焊接电路﹑电路调试，错误检查，完成设计报告,老师也很希望我们能自己动手查找问题.由于第一次做，过程当中的困难不言而喻，每一部分对我来说都具有挑战性，但也充满新鲜感，因为这是自己动手做出来的作品,我们都想让自己的东西尽量完美.从开始买器件对每个器件仔细认真的检查.到我们自己设计布局,布局是很关键的一个步骤,就像对一座城市的规划一样,如果布局好了整座城市在各方面都畅通无阻.再到后来开始焊接,对每一根导线,每一个引脚都仔细的检查,丝毫不敢忽视.最令人紧张的应该是最后的调试,几乎没有人一上电就成功的,大家都是各种问题.再经历一段仔细的排查,调试,再排查,再调试,虽然是很虐心的等待和煎熬,但我们乐在其中,因为每发现一次错误我们都很激动,这样离成功就不远了.当最后真的成功的那一刻整个人都松了口气!
虽说挺累人的，但是过得很充实。
在设计过程中虽然遇到了一些问题，但我学会了思考,学会耐心,学会认真,更多的是自己的动手能力.实践出真知，通过亲自动手制作让我切实感受到不是所学的知识没有用，而是不用所学的知识，才显得所学的知识没有用，当作品成功后让我感受到了我们所掌握的知识不再是纸上谈兵。
在第一阶段原理设计中，开始我就感觉到了任务的困难，虽说大概知道怎么做，可真正做起来一些细节问题就接二连三的到来。
小部分的电路可以很快的设计出来，可到核心电路（主控电路）这儿就碰到瓶颈了，这一模块的设计虽说不是很难，但考虑到后面的焊接及连线的可靠，简单，易行性，设计时要确保各部分电路的尽量简单，把这些因素综合考虑进来设计就显得有点困难。
在经过不断的设计不断的修改后，才选定方案购买元器件。
所有前期准备工作做完之后就进入第二阶段的焊接，这一过程相对来说比较轻松容易，
在焊接电路中，其实没有什么技巧，只有熟能生巧。
焊接时不仅要要耐心，而且还要细心。
因为一个引脚焊接错误就得拆焊。
拆焊一不小心就会弄掉焊盘，这时就得拆掉集成块从新插装，还好前面有同学说过此类事件的带来的麻烦，所以在这次课设的焊接中我选择了杜邦线，相对导线直接焊接而言杜邦线的排针焊接出错几率小了许多，从而避免了焊接时的出错，使设计过程相对顺利；但排针距离很近，一不小心就会连焊，所以焊接的过程中一定要谨慎﹑细心，尽量不要拆焊。
在第三阶段调试电路中，又遇到了问题，因为连线时按原理图连的，没有连线错误，但是主支干道的灯不亮，开始检查灯是否坏掉，果然经万用表检查红,黄灯坏掉了,然后更换这几个红黄灯.但是在更换过元件之后仍不能正常工作，这时就令我感到费解，最后还是在老师指导下经过不断的检测调试才发现我们仿真的电路图上就少了根接地的导线.看来仿真软件和实际还是有差距的.一个集成块的三个引脚接地线后便可以工作了.
回顾课设的过程，可以说苦多于甜，但是可以学到很多很多东西，同时也巩固了以前学过的知识，而且学到了很多书本上所没有学到的知识，通过这次课程设计使我懂得了理论与实践相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，才能达到真正的学有所用，才能体现所学知识的重要应用，从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。
在这过程中我也感谢我的队友和老师,他们给我很大的帮助和鼓励.
以上是我完成电子技术课程设计后的一些心得体会。
在此感谢在这过程中给我帮助的同学，以及给我悉心指导的老师。
8.2本方案特点及存在的问题
本电路的设计方案，电路原理较为简单，各部分电路功能明确，很容易理解和读懂。
各个部分电路单元之间紧密联系，环环相扣而又不失逻辑性。
存在的问题虽然实现红，黄，绿的按时跳转，但却不可预知具体何时跳转，即缺少时间显示。
8.3改进意见
改进方案把74HC161
（1）改为两片74HC160连接的同步100进制计数器，同时把五秒的脉冲发生器改为一秒的脉冲发生器，并在每个74HC160的后面加上数码管显示时间信号，这样就可提前知道一个状态到另一个状态的变换时间。
参考文献资料
[1]阎石.数学电子技术基础（第五版）.清华大学.高等教育出版社.2006
[2]党宏社.电路、电子技术实验与电子实训.陕西科技大学.2008
附录:
原理总图
1、元器件名称
数量
配件
备注
NE555
1
底座Dip8
74LS192
2
底座Dip16
74HC32
1
底座Dip14
74LS126
1
底座Dip14
74HC161
1
底座Dip16
74HC138
1
底座Dip16
74HC153
1
底座Dip16
CD4511
2
底座Dip14
数码管（共阴）
2
74HC08（2输入与门）
1块（内含4个与门）
底座Dip14
lED绿色
2
LED红色
2
LED黄色
2
电阻R
47KΩ×2个
330Ω×6个
电容C1
10uF×1个
电容C2
0.01uF×1个
电路板
15×20
导线
焊锡
元器件清单
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