毕业设计150湖南工学院十字路口的交通灯控制电路设计.docx
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毕业设计150湖南工学院十字路口的交通灯控制电路设计
实验报告
课程名称电子线路综合
指导教师王勇刚
专业电子信息班级0403班
学号19号姓名朱龙
组员王磊温涛
实验项目名称
实验项目类型
时间
设计任务书
一、设计目的
1、巩固电子线路设计的理论知识及设计方法；
2、学习将设计电路的方法灵活运用于实际生活；
3、掌握大型电路设计思想及方法；
4、掌握电路设计方案的最佳选择。
二、设计要求和技术指标
1、技术指标
1、设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行的时间都设为25秒；
2、要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道；
3、黄灯亮是，要求每秒钟闪亮一次。
2、设计要求
1、设计一个能控制通行时间为25秒的十字路口的交通灯；
2、要求绘出原理图，并绘出印制版图；
3、根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数；
4、安装好电路；
5、拟定测试方案和设计步骤；
6、写出设计性报告。
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实验项目名称
实验项目类型
时间
设计原理
交通灯控制系统的原理图如下所示：
它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
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，它的精度直接影响到电路的工作；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的工作，即可显示工作状态；控制器是该系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作，控制着整个电路的运转。
对图中符号做如下用途：
TL：
表示甲车道或乙车道绿亮的时间间隔为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。
由他
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实验项目名称
实验项目类型
时间
控制定时器开始下一个工作状态的工作。
十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：
1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。
表示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间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一个工作状态。
（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。
表示甲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，乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转换到下一个工作状态。
（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，转到下一个工作状态。
（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线上的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第
（1）种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器的。
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其功能如表1-1所示。
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实验项目名称
实验项目类型
时间
控制器状态
信号灯状态
车道运行状态
S0（00）
甲绿，乙红
甲车道通行，乙车道禁止通行
S1（01）
甲黄，乙红
甲车道缓行，乙车道禁止通行
S2（11）
甲红，乙绿
甲车道禁止通行，乙车道缓行
S3（10）
甲红，乙黄
甲车道禁止通行，乙车道缓行
表1-1
控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并做如下规定：
AG=1：
甲车道绿灯亮；BG=1：
乙车道绿灯亮；
AY=1：
甲车道黄灯亮；BY=1：
乙车道黄灯亮；
AR=1：
甲车道红灯亮；BR=1：
乙车道红灯亮；
由此得到交通灯的ASM图如下所示，设控制器的初始状态为S0，当S0的持续时间小于25秒时，TL=0，控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个状态。
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实验项目名称
交通灯的设计
实验项目类型
综合
时间
2006年11月
方案选择
能实现此电路的方法很多，具体设计可以依照自身的条件选择方案。
第一种方案：
采用数字电子技术实现。
用基本的555芯片（利用单稳态实现定时），计数芯片（如74LS163，74LS160等）完成计时功能，控制电路芯片，译码芯片（如74LS138）等基本芯片，结合电阻，电容等基本元件，通过逻辑电路实现交通灯的功能。
第二种方案：
用EDA技术实现交通灯功能。
利用有限状态机（判断时间推回控制红绿灯的转换），用PLD来完成对交通灯的设计，可以实现交通灯主干道副干道黄红绿灯的转换。
设计可基于超高速硬件描述语言VHDL和在Altera公司的FLEX系列的CBA56020A芯片上编程实现。
通过仿真，调试和测试，可达到所需要的技术指标。
第三种方案：
使用单片可编程来实现交通灯的功能。
利用单片机的外围扩展，加上液晶显示电路和二极管构成基本硬件。
然后编程实现对定时，控制，显示电路的控制，然后调试，完成设计。
结合实际情况，现选用第一种方案对交通灯进行设计。
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实验项目名称
实验项目类型
时间
单元电路的设计
1、秒脉冲信号发生器电路：
秒脉冲可以由晶振电路构成（在要求精度比较高的情况下使用），也可以用555芯片与RC构成脉冲产生电路（在普通电路中使用），现时钟脉冲产生电路用一片555定时器构成多谐振荡器，设计脉冲周期为1s。
根据需要，我们要设计输出的振荡周期T=1s,则有：
T=tw1+tw2
tw1为电容C1上的电压又1/3Vcc充到2/3Vcc所需的时间，充电回路的时间常数为（R1+R2）C1。
tw1可用下公式估算：
tw1=（R1+R2）C1ln2
=0.7（R1+R2）C1
tw2为电容C1上的电压又2/3Vcc下降到2/3Vcc所需的时间，放电回路的时间常数为R2C1。
tw2可用下公式估算：
tw2=R2C1ln2=0.7R2C1
所以振荡周期T为
T=tw1+tw2=0.7（R1+2R2）C1
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实验项目名称
实验项目类型
时间
根据上式可估算出：
C1=1uFC2=0.01uF
R1=500KR2=470K
综上所述，我们可设计如下电路图1：
输出的1秒脉冲波形图：
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实验项目名称
实验项目类型
时间
2、定时器电路：
定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成。
首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模为25的定时信号TL。
计数器使用的集成芯片有很多，现选用计较简便的集成芯片74LS163进行设。
74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。
74LS163的外引线排列图如图2所示，其功能表如表1所示。
图中，
是低
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实验项目名称
实验项目类型
时间
电平有效的同步清零输入端，
是低电平有效才同步并行置数控制端，
、
CTT是计数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。
由两片74LS163级联组成的定时器电路如图3所示。
输入
输出
CTP
CTT
CP
D0
D1
D2
D3
Q0
Q1
Q2
Q3
0
0
0
0
0
1
0
d0
d1
d2
d3
d0
d1
d2
d3
1
1
1
1
计数
1
1
0
保持
1
1
0
保持
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实验项目名称
实验项目类型
时间
根据设计要求和74LS163的功能，我们可以列出其的真值表如下表所示：
时钟
Q3
Q2
Q1
Q0
Q7
Q6
Q5
Q4
1
0
0
0
0
0
0
0
0
2
0
0
0
1
0
0
0
0
3
0
0
1
0
0
0
0
0
4
0
0
1
1
0
0
0
0
5
0
1
0
0
0
0
0
1
6
0
0
0
0
0
0
0
1
7
0
0
0
1
0
0
0
1
8
0
0
1
0
0
0
0
1
9
0
0
1
1
0
0
0
1
10
0
1
0
0
0
0
1
0
11
0
0
0
0
0
0
1
0
12
0
0
0
1
0
0
1
0
13
0
0
1
0
0
0
1
0
14
0
0
1
1
0
0
1
0
15
0
1
0
0
0
0
1
1
16
0
0
0
0
0
0
1
1
17
0
0
0
1
0
0
1
1
18
0
0
1
0
0
0
1
1
19
0
0
1
1
0
0
1
1
20
0
1
0
0
0
1
0
0
21
0
0
0
0
0
1
0
0
22
0
0
0
1
0
1
0
0
23
0
0
1
0
0
1
0
0
24
0
0
1
1
0
1
0
0
25
0
1
0
0
0
1
0
1
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实验项目名称
实验项目类型
时间
由表可知，当Q3Q2Q1Q0从0000计到0100时为5秒，则进一位到Q4并把当前的计数值清零，当计到Q4Q5Q6Q7=0101时，则计数时间为25秒。
这样就实现了定时器的定时功能。
经设计的具体控制电路图如下：
当产生了所需的时间后，我们可用74LS74对所产生的结果进行锁存，这样我们就可以把锁存的结果送给控制器。
TY输出的为25秒的时钟，TL输出为5秒的时钟。
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实验项目名称
实验项目类型
时间
输出的25秒时钟波形图：
输出的5秒时钟波形图：
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实验项目类型
时间
3、控制器电路设计：
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。
控制器的状态转换表，如表2-4所示。
选用两个D触发器FF1、FF0做为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1nQ0=00状态时，如果TL=0。
则控制器保持在00状态；如果TL=1，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。
这两种情况与条件TY无关，所以用无关项“×”表示。
其余情况依次类推，转换状态表2-4；如下：
输入
输出
现态
状态转换条件
次态
状态转换信号
Q1n
Q0n
TL
TY
Q1n+1
Q0n+1
ST
0
0
0
×
0
0
0
0
0
1
×
0
1
1
0
1
×
0
0
1
0
0
1
×
1
1
1
1
1
1
0
×
1
1
0
1
1
1
×
1
0
1
1
0
×
0
1
0
0
1
0
×
1
0
0
1
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实验项目名称
实验项目类型
时间
根据上状态转换表，我们可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：
将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：
我们根据以上的情况，可以选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（Q1nQ0）加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号，即可实现控制器的功能。
如下图所示：
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实验项目名称
实验项目类型
时间
设计的具体电路图如下所示：
4、译码器电路的设计：
译码器的主要任务是将控制电路的输出状态Q0、Q1的4种工作状态进行译码成甲、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下表所示：
状态
AG
AY
AR
BG
BY
BR
00
1
0
0
0
0
1
01
0
1
0
0
0
1
11
0
0
1
1
0
0
10
0
0
1
0
1
0
根据需要我们选择74LS138作为译码器，74LS138有3个输入端，我们可将其一段置为1，这样就可以输入两个状态来表示4个工作状态。
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实验项目名称
实验项目类型
时间
具体电路图如下所示：
发光二极管我们可以用共阳极接法。
5、所需元件清单：
元件名
数量
5G555
1块
74LS163
2块
74LS00
1块
74LS74
2块
74LS153
1块
74LS138
1块
74LS86
1块
发光二极管
6个
200欧电阻
6个
1K、500K、470K电阻各
1个
1uF、0.01uF、22uF电容各
1个
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实验项目类型
时间
总电路图
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实验项目类型
时间
PCB图
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实验项目类型
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电路板的制作
第一步：
选择铜板，清洁板面。
根据电路设计的实际大小，按尺寸裁好铜板，先用砂纸将板边打磨后掉毛刺，在板面上放少许去污粉，加水用布将板面擦亮，然后再用干布擦干；
第二步：
电路板的转印。
将设计好的印制电路图用转印纸转印到铜板上，注意在转印过程中，打印的电路图一定要与铜板对齐，并要用胶纸袋将一边固定一边用来排气，再将板子放进转印机内或者用熨斗将电路印上去。
转印好后板子不要马上就撕开转印纸，等到板子慢慢变冷后再慢慢撕去转印纸。
然后检查线路有无断开，若有就用油性炭笔将线条按原来的绘好。
第三步：
腐蚀电路板。
要用一份三氯化铁、两份水的质量比例配制好腐蚀液，水的温度不要高于50度。
腐蚀液放在玻璃容器中。
在将转印后无误的电路板放进腐蚀液中，并在隔一段时间后抖动板子，以加快腐蚀速度。
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实验项目类型
时间
腐蚀完后，用清水冲洗板子并擦干。
第四步：
修板。
将腐蚀好的板子与原电路图对照，用刀子修整铜箔导线的边缘和焊盘，使导线边缘平滑无毛刺，焊盘光滑。
第五步：
钻孔。
按图样所标的尺寸钻好各个孔。
孔必须钻正、无毛刺。
第六步：
焊接元件。
将各个元件按照原理图分别焊接在相应的位置，注意有极性的元件并要保证焊接良好，无虚焊，没有短路，焊点光滑、美观。
电路板调试方案
首先我们将单元电路进行测试：
第一步是测试时钟脉冲信号，我们要求555芯片在其三脚输出一个周期为1HZ的标准脉冲，我们可将其它脚接到示波器上，接通电路，调节好示波器，看其输出的波形是符合我们所需要的脉冲，要是波形满足设计要求，则说明设计的时钟脉冲可以了，要是不行，则需检测电路，直到电路工作正常。
要是设计的电路不满足，则需重新将制。
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时间
第二步测试计数脉冲的可行性。
我们可以在电路是测试74LS163的信号输出引脚，用示波器观测其工作状态，若观测不到信号，先用万用表检测其电源引脚，是否有电源信号输入。
在有信号输入的情况下，若是没有观测到信号，检测信号引脚有无短路，接错的现象，直到将错误一个个排除，达到所需要求。
好的板子接入电源，并观察发光二极管的发光状态和测试发光时间，看是否满足设计要求。
第三步结合译码电路测试控制电路，这个只需看发光二极管的运行情况，如果在电路工作情况下、在接入电源后发现二极管不亮，首先，应检查二极管是否正常，我们可以先断开电源，再用数字万用表来测试看是否能发光；若二极管正常，检测周围电路连接线是否合格，导线连接有没有问题。
我们应用数字万用表检查看是否出现短路，若有短路现象，则可能是由于虚焊所导致的，应检查电路中的各个焊点看是否牢固或者是没有焊接的。
第四步测试整个电路的运行情况。
在通电情况下，观察发光二极管的工作情况，是否按照所要求的状态运行，我们可结合示波器和万用表等实验仪器对其进行检测。
出现问题一定要耐心，细心的处理，切不可掉以轻心，直到排除错误。
在电路板的调试过程中，务必要按照要求进行，以防电路板被损坏。
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制作电路板所用仪器及材料如下表
名称
数量
铜板（10CM*20CM）
1块
复印纸
1张
胶带
1块
转印机
1台
大容量玻璃杯
1个
三氯化铁
1瓶
高炭钢钻头（0.6mm）
1个
微型钻床
1台
电烙铁（40W）
1个
焊锡丝
若干
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心得体会
通过这次实际电子线路的综合设计试验，一方面加深了对基础知识的巩固和理解，另一方面对专业课程的知识的实际应用，尤其在电路综合设计这一块，更是感受深刻。
以前虽然做过电子方面的设计，如模拟电子和数字电子以及高频电子线路的设计，都是局限于比较单方面的知识，对综合性的知识应用较少。
这次在大家的齐心协力下，我们先对大体的电路进行设计，在弄明白了设计原理后，对总体电路进行设计，然后再将具体电路细化，化成基本单元进行电路进行设计。
在单元电路中，首先对每个单元所涉及的知识点进行了复习，因为有很多的方案可以适用于该单元电路，通过具体分析，选择最适合基本单元电路的方案设计，这样既可以节省设计成本，避免材料的浪费，也可以为以后的设计打下良好的基础。
随后对基本单元电路中所用到的芯片的功能进行了解，并用EWB对自己设计的具体电路进行了仿真。
在电路板的制作中我们遇到了许多困难，首先是在画原理图的时候，在生成PCB图时，设计软件自动检测到电路中许多的错误，这些错误直接影响到PCB的生成，不解决这些问题，下一步就无法完成，这些错误包括了电气接点的、元件封装的、元件在编辑过程中的一系列问题。
这些都是基本的但并不可少的错误，使得我们必须非常细心的，非常有耐心的去对待每一个小
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问题，这对我们在设计电路中养成良好的习惯很有帮助。
解决了这些问题后，就可以很好的生成PCB图了。
第二个就是在转印过程中的问题，要是没有经验，一般转印就会失败。
一开始是转印时电路图没有转印好，不是孔没有对好就是线路多处断了，以至于有笔画都不感到困难，经过多次转印，终于成功了，想到这时是多么的高兴。
但这只是万里长征的第一步，在以后的制作中，我们也遇到了各种各样的困难，在我们大家的合作下，困难被我们逐个克服了。
在这次设计中是我受益颇多，让我更加深刻的理解了课本上的知识，和各种芯片的使用方法，并加强了动手能力。
对设计软件的使用是进一步熟练了，设计的经验值也很有提高，对硬件的制作更感兴趣了，以及制作好后对整个电路的调试方法也增多了，这使得我对电子这个专业更感兴趣了。
在这次设计实验中我还要感谢老师的指导以及同组的成员，是我们大家的共同努力，征服了本次设计的难题。
同时我也懂得团结的力量是巨大的。
在以后的道路上，还有许多的事情需要团结，合作，努力。
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参考文献：
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高等教育出版社，2003
2、李世维，丁康源.数字集成电子技术教程.北京：
高等教育出版社，1993
3、唐泽荷，王应勋.数字逻辑电路基础.西安：
西安交通大学出版社，1994
4、清源计算机工作室编.Protel99SE原理图与PCB及仿真.北京：
机械工业出版社，2004
5、谢自美.电子线路设计、实验、测试.武汉：
华中理工大学出版社，1994
6、熊幸明.电工电子技能训练.北京：
电子工业出版社，2004
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