唐山学院交通灯设计doc.docx
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唐山学院交通灯设计doc
1引言1
2信号灯的设计内容2
2.1信号灯工作方式2
2.2控制电路的特点2
3单元模块4
3.1电源模块4
3.2秒脉冲发生模块4
3.3计数模块6
3.4分频模块8
3.5控制电路模块9
4交通信号灯的仿真与调试11
4.1仿真软件简介11
4.2电路的仿真12
4.3交通灯完整功能的实现12
4.4调试方法13
4.5调试中出现的问题、原因分析及解决方法14
5总结17
参考文献18
附录Ⅰ19
附录Ⅱ20
1引言
随着社会的进步和发展，交通工具日趋增多。
这就给我们的道路交通带来了混乱，特别是十字路口的交通管理问题。
为了确保十字路口的车辆顺利、畅通得通过，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。
本次实验就是要设计一 个交通逻辑控制电路，来实现十字路口交通信号灯自动控制电路。
本次设计的题目全称为：
十字路口交通信号等自动控制电路。
由一条主干道和一条支干道的交汇点形成十字交叉路口，为确保车辆安全，迅速的通行，在交叉路口的每个入口设置了红、绿、黄三色信号灯。
红灯禁止通行；绿灯允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁止线之外。
我们的设计中，用红黄绿三色放光二极管作为信号灯，模拟十字路口的交通灯。
系统设计中有三种定时信号分别为：
24S、20S、4S。
红灯每次亮24S，而每次有亮绿灯变为为亮红灯的转换过程中间，要亮4s黄灯作为过渡。
以使行驶的车辆有时间停到禁止线外。
此外，本次的十字路口交通灯自动控制系统的设计还包括白天工作模式和夜间工作模式。
由于夜间车辆较少，所以夜间的工作模式与白天工作模式不同。
夜间模式时，东西和南北方向的黄灯以1S为周期不停闪烁点亮，两方向的绿灯和红灯不亮。
以上就是本次交通信号灯电路设计的简要介绍，具体电路的设计方案，工作原理以及器件的选择将在下面的设计报告中详细给出。
2信号灯的设计内容
2.1信号灯工作方式
1信号灯白天工作要求
某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。
在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。
如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：
1：
6。
从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：
如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。
信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。
白天点亮时的工作换灯流程图如图2-1所示。
2夜间工作方式
南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮。
要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。
2.2控制电路的特点
从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：
如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。
因此采用组合逻辑设计。
组合逻辑电路：
将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。
总的设计框图如图2-2。
图2-2信号灯的整体电路框图
3单元模块
3.1电源模块
本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。
因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。
通过变压器将市电降压到交流9V，在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5V电压。
直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。
故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要。
直流稳压电源包括变压器降压、二极管或整流桥整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。
原理图如图3-1所示
图3-1直流稳压电源原理图
3.2秒脉冲发生模块
由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。
秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。
如图3-2是555定时器的原理图，图3-3是555定时器的引脚图。
为了电路简单和调节振荡周期方便，采用555定时器组成多谐振荡器如图3-4所示。
图3-2555定时器原理图
图3-3555定时器的引脚图
图3-4555定时器组成多谐振荡器
根据周期与频率的计算公式：
电源电压
，其中电路图中
的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01uF的瓷片电容。
再次课设中要求输出T=1s，选取电容
，电阻
，根据震荡周期计算，选择电阻
。
当元件选取完成后，根据电路原理图连接电路即可。
3.3计数模块
由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为5：
1：
6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。
因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS164，其引脚图如图3-5所示，功能表如表3-1所示。
图3-574LS164引脚图
输入
输出
清零
时钟
串入
CP
AB
QA
QB
QC
QD
QE
QF
QG
QH
L
×
××
L
L
L
L
L
L
L
L
H
L
××
QAO
QBO
QCO
QDO
QEO
QFO
QGO
QHO
H
↑
HH
H
QAN
QBN
QCN
QDN
QEN
QFN
QGN
H
↑
L×
L
QAN
QBN
QCN
QDN
QEN
QFN
QGN
H
↑
×L
L
QAN
QBN
QCN
QDN
QEN
QFN
QGN
应用电路：
用74LS164组成的12进制扭环形计数器电路，如图3-6所示。
表3-174LS164功能表器原理表
图3-6十二进制扭环形计数器
3.4分频模块
十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。
为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。
秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。
本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路，如图3-7所示。
4S
1S
图3-7四分频的电路原理图
74LS74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发D触发器电路模块。
图3-8为其引脚排列和逻辑符号
图3-874LS74的引脚图
功能说明：
74LS74内含两个独立的D上升沿双d触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（
）复位输入（
）、时钟输入（CP）和数据输出。
、
的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。
当
、
均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。
表3-274LS74功能表
输入
输出
CP
D
Qn+1
Qn
0
1
×
×
1
0
1
0
×
×
0
1
0
0
×
×
Φ
Φ
1
1
↑
1
1
0
1
1
↑
0
0
1
1
1
↓
×
Qn
Qn
表3-3四分频器电路逻辑功能表
CP
D
Qn+1
0
X
Qn
1
0
0
1
1
1
3.5控制电路模块
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。
逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮（一般经驱动电路去控制信号灯），它主要控制两干道的红、黄、绿灯的亮与灭，才能形成要求状态。
根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。
夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。
组合逻辑电路的真值表如表3-4所示。
表3-4组合逻辑电路的真值表
计数器输出
南北信号
东西信号
QAQBQCQDQEQFNSGNSYNSREWGEWYEWR
000000100001
100000100001
110000100001
111000100001
111100100001
111110100001
111111010100
011111001100
001111001100
000111001100
000011001100
000001001010
000000100001
逻辑控制原理图主要由集成电路芯片、与门、非门、或门、电阻以及电源等构成。
在脉冲的作用下实现对交通信号灯的控制，从而解决一些交通问题，方便大家的生活和工作。
逻辑控制原理图如图3-9所示。
1s
4s
图3-9逻辑控制原理图
4交通信号灯的仿真与调试
4.1仿真软件简介
NIMultisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。
借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。
与SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
有如下特点：
1通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路；
2通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为；
3借助高级电路分析,理解基本设计特征；
4通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试；
5通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短研发时间。
4.2电路的仿真
按照原理图逐部分仿真
图4-1电源仿真图
图4-2555定时器仿真图
4.3交通灯完整功能的实现
1交通信号灯的完整电路图见附录仿真图
2交通信号灯的工作原理：
首先闭合开关，电路工作在白天工作状态。
555定时器发出秒脉冲，通过四分频器电路产生4秒脉冲，再此脉冲作用下，十二进制计数器发出0或1，通过逻辑电路使输入各个二极管的电位发生变化，使某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。
在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。
如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：
1：
6。
闭合开关后，十二进制计数器被异步置零，两个或门工作，进而只有两个黄灯受控制，在通过秒脉冲的作用，使黄灯每秒闪动一次，其它灯不亮。
4.4调试方法
1首先调试555定时器。
用示波器观察555定时器输出波形，确定555定时器是否正常工作，振荡频率是否是2Hz。
调节电位器R1，使555定时器产生频率为1Hz的方波信号。
2调试分频器。
用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是0.25Hz。
3调试十二进制计数示电路，将秒信号输送各计数器观察是否工作正常。
4整体调试。
各部分电路连接起来，观察交通灯是否正常工作。
4.5调试中出现的问题、原因分析及解决方法
1如图4-3所示电源中用变压器降压得不到9V交流电压，仿真结果与要求不符。
原因是该变压器的变比不合适造成的，改变变压器变比可以得到相应的电压。
图4-3变压器副边示数
2完成电路图后最初运行时转换开关处于断开状态，按下运行按钮后只有红灯和绿灯亮，时间一直延续，到时间后实现不了红绿黄灯之间的转换；按下转换开关并启动运行按钮后只有黄灯亮，时间一直延续，无法满足任务书中的要求。
经过调整电阻值和步长等在转换开关处于断开状态时达到了设计要求，但是按下转换开关后如图4-4所示黄灯不能正常发光。
产生上述现象的原因一是线接触不良，有些接点处并没有连接上。
二是由于选用的器件及电阻值不合适造成的。
解决方法：
将555_VIRTUAL换成LM555CM，将开关DIPSW1换成SPST。
调整各器件的数值直到达到设计要求。
图4-4电路仿真图
3如图4-5555定时器仿真图可知，555定时器形成的多谐振荡器发出的1HZ脉冲信号，仿真与实际示波器测出的脉冲信号有误差。
根据周期与频率的计算公式：
，原因一方面是两个电阻值的比例不协调造成的，另一方面是元件制作误差及环境干扰。
解决方法：
可以使用晶振形成1HZ的脉冲信号，LED发光时间应该能够更加准确。
图4-5555定时器仿真图
4首先，调试555产生的脉冲，对其分频信号进行分析，观察是否能够得到我们所需的脉冲。
其次，调试74LS74观察是否能够达到设计要求，即实现四分频。
调试74LS164观察是否能够达到设计要求，即实现十二进制计数。
观察74LS74和74LS164的输入与输出是否与真值表一致。
最后看各基本门电路等组成的分析电路是否能够达到预期的目的。
若每个细节都符合要求就可以将各部分连接起来，观察两个大的部分能否各自正常工作，即灯的控制是否和预期的一致，显示是否正常进行。
最后校对两部分，即灯与计时，观察其是否能达到同步。
最后，关于元器件的选择，本系统中所涉及的电子元件主要是集成电路芯片，在一定程度上主要考虑容易得到的为首选。
5连接电路时要注意各器件的正负极。
此外，应尽量使电路图连接的紧凑规整，即美观又方便检查错误。
5总结
通过这一周的电子课程设计，加强了我们思考和解决问题的能力，并且巩固了所学的电学知识，对于电学有了更加深刻的认识。
在老师和同学的帮助下使我又有新的提高。
课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，经过这一周的努力，在老师和同学的帮助下，我完成了设计任务。
通过这次课程设计，不仅使我的知识更加丰富，而且使我对电学有了更深入的了解，对于许多电器元件在电路中的使用有了更多的认识。
通过这次课程设计验证了一点，只有把所学的理论知识与实践结合起来，从理论中得出结论，才能真正的有所收获，进而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。
通过这次课程设计，我体会到非常重要的一点，结果并不是很重要，过程却相当关键。
因为我们只有在过程中才能使自己真正成长，才能真正学到知识。
总之，通过这次设计真的让我受益匪浅。
我真正从中学到了知识，也得到了成长。
同时，增强了我对电学的兴趣，让我对电气更加了解。
在此，要谢谢我的老师和同学，帮助我发现错误，改正错误，使我的课程设计顺利完成。
参考文献
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北京工业出版社，2003
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机械工业出版社，2001
[3]阎石．数字电子技术基础（第五版）．北京：
高等教育出版社，2009
[4]丁润涛．电子工程手册．北京：
机械工业出版社，1995
[5]韩力．Multisim10应用教程．电子工业出版社，2008
[6]赵淑范、王宪伟．电子技术实验与课程设计．北京：
清华大学出版社，2006
[7]付家才．应用电子工程技术．北京：
化学工业出版社，2005
[8]蒋卓勤、邓玉元．Multisim2001及其在电子设计中的应用．西安电子科技大学出版社，2004
附录Ⅰ
器件名称
器件型号
器件数目
非门
74LS04N
3个
或门
74LS32N
2个
与门
74S11N
2个
74S08N
4个
74LS08D
2个
D触发器
74LS74
2个
计数器
74LS164N
1个
定时器
LM555
1个
整流桥
3N249
1个
电容
3.3mF
1个
1μF
1个
10nF
1个
电阻
220Ω
6个
5kΩ
7个
410kΩ
1个
360kΩ
1个
开关
手动开关
1个
三极管
2N2219
6个
稳压块
LM7805
1个
LED
LED灯
6个
附录Ⅱ
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