数字电路交通灯课程设计.docx
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数字电路交通灯课程设计
河南城建学院
电子技术课程设计报告书
题目：
十字路口交通管理器
系别：
电气与电子工程系
专业班级：
2009级自动化二班
学号：
092409251
姓名：
张利朋
指导教师：
弓亚超
时间：
2011年06月23日
设计任务书
在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。
交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，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。
设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：
1）主干道方向通行，支干道方向禁止通行，历时1min。
2）主干道方向禁止通行，支干道方向仍然禁止通行，历时3s
3）主干道方向禁止通行，支干道方向通行，历时30s。
4）主干道方向仍然禁止通行，支干道方向禁止通行，历时3s之后又返回到第一步循环。
一、交通灯设计原理………………………………………………3
二、单元电路的设计……………………………………………...7
1、秒脉冲发生器……………………………………………..7
2、倒计时电路…………………………………………………8
3、状态控制电路…………………………………………….9
4、显示电路……………………………………………...…10
5.整个交通灯控制系统的布局……………………………...11
三、仿真过程与效果分析…………………………………………14
四、元器件清单……………………………………………...……17
五、体会总结……………………………………………...……..17
六、参考文献……………………………………………...……..19
一．交通灯设计原理
交通灯控制系统的原理框图如图1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，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，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。
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。
图1交通灯控制系统的原理框图
两方向车道的交通灯的运行状态共有4种（因人行道的交通灯和车道的交通灯是同步的,所以不考虑），如图2所示
一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：
（1）图甲车道绿灯亮，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）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，转到下一工作状态。
（3）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。
（4）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙车
道上位过县停车线的车辆停止通行，已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器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S2、S3表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示。
控制器状态
信号灯状态
车道运行状态
S0（00）
S1（01）
S2（11）
S3（10）
甲绿，乙红
甲黄，乙红
甲红，乙绿
甲红，乙黄
甲车道通行，乙车道禁止通行
甲车道缓行，乙车道禁止通行
甲车道禁止通行，乙车道通行
甲车禁止道通行，乙车道缓行
表1控制器工作状态及其功能
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，并作如下规定：
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
二．单元电路的设计
1．时序脉冲产生
a） 电路原理图
时序脉冲产生电路原理图
b） 功能说明
时序电路是数字系统不可缺少的一个重要组成部分，因为数字电路只有在时钟电路的驱动下才可正常工作。
根据应用场合的不同，不同数字电路选择使用不同类型的时钟发生器。
因为交通灯控制系统的秒信号精度不高，故选用555定时器。
c） 所需器件
555芯片一个
51K、39K电阻各一个
10UF、0.01UF电容器各一个
2． 倒计时计数电路
b） 功能说明
倒计时计数电路主要由计数器构成，它在整个系统设计中的作用是实现计时计数，在此我选用减法计数器，因为本设计说明计时时间可预设，所以需要可预置数的计数器，综合以上要求，采用74LS192。
当交通灯控制系统开始工作时，该部分电路将实现各种状态的转换功能。
首先，将数码管显示一路绿灯的预值（63秒），预值：
0110，0011；当其减到3时，计数器产生借位，此时绿灯灭。
直到此绿灯再次亮时，重复上述转换功能，实现倒计时计数。
将绿灯的输出接到芯片的LD端，实现倒计时计数，CR端置0；CPD接1HZ的脉冲信号。
Q3、Q2、Q1、Q0端分别接显示74LS48的A3、A2、A1、A0端。
c） 所需器件
74LS192———计数器
d） 芯片引脚图
3． 状态控制电路
a） 电路原理图
状态控制电路原理图
b） 功能说明
74160为同步十进制计数器，由于一片计数器不能满足要求，故我们选择两片74160串联，构成百进制计数器。
当EP=1，ET=1，RD’=1,LD’=1,计数器随脉冲信号从0开始计数，将输出信号端通过一个与门相接，接到绿灯1，当计数器计到59时，送给黄灯一脉冲；当计数器为62时，送给红灯脉冲。
然后，红黄绿灯获得脉冲信号后，倒计时器开始工作，分别计时相应的秒数。
c） 所需器件
74160————同步十制计数器
4．显示电路
a） 电路原理图
b） 功能说明
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器。
它具有集电极开路输出结构，可以直接驱动共阴极数码管。
因此，我选用74LS48来实现此部分功能。
将74LS48的4个输入端A3、A2、A1、A0分别与计数器74LS192的输出端Q3、Q2、Q1、Q0相接，再将它的7个输出端接到数码管对应的引脚上，用来控制七段LED显示器的7个发光段。
通过各芯片的综合使用，来实现显示功能。
c） 所需器件
74LS48---------七段数码管译码器驱动器
LED数码显示器
d） 芯片引脚图
5.整个交通灯控制系统的布局
三．仿真过程与效果分析
电路试调
电路连接完后，要进行调试，以检测是否达到要求。
实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。
这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。
然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。
因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。
调试的常用仪器有：
万用表、示波器、信号发生器。
调试前的检查
电子安装完毕，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。
其检查内容包括：
（1）连线是否正确
检查的方法通常有两种方法：
a.按照电路图检查安装的线路
这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。
按照实际线路来对照原理图电路进行查线
这是一种以元件为中心进行查线的方法。
把每个元件引脚的线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。
为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。
元器件的安装情况
检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。
调试方法与原则
通电观察
把经过准确测量的电源接入电路。
观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。
一步对电路参数提出合理的修正。
调试中注意的事项
为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。
为此，需注意以下几点：
（1）正确使用测量仪器的接地端
（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。
因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。
（3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。
要正确选择测量点。
（4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。
（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。
记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。
只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。
（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。
因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。
我们应该认真检查.
调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。
对于本交通灯来说，只要不出现异常的现象，一般不需要调试，直接进行测量。
测试电路中线路是否接通
同上用万用表的欧姆档，测试每一组的连通的线，将两表笔接到被测的一组线的起始线和末端线的两端，看电阻是否为零，如果是零，则证明是通的；如果是无穷大，则证明中间有线是短开的，则要一根一根的检查该组的没一根线，直到查出为止。
通电后的测试
（1）测试电源
用万用表的直流电压档，测试输入电源的电压，看是否达到额定电压（本产品为+5V），如果不是，则换电源。
（2）测试芯片的电源输入端
同上用万用表的直流电压档，测试芯片的接地端与接电源端的点呀，看是否达到芯片的额定电压（本产品所用的芯片都是+5V），如果不是，则检查其线路是否接错。
操作说明
1、根据题目的要求，整个交通灯控制系统需要有4个时间显示器，6个交通信号灯。
但由于芯片没有,只有用实验室的示波器来看秒脉冲时间。
2、打开总开关，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为60（30）秒，打开总开关，数码管此时显示60（30）秒，东西方向车道的绿灯亮；南北方向车道的红灯亮，直到数码管显示时间为01秒，东西方向车道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。
再过3秒后，数码管显示01，电路又转换成预置的30（60）秒，东西方向车道的黄灯转换为红灯，南北方向车道的红灯转换为绿灯。
总之，96秒为一个周期，开始时显示60，一路绿灯和另一路红灯亮，直到减到01，跳为一路黄灯闪和另一路红灯不变，直到减到1；然后置数30，一路红灯和另一路绿灯，直到减到01，跳为一路红灯不变和另一路黄灯闪，直到减到1，然后置数60，如此往复。
四．元器件清单
实验箱一台
同步十进制计数器741602片
计数器74LS1924片
74LS484片
震荡芯片5551片
51K、36K、3K电阻器各一个
10UF、0.01UF电容器各一个
LED4个
五．体会心得
通过这次课程设计，不仅加深了我对数字逻辑电路的理解，而且加强了我独立思考和合作交流及动手能力。
通过对设计中的每个模块的设计巩固了对理论知识的掌握，而且感觉实践和理论并非同一回事，比如在设计555脉冲电路时，对电路的连接和电阻电容完全正确的情况下，产生却非想要的1HZ的矩形波，后来查到要将电阻电容的的引脚接的尽量短才得到较为理想的脉冲，但是无论怎么接还是跟理论有一定差距的，深深的认识的多动手的重要性。
在这次实践中，加强了对各种元器件的认识，比如电解电容引脚长的为正极等，同时使更加熟练了焊接技术。
还认识到多跟同学交流的重要性，这样不仅可以是自己设计出更好更简洁的电路，而且能使自己少走弯路，分享彼此在实践中中的遇到的问题，还可以使自己学到更多，对问题理解的更加透彻。
比如刚开始时自己设计的电路用的元器件较多，看多同学的设计后，突然感觉的自己多用了两个可以不用器件，在这次设计中自己还加深了分频的重要性，以及，画电路图时网络节点的应用不仅可以少连很多线，关键是让自己的电路的逻辑一目了然。
通过本次实践，感觉自己收获最大的就是用万用表耐心的检查自己焊接不小心电路留下的错误，开始时我找错误是用很笨的方法，看着实物连接对着原理图每条每个端点的检查哪里接错花了很长时间也没找到，后来得知可以用万用表直接触接芯片各个引脚，结果很快找到了几个错误的地方，因为自己在找错误方面花了太多的时间，万用表很好用的，这一点让我刻骨铭心，受益匪浅，终生难忘。
虽然花了很多时间，但觉得还是值得的，即使完成的慢了些，中途还有想放弃的念头，但还是坚持在找错误，觉得耐心和遇到问题不放弃的坚持也很重要，如果没有坚持或许也就不会认识到万用表的对检查电路很有用。
六．参考文献
1．《数字电子技术实验讲义》湖南工学院
2.《电子技术基础-模拟部分》高等教育出版社
3．《555集成电路实用电路集》高等教育出版社
4《TTL集成电路应用》机械工业出版社
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