交通信号灯可动控制器曹俊见.docx
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交通信号灯可动控制器曹俊见
交通信号灯可动控制器
一、设计目的
1、巩固和加强《数字电子技术》课程的理论知识。
2、掌握电子电路的一般设计方法，了解电子产品研制开发过程。
3、掌握电子电路安装和调试的方法及其故障排除方法，学会用Multisim软件仿真。
4、通过查阅手册和文献资料，培养学生独立分析问题和解决问题的能力。
5、培养学生创新能力和创新思维。
让学生通过动手动脑解决实际问题，巩固课程中所学的理论知识和实验技能。
6、在实验装置上或者利用仿真软件完成数字秒表的线路连接和调试。
7、提高团队意识和自学能力。
二、设计任务
设计一个交通灯控制电路,实现对城市十字路口的交通灯控制。
技术要求为：
1、东西方向绿灯（EWG）亮70s,南北方向红灯亮（NSR）亮;
2、东西方向黄灯（EWY）亮5s,南北方向红灯亮（NSR）亮;
3、南北方向黄灯（NSY）亮5s,东西方向红灯亮（EWR）亮。
4、南北方向绿灯（NSG）亮70s,东西方向红灯亮EWR）亮;
三、方案论证
按设计要求，须用数码管来做显示器。
要求计数分辨率为1秒，那么我们需要相应频率的信号发生器。
选择信号发生器时，有两种方案：
一种是用晶体震荡器，由基本数字逻辑单元进行设计,由振荡器产生一定频率的方波脉冲，之后由分频器对方波脉冲进行分频，以达到设计电路所需的频率脉冲。
另一种方案是采用集成电路555定时器与电阻和电容组成的多谐振荡器。
本实验选用第二种方案，即CP脉冲由555定时器构成的多谐振荡器，产生1赫兹脉冲。
其核心部分是用2个74LS190加减计数器级联方式构成计数器。
用具有记忆功能的JK触发器实现电路的转换。
具体如下：
（1）秒振荡电路应能输出频率分别为为1H幅度为5V的时钟脉冲，为提高精度，可用555设计一个输出频率为1Hz周期为1V的矩形脉冲的多谐振荡器
（2）计数器电路应具有75秒倒计时功能，可以通过2片74LS190级联来实现。
（3）各个方向的倒计时显示可共用一套译码显示电路，只要用2个4输入的BCD_HEX数码管接74LS190的输出即可实现。
（4）主控制电路和信号灯译码驱动用各种门电路和JK触发器组成，应能实现计时电路的转换、各方向信号灯的控制。
四、设计框图
首先分析实际交通灯控制电路，从南北方向和东西方向入手，路口均有红、黄、绿三个交通灯显示数码管。
其示意图如下：
图1-1十字路口交通信号灯控制示意图
1．系统工作流程图
系统工作流程图如图所示：
图1-2系统工作流程
2．系统硬件框图
硬件结构框图如图所示：
图1－3 硬件结构框图
四．系统单元电路及设计原理
（1）秒脉冲发生器
采用555定时芯片来产生秒脉冲，首先把555定时芯片接成施密特触发器（把芯片的2、6脚接到一起），然后适当的设置R1﹑R2﹑C的值就可以得到秒脉冲了。
因为施密特触发器电路的周期为
T=（R1+2R2）Cln2（2-1）
此时输出脉冲的空占比为
q=
=
（2-2）
上式说明，施密特触发器的空占比总是大于50%。
为了得到等于50%的空占比，我们对电路做了些改进，如下图，由于接入了二极管D1、D2,电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电只流经R2，因此电容的充电时间变为
T1=R1Cln2（2-3）
而放电时间变为
T2=R2Cln2（2-4）
故输出脉冲的空占比为
q=
（2-5）
故当R1=R2，q=50%。
下图的周期也相应的变为
T=T1+T2=（R1+R2）Cln2（2-6）
T=1，若取C2=10uF,得R1=R2=70千欧，得到的近似为1HZ的方波。
周期为1S.
图1-4秒脉冲发生器电路图
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
（2）状态控制器
图1-5状态转换图
由流程图可见，系统有4种不同的工作状态，状态编码分别为11、10、01、00，状态编码为两个下降沿触发的JK触发器74LS112的输出：
和
。
当为11时，东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。
当为10时，东西方向黄灯闪，南北方向红灯亮。
当为01时，东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮。
当为00时，东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪。
JK触发器由下面两路特殊的时钟信号驱动，所以会循环的在这四种状态之间转换。
最上面的波形为
的时钟，中间的为
的时钟，最下面的为555定时器得到的1HZ的时钟信号。
的下降沿正好在第75个时钟处，
下降沿有两个一个在第70个时钟处，另一个在第75个时钟处。
这部分电路由纯粹的组合逻辑电路来实现，思路如下：
当两片192计数器的置数端都有效时（即输出为00），
的时钟信号为0，否则为1。
设计组合电路，判断当两片192的输出为05（即倒计时70秒）时，输出为0，否则为1。
这样得到了这样两个波形：
和
的波形如下：
（3）状态译码器
JK触发器的功能是：
状态方程为：
Q*=JQ′+K′Q.在J=1，K=1，Q*=Q′,状态翻转，在下降沿触发，实现电路的转换，进而控制QA和QB。
以状态控制器输出作译码器的输入变量，根据4个不同通行状态实现对南北、东西三色信号灯的控制要求，6盏灯控函数真值表如表所示。
由真值表得灯控函数逻辑表达式
R=
′Y=
′G=
r=
y=
′
′g=
′
Y和y的控制信号在输入之前与时钟信号CLK进行一下与操作，为了达到在5秒黄灯闪烁的效果。
电路图如下：
图1-6状态译码器电路图
（4）递减计时系统（最核心部分）
计数器选用集成电路74190较简便。
74190是十进制同步加减计数器，没有专用的清零输入端RD′，但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能,即控制预置端LD′,从而实现同步计数功能。
74190功能表如表所示。
关于74LS190芯片的分析：
控制JK触发器的时钟脉冲信号CLK，进而控制QA,QB，它具有异步并行置数功能、保持功能。
2个4输入的BCD_HEX数码管接74LS190的输出即可实现
第一片芯片，起始状态是0111（7），第二片起始状态是0101（5），数码管显示是从75开始依次递减的。
当控制端U′/D接高电平时，74LS190是减法计数，即数码管显示数字递减的，其控制电路是通过74LS190以及门电路控制的。
当数码管有9递减为零时，是有RCO相互级联通过或门电路实现的。
LD′相级联，当第一片芯片输出都为0时，通过几个或门，从而使LD′=0，起到预置数功能，其他只要输出有一个为1时，U7一定为高电平，使74LS190起到减法计数状态。
第二片74LS190，由于74LS190是同步十进制加减计数器，根据真值表知，QA,QC接非门，只有在0101（第五个脉冲）时，U14输出才为0，U14正下面的或门也是0，U20为高电平1，U8才仅受第一芯片的影响，在计数状态时，通过U11使其输出为0，输出为0，状态翻转。
否则QA只受第二个芯片的影响。
选用两片74LS190时间控制加减计数器，两片计数器之间采用异步级连方式，利用个位计数器的借位输出脉冲直接作为十进制计数器的计数脉冲，个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。
图1-7信号灯递减计数器电路图
五．系统调试与仿真
用示波器观察秒脉冲信号发生器的输出，看周期是否为1S;如果不是，则应改变电阻R1、R2（R1=R2）的大小。
如周期大于1S，则减小电阻值，反之，则加大电阻值，直到符合要求的脉冲。
在调试时，电阻值应缓慢改变，不可调的过急。
通过观察数码管的显示和红绿灯的亮灭，满足设计要求，一开始数码管从75减到0，东西方向的绿灯亮70秒，然后东西方向的黄灯闪烁5秒，南北方向的红灯一直亮，之后，数码管又恢复到75，南北方向的绿灯亮70秒，然后黄灯闪烁5秒，东西方向的红灯一直亮。
使用虚拟示波器观察555输出波形和控制信号
的波形，都符合设计要求。
把各单元电路按信号的流向链接起来，进行系统总体调试。
同时可以根据不同的情况对主、支干道绿、黄、红灯的亮灯时间进行预置值；并且各灯的点灯时间可以分别在0～99之间调整，则达到设计要求。
最后值得注意的是， 用Multisim软件按照电路图连接电路并运行以后，由于系统默认仿真时间比较慢，数码管显示更新比较慢，调整系统仿真时间，在Simulate->InteractiveSimulationSetting中，调整Maximuntimestep，直到得到比较好的显示效果。
也可以通过成倍的减小555的参数来调整时钟信号，从而得到比较好的显示效果。
六．故障及分析
故障1：
脉冲发生器（555定时器构成的多谐振荡器）没法实现1秒的脉冲信号。
原因：
参数不对。
排除方法：
利用f=（1.43/R1+2R2）C适当的选取定值电阻、电容的大小和可变电阻的最大阻值，最终使得其产生正确的脉冲信号。
故障2：
数码管显示乱码。
原因：
计数器芯片74LS190管脚接线错误，LED数码管的共极性弄反（按共阳极的接线方法接线）。
排除方法：
对计数器正确接线，调整数码管的阴阳极接线（按共阴极的接线方法接线）。
故障3：
数码管数字跳动频率不均匀。
原因：
使能输入信号的波形不是规则的脉冲方波。
排除方法：
用示波器观察脉冲输出电路输出端的波形，如果不规则就加以个反相器（用74LS00代替）整形，同时，这样还能达到减小误差的目的。
七．设计体会
通过两周的准备、查找、思考、整理总结，我终于完成我的课程设计—交通信号控制器。
通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决实际问题的能力。
在整个设计过程中，经常经常出现这样那样的问题，但是最后还是都得以解决，这个过程是值得我回味的。
对自己的设计要仔细考虑，是否可行，尤其是进位输出，着重看看进位的CP脉冲是否正确等，在检查计数单元和脉冲发生器是可以在输出端接一个发光二极管通过观察二极管的亮与灭可以快速判断电路是否工作正常，这是我们在不断摸索中总结出的十分有效的方法。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
这次实习必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，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，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。
同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！
此次课程
设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的课程设计应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。
为了做好课程设计，我大量地查阅相关手册和文献资料，从中我了解了一些常用芯片的作用及应用方法，并且把《数字电子技术基础》课本来来回回翻了很多次，在做课程设计同时对课本知识也进行了巩固和加强，由于课本上的知识太多，讲课的进度也很快，平时课后的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，通过这次课程设计，我不仅加深了对课本知识的理解及应用，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
平时看课本时，有些问题总是弄不懂，做完课程设计后，那些问题就迎刃而解了。
而且记住很多东西，比如一些芯片的功能。
以前看课本时，几乎是这次看了，过几天就忘了，通过这次动手实践让我对各个元器件有了更深的印象。
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。
总之，这个这次课程设计对我的作用是非常大的。
在此，感谢于老师的细心指导，同时也对自己能圆满完成设计任务，并在此次课程设计中使自己的能力得到提升感欣慰。
八．元器件明细表
序号
名称
型号参数
数量
备注
1
电阻
69KΩ
2
2
电阻
2KΩ
1
3
电容
10nF
1
4
电容
10uF
1
5
555定时器
1
6
JK触发器
74LS112
2
7
非门
NC7SU04
3
8
与门
NC7S08
7
9
或非门
NC7S02
1
10
计数器
74LS190
2
做减法计数
11
数码管显示器
DCD-HEX
2
12
与非门
NC7S02
1
13
或门
NC7SZ32
11
九．参考文献
1杨刚，周群主编.电子系统设计与实践.北京：
电子工业出版社，2005
2郁汉琪主编.数字电路实验及课程设计指导书.北京：
中国电力出版社，2007
3.阎石主编.数字电子技术基础.北京：
清华大学出版社，第五版
4.林涛主编.数字电子技术基础.北京：
清华大学出版社，2006
5.XX文库
十．实验总电路图见附页
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