交通灯控制信号设计

目目录录一一引言引言.1二二系统总体设计系统总体设计.222.1主电路功能分析.222.2设计总体思路.332.3系统设计框图.44三三单元计电路设计电路单元计电路设计电路.553.1秒脉冲信号发生器.53.2显示计数电路.63.3置数端电路.73.4彩灯显示控制电路.88四安装四安装调试步骤调试步骤.9五故障分析五故障分析.10.10.六六.总结与体会总结与体会.1111附附录录.1212参参考考文文献献.1818实物图实物图.1919电气与信息工程系课程设计评分表电气与信息工程系课程设计评分表.20一一引言引言今天，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两块以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。1914年，电气启动的红绿灯出现在美国。这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，安装在纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，当车辆接近时红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下喇叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。随着经济的发展，交通运输中出现了一些传统方法难以解决的问题。道路拥挤现象日趋严重，造成的经济损失越来越大，并一直保持大比例的增长。现在交通系统已不能满足经济发展的需求。由于生活水平的提高，人们对交通运输的安全性及服务水平提出了更高的要求。中国车辆数量不断增加，交通控制在未来的交通管理中起着越来越重要的作用。智能交通灯的管理比重修一条马路无论在经济、交通运行速率上都有很好的效益、更加节约资源。使交管人员有更多的精力投入到管理整个城市交通控制，带来更大的经济和社会效益为创造美好的城市交通形象发挥更多的作用。二二系统总体设计系统总体设计2.1主电路功能分析主电路功能分析本课程设计的主要任务是设计、仿真并安装一个交通灯控制电路（1）.南北车道绿灯亮，东西车道红灯亮。表示南北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间隔T1时，控制器发出状态转换信号，转到下一个工作状态。（2）.南北车道黄灯亮，东西车道红灯亮。表示南北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。黄灯亮足规定的时间间隔T2时，控制器发出状态转换信号，转到下一个工作状态。（3）.南北车道红灯亮，东西车道绿灯亮。表示南北车道禁止通行，东西车道上的车辆允许通行。绿灯亮足规定的时间间隔T3时，控制器发出状态转换信号，转到下一个工作状态。（4）.南北车道红灯亮，东西车道黄灯亮。表示南北车道禁止通行，东西车道上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔T4时，控制器发出状态转换信号，系统又转换到第（1）种工作状态。该课题要求实现的主功能如下：2.22.2设计总体思路设计总体思路由前面课题分析可知，它主要由控制器、计数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，控制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，它控制计数器的工作，主要由组合逻辑电路组成。秒脉冲信号发生器由555芯片和若干电阻组成。计数器部分，由于开始倒计时的数据不一样，故减计数芯片的置数分为几种，课题要求倒计数最大为50，故用两个计时器芯片级联即可实现倒计时功能。该电路选用74LS192作为减计时器，74LS192芯片是十进制加减计数器，具有同步置数（低有效）和异步清零（高有效）的功能。两片74LS192级联为两位十进制计数器，驱动显示器显示时间。每一进制数倒计到零时，计时器发出一个控制信号给存储电路，即计步端，计步端进入下一个状态的同时给计数器置相同状态的数。在该状态的倒计时时间间隔中，存储电路可利用状态端的固定不变的特点驱动交通灯，从而达到实现主电路功能的目的。彩灯的循环闪亮由门电路控制。将组合逻辑输出端接彩灯，则彩灯变化跟计数显示变化一致。至此整个电路的设计思路就出来了。其中的74LS192、74LS163电路功能表在附录中给出，以便参考。2.3系统设计框图系统设计框图由以上课题分析与设计思想的证明，可给出如下电路结构框图：步骤控制交通灯显示器倒计时主电路时钟脉冲置数控制系统总电路图如下图所示系统总电路图如下图所示三单元电路设计三单元电路设计3311秒脉冲信号发生器秒脉冲信号发生器秒脉冲信号发生器由555芯片和若干电阻组成，由于实验箱提供了秒脉冲，因此只模拟了出来而没有实际组装。产生秒信号的电路有多种，该试验由555定时器组成多谐振荡器，输出为秒脉冲。工作原理：接通电源Vcc后，Vcc经电阻R1和R2对电容C充电，其电压UC由0按指数规律上升。当UC23VCC时，电压比较器C1和C2的输出分别为UC1=0、UC2=1，基本RS触发器被置0，Q=0、=1输出u0跃到低点平Uol。与此同时，放电管V导通，电容C经电阻R2和放电管V放电，电路进入暂稳态。随着电容C放电，uc下降到uc13Vcc时，则电压比较器C1和C2的输出为uc1=1、uc2=0，基本RS触发器被置1，Q=1，Q=0，输出u0由低点平Uol跃到高电平Uoh。同时，因=0，放电管V截止，电源Vcc又经过电阻R1和R2对电容C充电。电路又返回前一个暂稳态。因此，电容C上的电压uc将在23Vcc和13Vcc之间来回充电和放电，从而使电路产生了振荡，输出矩形脉冲。多谐震荡周T为：T=tw1+tw2。tw1为电容C上的电压由13Vcc充到23Vcc所需的时间，充电回路的时间常数为R2C。tw2可用下式估算tw1=（R1+R2）Cln20.7（R1+R2）Ctw2为电容C上的电压由23Vcc下降到13Vcc所需的时间，放电回路的时间常数为R2C。tw2可用下式估算tw2=R2Cln0.7R2C所以，多谐振荡器的振荡频率周期T为T=tw1+tw20.7（R1+2R2）C振荡频率为f=1T=10.7（R1+2R2）C3.2显示计数电路显示计数电路图2.2显示计数电路高位192的管脚解说:VCC和GND分别接高电平和低电平；高位192的QA、QB、QC和QD分别接入LED显示管的输入端；DOWN接脉冲；AC接入一个或门的输出端，BD，CLR接低电平，CO不用，虽然悬空等同与接入高电平，但是为了预防干扰把它接入高电平；高位的LOAD与低位的LOAD相连，高位的BO与地位的DOWN连，低位192的管脚解说：A接入一个非门，B接入或非门，C接另一个或非门，D接地，QA、QB、QC和QD分别接入LED显示管的输入端；UP和VCC接高电平；LOAD接入与第一个LOAD接入的同一个或门；同理CLR和GND接地。两片192级联成50进制计数器，因为要实现50、35、05三组数的转换，所以必须将这两计数器变成可变置数的计数器。级联的方式为低位的借位端接高位的减计数脉冲输入端，要实现周期性减计数，需要跳过一些无用的状态，故采用整体置数的方式。1.31.3置数端电路置数端电路由于每一状态的结束都须对计时器重新置数，且置数端为可变进制数，故由74LS163为计时器置数，74LS163的CLKENTENPVCC接高电平，管脚ABCD以及GND接低电平，RCOQCQD悬空，时钟信号CLK接入一个非门的输出端，LOAD接入一个与非门的输出端，由输入QAQB端控制的所需的几种状态，电路图如上：3.4彩灯显示控制电路彩灯显示控制电路为便于化简计算，我们作为下假设：南北道路上绿、红、黄灯分别设为AG、AR、AY，相对应东西道路上分别设为BG、BR、BY。灯亮为1状态，灯为0状态，根据课题要求则可列写真值表如下：化简如下：由此，各灯的状态即可由存储电路的输出端Q1和Q0进行控制。AGARAYBGBRBYQAQBQAQBQBQAQBQBQAQB四四安装，调试步骤安装，调试步骤第一，要对领取的元器件、导线、面包板、试验箱进行仔细的观察，QAQBAGARAYBGBRBY00010010010010011010001011001100熟悉面包板的构造，熟悉箱子上的各种模块的功能，比如电源线、地线从哪里引出，脉冲信号在哪里，二极管是共阴极还是共阳极，静态LED显示如何接线等都需弄明白，还要检查上述各个模块有无损坏，损坏的地方需标记以便以后连线时能提醒自己。试验箱参照附录中的照片（1）。二，对所有的导线进行检测，剔除坏了的导线。对元件安装的位置进行编排，尽量使其合理化。再对元器件的好坏进行检测，元器件的好坏直接关系到调试是否成功。与同组成员进行了分工，一个一个的检测。检测元器件时要灵活，才能提高效率。对于其他芯片如与门、与非门、或门、非门等检测时更要加倍小心，必须检测在各种输入状态下的输出情况，才能保证检测的可靠性，不然会对后面的安装造成很大的干扰。若检测到坏件需与好的分开，并分别标记清楚。第三，检测完元器件后开始安装芯片及连线，要按照先小模块、后大模块再整体的原则进行安装调试。首先安装调试显示计数电路模块，用两块74LS192芯片级联的方式组成50进制，Q0、Q1、Q2、Q3接静态LED显示。再安装一些门电路及74LS163，然后74LS163其输出端连接在74LS192的输入端，构成可变置数计数器，最后接上1Hz的方波，观察LED的变化情况。可观察到计数器从50开始倒计时，并且周期进行，说明连接是正确的。之后安装调试控制电路，将组合逻辑电路芯片安装到面包板，按图连线测试该端是否按预期的结果变化，这样整个大模块就连接完成了。开启电源并接入信号可看到静态LED显示正常，最后再连接彩色三个输入端作为红、绿、黄灯。仔细观察几遍后没有发现问题则该大模块连接成功。最后将电路进行整体调试，观察LED显示是否正确且步调一致，观察彩色灯是否正确，东西方向的等和南北方向的灯变化是否同时进行多察看几次，确保电路稳定。确保电路可以正确的实现所有的功能后，找老师检查验收，之后就可以拆除芯与导线了。整理好后再归还。接线后的实物可参照附录的照片（2）。五故障分析五故障分析故障总是会出现的，不管仿真的有多么理想，不进行实践就不知道什么地方会出现错误。在本次安装调试过程中出现了一些问题，导致电路不能顺利的实现其功能。主要的问题有芯片不能正常使用，记得当我接第三次的时候，觉得自己接线很完美了，可就是不会循环结果，等我拆了重接的时候才发现不知什么时候74LS192的管脚掉了一个，只能重新来过。还有让人郁闷的是输出的电平既不是高电平也不是低电平。仔细检查后发现是地线接错了插孔，重新接好后芯片恢复正常。最后好不容易接好后，电路又不太稳定，原因是接口松动了。将接口都固定之后，电路稳定了却又出现了新的问题，置数值不会变动了或者有时候根本不是按原本设计置得数开始循环，让我郁闷不已。最后经过一步一步的排故仔细的检查后，发现时因为74LS163没有进位信号，导致其数值一直从0加到9循环，所以导致74LS192置数错误。平且在接线过程中由于面包板上的线多很容被碰掉出来，所以接线的时候要特别的小心。还有一次等我全部接线完了以后，第一次的置数是成功了的我可高兴啦，但是不可以循环。这次我首先把前几次得到的排故经验用来检查，但是还是没有找到任何问题。后来我用三个导线，三根导线的一段分别接到灯泡，另一端分别接到我待测试的输入端和输出端。以此来检测我所需要的每个信号是否正确且存在。当我一个一个得检测的时候，却发现有一个与门是没有正常工作的。因为一个芯片上有四个与门，刚开始的时候我只检测了一个与门，所以我就以为其它三个也是好的，却没有严谨的思考过，导致这一次的接线又不成功。最后在和同伴仔细、严谨的接线，果然最终成功了。经过十多次的努力，最终成功了。虽然不是很理想排布线也不是很美观，不过它可以正常的运行，这个结果还是很令人满意的。在该实习中遇到了许多问题比如有些不用的管脚悬空也可以但为了防止干扰最好还是接高电平。六六.总结与体会总结与体会短暂的两个星期过去了，意味着为期两周的电子技术实习的结束，在这次实习中我学到，得到很多东西，课程设计的主要目的是培养学生综合运用所学知识通过自己的亲身体验去发现，分析和解决操作过程中所遇到的种种问题锻炼自己的动手能力和实际分析问题的能力，在这次的设计中我对此深有体会。在12月21日拿到这个课题的时候大脑中一片空白，毫无头绪，虽然我们在上学期学习了模拟电子技术，在这学期学了数字电子技术，然而在拿到这个课题的时候才发现理论知识与实践的区别，后来在老师的提示下，有了大概的设计思路，在书本上翻阅了每个设计所需要的芯片，明白及懂得每片芯片的作用及各个引脚的功能！接着和同学交流学习设计出电路图并通过EWB软件进行仿真，经过几天的努力，不断的修改与完善后终于得到了一个方案，虽然这个方案不是最佳的但是也是通过自己调试出来的，完成了EWB仿真紧接着就是接线了，在这次课程设计中，这项工作是最难的。最开始是测试器件的好坏，验证器件没问题后就按图纸接线，在接的时候才发现困难重重，在一块小小的接线板上要接上七个芯片，每个器件有十多个引脚，线多得让人眼花缭乱，更难的莫过于分辨其中得每个引脚，而实验用的导线引脚比插孔小很多，一不留神就会掉下来，接到后面是叫人心惊胆颤，生怕引线再掉下来，这就是在考验一个人的细心和耐心了。每次接完线后，满怀希望的去通电，得到的结果却不是理想的，不是十进制有问题就是脉冲不连续。在经历了多次失败后，渐渐地总结出一些好的捷径，就是在接线时按整个电路划分的各个功能块逐一接线，接完一个功能块就给予测试通过了再接下一个功能块电路，这样做在接错线时能更好地排除故障。课题的要求是根据优先级别依次输入四路信号并能逐个清除掉，而我们只实现的两路信号的输入和清除，虽说到最后我们这一组没能完全达到课题的要求，但我觉得最重要的不是结果，而是努力去做的这一过程，正因为这样就不会有太多得遗憾，毕竟自己经努力了，也解决了很多操作过程中出现的问题。这次实习就这样结束了，最后总结这次电子技术课程设计中，我受益匪浅，在接近两周的日子里，可以说得是困难重重，举步维艰，但是在操作过程中通过老师的指点，同学的交流，将遇到的问题逐一解决了，真的感觉到学会了很多很多的的东西，不仅巩固了以前所学过的相关知识，更重要的是学到了很多在书本上所没有学到过的知识。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，要把所学的理论知识与实践相结合起来，总结出经验和规律，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，同时也感触到了团队协作精神的可贵。最后感谢杨老师不辞辛苦对为我们的指导！附附录录元器件清单：元器件清单：74LS1631片74LS1922片74LS081片74LS041片74LS321片74LS001片74LS021片静态LED显示2个彩灯6个试验箱1个面包板1块导线若干各芯片功能参数表各芯片功能参数表1）74LS192同步十进制可逆计数器74LS192是同步十进制可逆计数器，具有双时钟和可预置功能。当清除端CR=1时，无论有无计数脉冲，Q3Q0均为0，即为异步清零。当置数端LD=0时，无论有无计数脉冲，数据输入端D3D0所置数据并行送到输出端Q3Q0。当DOWN=1时，计数脉冲从UP送入，则在CP上升沿的作用下，计数器进行加计数，加到9后，借位输出端CO=0。当UP=1时，计数脉冲从DOWN送入，则在CP上升沿的作用下，计数器进行减计数，减到0后，借位输出端BO=0。74LS192的外引线排列图和功能表如下：2）74LS1634位二进制同步计数器位二进制同步计数器74LS163是是同步二进制计数器，它的主要功能有：异步清除：当CR=0时，无论有无CP，计数器立即清零，Q3Q0均为0，称为异步清除。同步预置：当LD=0时，在时钟脉冲上升沿的作用下，Q3=D3Q2=D2Q1=D1Q0=D0。计数：当使能端ETp=ETt=1时，计数器计数。锁存：当使能端ETp=0或ETt=0时，计数器禁止计数，为锁存状态。7