电子技术课程设计-交通信号灯设计.doc

交通信号灯课程设计课 程 设 计全套设计加扣3012250582 设计名称 交通信号灯设计 学年学期 2013-2014（上） 课程名称 电子技术课程设计 专业年级 电 气 112 姓 名 学 号 提交日期 2014.01.04 成 绩 指导教师 水利与建筑工程学院目录摘要41 设计任务与要求51.1 设计任务51.2设计目的51.3技术指标51.4题目分析6 1.5工作流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62设计方案62.1 各种方案比较与选择62.2 方案论证73 电路设计93.1 系统的总体设计93.2 单元电路的设计10 3.3 电路原理图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .204 系统仿真204.1 Multisim204.2 仿真原理图204.3 仿真结果215 PCB的制作225.1 protel简介225. 2 PCB板图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245. 3 面板图. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25.6 收获与心得体会. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .257附录28交通信号灯课程设计摘 要：分析交通信号灯控制系统应用要求及设计原理，设计出能够满座实际应用要求的交通信号灯控制器。通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,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. 因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。关键词：控制器；计数器；信号灯；译码电路1. 设计任务及主要技术指标和要求1.1设计任务和要求：由一条主道和一条支道的汇合点形成的十字路口，两道上的车辆交替通过，为确保车辆的安全,迅速通行,在交叉路口要求主车道和支车道两条交叉道的每个入口设置了红,绿,黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯给行驶的车辆有时间停靠到禁行线外；（1） 用红,绿,黄,三色发光二极管作信号灯,主道红,绿,黄,绿（左拐）四个信号灯,支道红,绿黄三个信号灯。（2） 主干道和支道交替允许通行，主干道每次放行45秒，支道每次放行25秒。设计45秒和25秒计时显示器电路。（3）为了方便主干道车辆进入支道, 主干道放行45秒后, 主干道亮红, 绿（左）灯, 支道亮红灯, 主道的车辆可左拐进入支道,时间25秒， 计时显示器电路。（4）在每次由绿灯或绿（左）灯转换为红灯的过程中间，要亮5秒黄灯作为过渡时间，以使得行驶中的车俩有时间停到禁行线外，计时显示电路。（5）在丁字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯；用来指挥车辆和行人有序通行。其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。1.2设计目的： 十字路口的红绿灯指挥者行人和各种车辆的安全运行，实现红绿灯的自动指挥是城市交通自动化的重要课题。本课题利用数字录得基本知识和设计方法，设计一个简单的交通灯控制系统要求1.3技术指标：设计一个十字路口的交通灯控制电路,每条道路上各配有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该道路禁止通行；黄灯亮表示该道路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；绿灯表示该道路允许通行。该电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，实现十字路口自动化。1.4 题目分析：模拟十字路口交通灯（红、黄、绿三色）的显示以及计数功能。1.5 工作流程：主道方向绿灯亮，支道方向红灯亮；主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮；主道方向红灯绿左拐灯亮，支道方向红灯亮；主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮；主道方向红灯亮，支道方向黄灯亮。2 设计方案2.1 各种方案比较与选择：方案一采用现在比较流行的51系列片机实现对灯的自动控制和同步倒计时输出。该方案能够实现设计所给出的要求，且硬件电路较简单接线较容易。但是，我们现阶段还没有学过单片机的知道，对单片机的具体工作原理不清楚，且完全不懂基于51系列单片机的编程。对单片机而言，程序是其工作的灵魂，而我们对这又是完全不懂，所以就我们现在所掌握的知识而言，要实现这一方案难度很大！方案二采用的是基本数字电路，原理比较简单，且其原理和所使用器件都是我们在数字电子技术课程中所学过的，但是此方案也有1个大的缺陷：它对两路时间对称的系统容易实现，但对设计要求的两路时间不对称的系统较难实现，如果要实现两路时间不对称的控制就要多加控制信号，这样实现就很麻烦，且条理不清。方案三采用的也是数字电子技术中所学的基本原理与芯片，具有方案二的全部优点，且其设计思路清晰，只是简单的计数，译码再通过逻辑门电路对其进行控制。最大的优点是各部分电路是相互独立的，即可以采用分开接线，分开测试的方法，方便检查线路，当各部分电路检测输出无误后再将各部分连接成整体。对实际检验校对很有帮助，且此电路能较方便地实现对控制时间的倒计时。综上分析，此设计方案选择方案三，其原理简单，便于连线，便于调试，且容易实现与灯控制信号同步的倒计时功能。2.2 方案证论：方案一：采用单片机实现选用8031单片机，8255并行通用接口芯片，74LS07，MAX692看门狗，共阴极的七段数码管，双向晶闸管，7805三端稳压电源，红、黄、绿交通灯，开关键盘等。系统总框图如下：图2 方案一系统流程图 方案二：采用数字电子技术（核心控制部分用触发器来实现）交通灯控制系统的原理框图如下图所示。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: 表示主车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为45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。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。图3方案二流程图方案三：用简单的计数译码芯片实现（74lS161计数器异步清零清零状态为N同步置数清零状态为N-1，数字电路第六章有专门论述，74LS138是集成译码器数字电路4.4.2有论述）。由秒发生器电路部分产生周期为一秒的矩形脉冲信号，经74ls161分频后可得到周期为五秒的脉冲信号，用此信号作为主控部分74ls161的输入控制脉冲，控制74ls161计数，我们电路中用两块74ls161级联，并用异步清零的办法将其做成17进制计数器。用此17位计数器的输出作为译码器74ls138的地址输入，最后将得到的译码信息经过相应的门电路，即可达到控制交通灯的目的。显示部分所需脉冲直接采用555输出的秒脉冲，这样就可以使得显示与灯的控制在时间上达到同步。译码 计数 分频得到5秒信号 秒信号产生 输出控制灯 译码 计数 驱动共阳七段数码管显示图4 方案三流程图交通灯逻辑（译码）：NSR（红1）=Y0+Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7+Y8+Y9EWG（绿2）=Y0+Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7EWY（黄2）= Y8+Y9EWR（红2）=Y10+Y11+Y12+Y13+Y14+Y15+Y16NSG（绿1）= Y10+Y11+Y12+Y13+Y14 NSY（黄1） Y15+Y16 3 电路设计3.1 系统的总体设计：（1）系统中要求有45秒，25秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路。计时顺序用顺计时。定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入主控电路，并通过主控电路去开启和关闭种交通灯或启动另一种计 时电路。（2）系统要求定时显示电路的输入信号为秒脉冲信号，设计一个可以实现秒脉冲输出的时基电路。（3）主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自45秒，25秒，5秒三个定时信号。主控电路可以控制各种交通灯的开启和关闭，并反馈信号给计时电路，触发与亮着的信号灯相应的定时电路，使其顺时显示相应时间。设计方案概述：如图1，系统主要由控制器，定时器，显示器，译码器，信号灯和秒脉冲号发生器组成。其中控制器是核心部分，由它来控制定时器和译码器的工作；秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号；译码器输出两路灯的控制信号；定时器是这个设计方案中的难点，要找到合适的元器件来分别实现三种不同时间的定时功能，并且尽可能的使其电路不过于复杂。(控制器，处理3个定时器的输入信号，再进行译码工作)（秒脉冲号发生器给定时器提供时钟脉冲，这样定时器才能工作） 主道 支道 红 黄 绿红 黄 绿 绿（左）译码驱动电路 主控电路 5秒定时、显示25秒定时、显示45秒定时、显示 时基电路图1 交通信号灯控制器的总原理框图3.2 单元电路的设计：3.2.1主控电路（1）主车道绿灯亮，支车道红灯亮。表示主车道上的车辆允许通行，支车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔45秒时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。（2）主车道黄灯亮，支车道红灯亮。表示主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，支车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（3）主车道红灯，绿（左）灯亮，支车道红灯亮，表示主车道上车辆左拐进入支道，支车道禁止通行，如图3。红灯，绿（左）灯亮足规定时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（4）工作状态同（2）。（5）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行，支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。图8 主道车辆左拐示意图（6）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行，支车道上位过县停车线的车辆停止通行，未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5秒时，控制器发出状态转换信号，系统又转换到第（1）种工作状态。交通指示灯以上6种工作状态的转换是由控制器进行控制的。设控制器的四种状态编码为000、001、010、011、100、101，并分别用S0、S1、S2、S3、S4、S5表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示，控制器应送出主、支车道红、黄、绿灯、绿（左）灯的控制信号。 表1 车道运行状态表态序主干道支道时间/秒S0绿灯亮 通车红灯亮 停45S1黄灯亮 停红灯亮 停5S2红,绿（左）灯亮 左转红灯亮 停25S3黄灯亮 停红灯亮 停5S4红灯亮 停绿灯亮 通车25S5红灯亮 停黄灯亮 停5 主道 支道红 黄 绿红 黄 绿 绿（左）译码驱动电路 主控电路 5秒定时、显示25秒定时、显示45秒定时、显示 时基电路图9 主控状态转换图3.2.2 定时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。计数器用集成电路74sl190N进行设计比较简单。74sl190N是四位十进制同步可逆计数器，有预置数功能（1）5S定时：555时基电路发送单位脉冲给标号U2的74LS190 计数器完成5S定时的功能，同时U2的TC发出进位信号给主控电路，从而改变其状态，此时主控电路再通过译码改变亮灯信号，主控电路同时反馈信号给定时电路，至使其进入下一计数状态。（2）25S定时：25S定时由图中标号U1的计数器完成，当加到9时,U1自动清零，且U1的TC发出进位信号给主控电路，同上5S显示，最终进入下一计数状态。（3）45S定时：定时由图中标号U1、U2计数器完成 ，工作原理同上25S定时显示。图11 定时电路原理图3.2.3译码显示电路译码器采用实验室最常用的74ls160三线八线译码器，门电路主要用到四2输入与非门74ls03，2输入的四与门74ls08,8输入与非门74ls05。各集成芯片引脚及主要功能： 图（a）74ls05 图 （b）74ls08图（c）74ls03图（d） 74LS160管脚图74LS160是中规模集成同步十进制加法计数器，具有异步清零和同步预置数的功能。使用74LS160通过置零法或置数法可以实现任意进制的计数器。其引脚图见图4-9-1。先对74LS160的基本功能进行测试，并将计数器的工作状态填入表4-9-1中。异步清零：当0时，Q 0Q1Q2Q30。同步预置：当0时，在时钟脉冲CP上升沿作用下，Q 0D0，Q1D1，Q2D2，Q3D3。 锁存：当使能端时，计数器禁止计数，为锁存状态。计数：当使能端EPET1时，为计数状态。表一 74LS160的逻辑功能表时钟CP异步清除同步置数EP ET工 作 状 态0 10 110 111 0111 1表二 74LS160真值表输 入输 出注CLRLDENTENPCLKABCDQAn+1QBn+1QCn+1QDn+1CO01111x0111xx10xxx1x0xxxxaxxxxbxxxxcxxxxdxxx0 0 0 0a b c d计 数保 持保 持00清零置数图13 实现电路图3.2.4 计数译码显示部分根据设计要求计时要能实现10056 2400100的可循环倒计时，计时时间为45秒和25秒交替变化。根据这一要求我们想的办法是用两片十进制计数器级联组成100进制减法计数器，开始的时候让此计数器从100开始减计数，减到56时也就是过了45秒的时间，此时利用此计数器的置数功能转数到24,让它从24开始减一直到00再回到100重复以上过程。这样我们就得到了45秒和25秒这两个循环的倒计时时间段，完成住计时显示，同理可实现支道时间计数显示。(a)(b)(c) 译码显示电路3.3 电路原理图4 系统仿真4.1 Multisim：Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。4.2 仿真原理图4.3 仿真结果：5 PCB的制作5.1 protel简介PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到DXP 2004，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上。2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer 6.0。Altium Designer 6.0，它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。这款最新高端版本Altium Designer 6.除了全面继承包括99SE，Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。Protel99 SE共分5个模块，分别是原理图设计、PCB设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。以下介绍一些Protel99SE的部分最新功能：可生成30多种格式的电气连接网络表；强大的全局编辑功能；在原理图中选择一级器件，PCB中同样的器件也将被选中；同时运行原理图和PCB，在打开的原理图和PCB图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB），也可以进行反向注释（由PCB到原理图），以保持电气原理图和PCB在设计上的一致性；满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）； * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；支持用CUpL语言和原理图设计PLD，生成标准的JED下载文件； * PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；放置汉字功能；可以输入和输出DXF、DWG格式文件，实现和AutoCAD等软件的数据交换；智能封装导航（对于建立复杂的PGA、BGA封装很有用）；方便的打印预览功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印结果；独特的3D显示可以在制板之前看到装配事物的效果；强大的CAM处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB启动；反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；专家导航帮您解决信号完整性问题。Protel 99采用全新的管理方式，即数据库的管理方式。Protel 99 是在桌面环境下第一个以独特的设计管理和团队合作技术为核心的全方位的印制板设计系统。所有Protel99设计文件都被存储在唯一的综合设计数据库中，并显示在唯一的综合设计编辑窗口。Protel 99软件沿袭了Protel以前版本方便易学的特点，内部界面与Protel 98大体相同，新增加了一些功能模块。Protel公司引进了德国INCASES公司的先进技术，在Protel99中集成了信号完整性工具，精确的模型和板分析，帮助你在设计周期里利用信号完整性分析可获得一次性成功和消除盲目性。Protel99容易使用的特性就是新的“这是什么” 帮助。按下任何对话框右上角的小问号，然后选择你所要的信息。现在可以很快地看到 特性的功能，然后用到设计中，按下状态栏末端的按钮，使用自然语言帮助顾问。52 PCB板图53面板图： 见附录26 收获与心得体会根据老师给出的题目要求我们选择题目，查找资料，进行方案论证，选择方案，系统设计，基本电路设计，电路组装及调试，在规定的时间内完成校对，并完成设计报告。开始拿到题目的时候，还不知道怎么做，因为自己对这门课的一般设计还未入门，对很多芯片的功能都不是很清楚，还有multisim仿真软件，以前从来没有接触过，只是现在需要的时候才开始用它，它的功能都不很清楚。通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。现在设计已经做好了，虽然花了很多时间，但学到了很多东西。做课设的时候自己认真查阅各种资料，曾抢了自己对知识的理解，很多以前不是很懂的问题现在都已经解决。在课程设计的过程中，我们想了很多种方案，对同一个问题反复论证，运用不同的芯片进行了比较，最后还是采取了上面的方法进行连接。在连接过程中，经常会遇到一些问题，比如接错线，无意中删除了一些线等，是自己感觉有点力不从心。这次课程设计之后，使我明白了做任何事情都要认真仔细，不然的话，会花更多的时间才能做好。课程设计有利于提高我们的动手能力，能把我们所学的书本知识运用到实际生活中去，同时也丰富了我们的业余生活，提高我们对知识的理解能力。同时也使我意识到一个良好的设计思路，是电路的生命。宁愿在思路设计上多花上50%的时间，因为前期看似慢，实际上恰恰给后一个良好的设计思路，是电路的生命。宁愿在思路设计上多花上50%的时间，因为前期看似慢，实际上恰恰给后期的制作带来很大的方便，效果往往是更节省了许多时间，同样在制作过程中，马虎不得，粗心不得，特别作更应该如此。一步一步来,要充分利用网上的资料，图书馆的资源，添补课上所学的空白