电子技术课程设计-交通信号灯控制器电路设计.doc

交通信号灯控制器电路设计目录摘要1关键词10绪论21 设计任务及要求211 设计任务212 题目评析22 方案比较与论证 32.1电路设计选择 32.2 分解任务要求32.3输出指示灯状态设计（显示电路） 42.4主电路设计43 总体方案设计53.1原理框图 53.2数据线分配 53.3总原理设计图53.4数据线连接 83.5 74LS192计数器介绍及工作状态83.6 74LS73触发器介绍及工作状态 103.7 74LS153数据选择器介绍及工作状态 113.8 74LS138译码器介绍及工作状态 134 系统仿真144.1 仿真中的关键逻辑电平记录144.2 仿真结果 155 系统的调试组装165.1 Ptotel中的电路原理图设计165.2 PCB板图设计176 结论与心得18参考文献 19附录1 21附录222附录323致谢24交通信号灯控制器电路设计交通信号灯控制器电路设计全套设计加扣3012250582 摘 要:随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻常老百姓的家庭，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许多大城市如北京、上海、广东等均出现了道路交通超负荷运行的情况。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。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，采用74LS138译码器、74LS192计数器、74LS153数据选择器、74LS73双T触发器等实现交通控制信号灯的设计。关键字：交通信号灯；数字电路技术；计数器；译码器 ；数据选择器0引言在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。本课题是设计一个交通信号灯控制电路，通过本设计了解掌握交通信号灯控制电路的工作原理，进而研究电子产品设计的技术方法。通过对交通信号灯控制电路的设计、安装与调试，熟练掌握各种电子测量仪器、仪表的正确使用方法，熟悉掌握数字逻辑电路原理及各类型数字单元电路的工作原理、电路形式、调试方法、整机电路统调技巧等方面知识；同时，通过对系统设计结果的理论分析，加强理论联系实际的工作能力，对加强数字逻辑电路原理与技术方法的掌握，得到全面的、系统的训练，为今后从事本专业工作奠定坚实的技术基础1。1 设计任务与要求1.1设计任务2有一条东西干道和一条南北干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。要求实现逻辑功能，在1-3状态循环。1）东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s；2）东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s；3）南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s；4）如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。1.2题目评析2,3交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口。它由控制电路进行控制，并指导车辆和行人安全有序地通行。交通信号灯控制电路的设计方法很多，可由多种电路来构成，如数字逻辑电路，单片机电路，继电器接触器电路等。在本设计中，采用数字逻辑电路控制系统，与其它两种电路相比，该电路具有价格低，设计思路简单，元件少，体积小，稳定性好，可靠性高的特点。2方案比较与论证2.1电路设计选择方案1：单片机系统控制方案3单片机是核心控制元件，包括微处理器、存储器、输入输出口及其他功能部件。它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来。通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。硬件电路较为简单，主要用软件来控制，控制方式灵活多样，并可利用中断等方式通过程序方便的实现调时。它的特点是用软件设计替代了硬件设计，提高了系统的可靠性和系统的性价比。但在设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难，维修亦较难。 方案2：继电器接触器控制方案4继电接触式控制系统主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方式是断续的，所以又称为断续控制系统。虽然这种系统也具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，但这种控制系统的缺点是采用固定接线方式，接线多，灵活性差，工作频率低，触电易损坏，可靠性差。 方案3：数字逻辑电路控制方案2,6数字逻辑电路控制系统主要由各种逻辑元件构成，包括计数器、触发器以及各种门电路，硬件设计思路非常简单，造价低廉，元件少，体积小，稳定性好，可靠性和性价比都很高。难点在于电路的连线复杂，维护起来比较困难。方案确定：根据前面的方案比较，最后选取方案3（数字逻辑电路控制方案）。2.2分解任务要求任务要求实际上就是4个状态，不妨设：S1：东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s；S2：东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s；S3：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s；S4：如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。表2-1 主电路状态与指示灯状态转换主电路状态S1RS1GS2YS3RS3GS111000S200100S300011S410010灯数南北R2东西G2东南西北Y4东西R2南北G2注:R，G，B分别表示红灯，绿绿，黄灯。2.3输出指示灯状态设计（显示电路）图2-1 显示电路设计2.4主电路设计1）主电路实现S1S2S3状态的转换。2）另外可以在任何一个状态进入S4，并能恢复正常工作状态。3）实现1）、2）可以用触发器，也可以用锁存器或使能电路。4）实现S115s，S25s，S310s。方案1（1）S1-S3使用2个SR锁存器，设置00，01，10三个状态。（2）S4使用触发器，当出现紧急情况，触发器由“0”进入S4状态“1”后，在解除紧急时，恢复“0”，进入S1状态。 （3）使用4个JK触发器，实现16位计数。方案2（1）S1-S3使用2个74LS73替代的T触发器。JK触发器包含SR触发器和T触发器的功能，J=K=T，则得到T触发器。（2)S4使用或门、非门实现，从表2-1可知：(不能出现红绿同时亮的情况)(不能出现红黄同时亮的情况)(不能出现红绿同时亮的情况)（3)使用74LS192同步可逆10进制计数器（8421码）2个。表2-2 方案对比方案项目实现方法优点缺点1S1-S32个锁存器简单电平触发，与时钟信号不匹配S4触发器解除紧急S4后指定回到S1T4个JK触发器复杂2S1-S32个T触发器下降脉冲触发，与时钟信号匹配S4或门、非门解除紧急S4后回到S1/S2/S3任一状态，不固定T2个74LS192计数器容易处理，可显示数值综合考虑，为使电路简化、运行稳定，选用方案二。3总体方案设计3.1原理框图 (图3-1) 51）时钟控制系统：使用上升时序，个位、十位两片74LS192。进位关联使用个位TCU十位UP实现（Terminal Count Up (Carry) Line）。数据状态通过判断条件进入选择器74LS153。判断条件成立后执行清零。2）时序控制Sx：使用74LS73，实现S1S2S3状态的转换。3）判断Sx时钟：判断741LS92和74LS73的状态，满足条件输出74LS192的清零使能和74LS73的CLK信号。4）翻译SxLED，翻译S1、S2、S3对应LED的5个状态：5）输出调整电路，令紧急电平开关控制LED的状态。3.2数据线分配（图3-2）3.3总原理设计图（图3-3）图3-1 交通信号灯控制器原理框图图3-2 数据线分配7图3-3 总原理设计 交通信号灯控制器电路设计3.4数据线连接表3-1 数据线连接序号名称触发方式条件输出源输入A(Emergency)1紧急状态信号“紧急”电平开关741383CG91G101B/74LS192(1)1判断个位达到574LS192G074LS153BC/74LS192(2)1判断十位达到174LS192(2)3QA74LS15341C2112C1132C3TCU(Terminal Count Up (Carry) Line)个位从90同时输出一个脉冲74LS19212CO74192(2)5UPECLR/74LS153清零使能1B、C/74192Q0、Q1/7473的逻辑函数74LS153G474LS192G174LS192(2)G2Q00,1状态触发条件74LS73121Q74LS1381A74LS15314AQ10,1状态触发条件74LS7392Q74LS1382B 74LS15311G3.5 74LS192计数器介绍及其工作状态3.5.1 74LS192工作原理及引脚功能674LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。图3-4 74LS1923.5.2 74LS192功能表6表3-2 74LS192功能表输入输出MR/PLCPUCPDP3P2P1P0Q3Q2Q1Q01000000Dcbadcba011加计数011减计数3.5.3 4LS192工作状态表3-3 74LS192工作状态（个位） 74LS192774LS192674LS192274LS192374LS19274LS192B数码管000000000110001020001130010040010151011060011170100080100190其中：表3-4 74LS192(2)工作状态（十位）74LS192774LS192674LS192274LS192374LS19274LS192B数码管000000000111其中：3.6 74LS73触发器介绍及其工作状态3.6.1 74LS73工作原理6用JKFF构成TFF：则有：使2个T触发器的4状态循环变为3状态循环，图3-5 74LS73使用作系统状态。图3-6 74LS73状态转换图3.6.2 74LS73功能表6表3-5 74LS73功能表功能输入输出清除0XXX001110维持11XX0110维持1000110异步置1110011010异步置0101001110切换111011010013.6.3 74LS73工作状态表3-6 74LS73工作状态74LS7392Q121Q74LS7382131Q状态持续时间S1001115sS201105sS3110010s3.7 74LS153数据选择器介绍及其工作状态3.7.1 74LS153工作原理及引脚功能774LS153数据选择器为双4选1数据选择器，所谓双4选1数据选择器就是在一块集成芯片上有两个4选1数据选择器。当使能端1G（2G）1时，多路开关被禁止，无输出，Y0。当使能端1G（2G）0时，多路开关正常工作，根据地址码B、A的状态，将相应的数据C0C3送到输出端Y。1G、2G为两个独立的使能端；B、A为公用的地址输入端；1C01C3和2C02C3分别为两个4选1数据选择的数据输入端；Y1、Y2为两个输出端。图3-7 74LS1533.7.2 74LS153功能表7表3-7 74LS153功能表选择输入数据输入选通输入输出BAC0C1C2C3GY0000010001010100001101100001010111000111013.7.3 74LS153工作状态表3-8 74LS153工作状态输入输出74LS7392Q121Q74LS1531474LS153274LS153174LS192(2)74LS153G4状态CECLRS1000101S2011101状态CECLRS311101其中：3.8 74LS138译码器介绍及工作状态3.8.1 74LS138工作原理及引脚功能7当一个选通端G1为高电平，另两个选通端/(G2A)和/(G2B)为低电平时，可将地址端A、B、C的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如CBA=110时，则Y6输出端输出低电平信号。AC：地址输入端；G1：选通端；/G2A、/G2B：选通端（低电平有效）；/Y0/Y7：输出端（低电平有效）；VCC：电源正；GND：地。AC对应Y0Y7；A,B,C以二进制形式输入，然后转换成十进制，对应相应Y的序号输出低电平，其他均为高电平。 图3-8 74LS1383.8.2 74LS138真值表7表3-9 74LS138 真值表输入输出使能端选通端G1G2CBAY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7111111111011111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111103.8.3 74138工作状态表3-10 74138工作状态321输出LEDLEDLEDLEDLEDS100011000S200100100S301100011S410010010101100101101001011110010其中： 4系统仿真4.1仿真中的关键逻辑电平记录表4-1 仿真中的关键逻辑电平记录（全部高电平有效）7473974731274192G074192(2)374153G4数码管数码管LEDLEDLEDLEDLED个位十位十位个位S00000000000S0S1000101011000S115s000-10-100-10-511000S1S200101111510100100S25s0100001-500100S2S301101010500100101S310s1100001-900011S3S11010001110010101010S4110000-1X10010其中：1High Level0Low LevelXDont CareNone0-5=0 To 54.2仿真结果1）S0：没有打开电源的状态。图4-12）S1：东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s。S0，S1，S2，S3中任状态下打开电源会进入S1状态，数码管初始值为10。数码管最大显示为14，出现“15”的瞬间进入下一状态（S2）。图4-23）S2：东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。数码管最大显示为04，出现“05”的瞬间进入下一状态（S3）。 图4-34）S3：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l0s。数码管最大显示为09，出现“10”的瞬间进入下一状态（S1）。 D4D3D2D1图4-45）S4：如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。此状态，有且仅有所有红灯为1，红绿灯不受主电路状态影响。 图4-55系统的调试组装5.1 Protel中的电路原理图设计（图见附录1）本次设计首先确定了整个电路的功能及电气连接图。使用Protel99提供的所有工具绘制了一张满意的原理图，为后面的几个工作步骤提供可靠的依据和保证。原理图的设计步骤如下8：1）设置好原理图所用的图纸大小。在设计之处确定了图纸的大小，虽然在设计过程中可以更改图纸的大小和属性，但这样会给设计带来不必要的麻烦，容易出现错误。2）制作元件库中没有的原理图符号。因为很多元件在Protel99中并没有收录，所以本次设计绘制了部分元件的原理图符号，并最终将其应用于电路原理图的绘制过程之中。3）对电路图的元件进行构思。在放置元件之前，首先大致地估计了一下元件的位置和分布，如果忽略了这一步，有时会给后面的工作造成意想不到的困难。 4）元件布局。这是绘制原理图最关键的一步。虽然在简单的电路图中，即使并没有太在意元件布局，最终也可以成功地进行自动或手动布线，但是在设计较为复杂的电路图时，元件布局的合理与否将直接影响原理图的绘制效率以及所绘制出的原理图外观。5）对原理图内的图件进行电气连接。这里提到的线路可以是导线、接点或者总线及其分支线。当然，在比较大型的系统设计中，原理图的走线并不多，更多的时候是应用网络标号来代替直接的线路连接。这样做既可以保证电路的电气连接，又可以避免使整个原理图看起来杂乱无章。6）放置注释。这样做可以使电路图更加一目了然，增强了可读性。5.2 PCB版图设计（图见附录2）在设计印刷电路板之前，首先从网络表中获得了电气连接以及封装形式，并通过这些封装形式及网络表内记载的元件电气连接特性，将元件的管脚用信号线连接起来，然后再使用手动或自动布线，完成PCB板的制作。PCB具体设计流程如下9：1）绘制正确的原理图和网络表。原理图是设计PCB板的前提，而网络表是连接原理图和PCB板图的桥梁，所以在绘制PCB电路板之前一定要先得到正确的原理图和网络表。2）确定元件封装。要完成从原理图到PCB的转换，只有各个元器件对象的连接关系是不够的，还必须知道每一个元件的封装形式（Footprint）。Protel99SE提供了丰富的标准元件库，在导入网络表文件，必须先加载PCB元件封装库，并且要确保所有用到的库都已载入。3）设置环境参数。用户可以根据自己的习惯设置环境参数，如栅格大小、光标捕捉大小、公制英制单位的转换以及工作层面的颜色等。另外，因为PCB板图由很多层构成，所以还需要对PCB板的图层进行设置。4.规划电路板。这一步主要是对电路板的各种物理参数进行设置，包括电路板是采用双层板还是多层板，电路板的形状、尺寸，电路板的安装方式，在需要放置固定孔的地方放上适当大小的焊盘，以及在禁止布线层上绘制PCB板的外形轮廓等等。5）导入网络表。网络表中包含了各个元器件的封装形式，以及元件之间的连接关系，因此导入网络表之后就得到了PCB的后续设计的基础。6）元件的布局。从机械结构、散热、电磁干扰、将来布线的方便性等各方面综合考虑。先布置与机械尺寸有关的器件并锁定这些器件，然后布置较大的、占用空间较多的器件和电路的核心元件，最后布置外围的小元件。7）制订详细的布线规则。布线规则包括走线间距、各种线宽、过孔的大小、布线的拓扑结构等，这些规则需要根据所设计的电路板的实际情况进行设置。8）PCB布线。本次设计采用了自动布线和手工调整。9）电路板的引出端的处理。在PCB设计中，电源、接地、信号的输入和输出等端必须与外界相连，引出方式根据工艺要求而定。常见的引出方式利用焊盘引出和利用接插件引出；也可以在原理图中添加引出端，而后更新PCB板。10）进行设计规则检查。为了确保电路板图符合设计规则，以及所有的网络均已经正确连接，布线完毕后一定要做设计规则检查。11）调整其余层上的信息。全部调完并且通过设计规则检查之后，将所有丝印层的字符拖放到合适位置，注意尽量不要放在元件下面或过孔和焊盘的上面，对于过大的字符可适当缩小。12）保存和导出印制板文件。设计完成后，还要对印制板文件进行整理、存档和打印图纸等工作。此外还可以导出元件明细表，生成电子表格文档作为元件清单等（元件清单见附录3）。6结论与心得时间飞逝，在忙碌的学习和设计探索中，两周的实习转眼而去。但自己用辛苦的泪水换取了学业的进步和内心的收获。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关数电、模电相关的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。在课程设计过程中，自己不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，得到老师的指导和同学的帮助。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可！此次课程设计不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。回顾过去的两周，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且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，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，但可喜的是最终都得到了解决。课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了74LS