交通信号灯的设计与制作.doc

淄博职业学院毕业论文设计 毕 业 设 计题目 交通信号灯的设计与制作 姓 名 周瑶 学 号 201303120002 系（院）电子电气工程学院 班 级 P13电气一班指导教师 王正方 职 称 教授 2016年5月目录引言3 1设计意义及要求41.1设计意义41.2 设计要求4 2方案设计52.1 设计思路62.2 方案设计62.2.1设计方案一72.2.2设计方案二72.3方案比较83 部分电路设计93.1数码管显示单元93.2计时单元113.3片选单元123.4脉冲产生模块133.5红、绿、黄灯的控制144仿真操作步骤及使用说明164.1软件仿真步骤164.2仿真使用说明175调试与检测的方法与技巧185.1 调试中故障及解决办法195.2 调试与运行结果19结束语20参考文献21 引言交通的发达，标志着城市的发达，相对交通的管理则显得越来越重要。交通灯是城市交通中的重要指挥系统，它与人们日常生活密切相关，随着人们生活水平的提高，对交通管制也提出了更高的要求，因此提供一个可靠、安全、便捷的多功能交通灯控制系统有着现实的必要性。对于复杂的城市交通系统，为了确保安全，保证正常的交通秩序，十字路口的信号控制必须按照一定的规律变化，以便于车辆行人能顺利地通过十字路口。本交通灯设计主要由555定时器，计数器74LS192，数据选择器74151和门电路构成。并使用Proteus仿真技术模拟出了交通信号灯状态，以实现十字路口东西、南北方向的车按照设定的时间有指挥、有规律地通行。本系统结构简单，操作方便；可实现自动控制，具有一定的智能性，对优化城市交通具有一定的意义。关键字：交通灯，74系类芯片，555定时器，Proteus仿真1 设计意义及要求1.1设计意义交通灯是现代城市不可或缺的工具，它在维持正常交通秩序中起着至关重要的作用，本次设计，小组成员模拟了交通信号灯控制器的实现，感受到现代科技从人工到自动化进而智能的飞跃，通过全程具体的仿真实现和搭建实物，培养了我们分析解决现实生活问题的能力，提升了我们逻辑思辨性思维，最主要的是综合运用所学的数字电子技术的基本知识，包括熟悉集成电路的引脚安排、各芯片的逻辑功能及使用方法，了解面包板结构及其接线方法，通过使用Proteus仿真技术，独立完整地设计一定功能的电子电路，以及仿真调试等。1.2设计要求（1） 假设一路口为东西南北走向。初始状态0为东西红灯，南北红灯，（2） 然后转状态1东西绿灯通车，南北红灯。（3） 过25s转状态2，东西绿灯灭，黄灯闪烁5次，南北仍红灯。（4） 再转状态3，南北绿灯通车，东西红灯亮。（5） 过20s转状态4，南北绿灯灭，闪5次黄灯，东西仍是红灯。（6） 最后循环至状态1，如此不断周期循环下去。 2 方案设计根据交通信号灯控制器的要求进行设计，可以构成以下的设计流程图，如下图1：图1 设计流程图2.1设计思路将总体分为两大块：数码管的倒计时显示以及三种灯（红、绿、黄）的亮灭。对于数码管的倒计时显示部分，我采用了4块74LS192十进制加减计数器芯片，其中2快74LS192芯片用来构成东西路30S倒计时，另外2块74LS192用来构成南北路25S倒计时，这4块的输出部分分别都接上4511译码器将8421BCD码译成七段码使得与译码器相连的数码管显示对应的十进制数，由于东西路和南北路的倒计时显示需要轮流工作，我采用了JK触发器进行片选。其次，控制三种灯的亮灭，其中红灯的控制较为简单，可以直接取出片选信号对红灯加以控制，当东西路工作倒计时时那么南北路的红灯才亮，反过来，当南北路工作倒计时时那么东西路的红灯才亮，接下来关键是控制绿黄灯，东西路和南北路的思路是一致的，我都采用了8选1的数据选择器74151取出最后5S0S的信号，和1Hz的脉冲相与进而使黄灯闪烁，在减计数到最后5S之前，都是绿灯保持亮。2.2方案设计设计方案一选用4块74LS192十进制加减计数器，2块8选1数据选择器74151、1个JK触发器和一些逻辑门电路。其中2块74LS192构成东西路的30S减计数，一块代表个位数另一块代表十位数，再将1HZ的脉冲信号接到代表个位的74LS192的时钟信号端，十位的74LS192时钟信号端接个位的借位信号，这样就可以实现按秒递减，南北路的计时方式与之类。那么如何实现这两路的轮流工作？我采用了一个JK触发器，接成T触发器进行片选，每当30S倒计时器或25S倒计时其倒数结束的时候都将通过与门向外输出一个脉冲控制信号，而这个信号刚好可以送到JK触发器的时钟控制端实现翻转，其输出端的翻转信号与1HZ的脉冲信号经过与门给到两路的代表个位的74LS192时钟控制端，便能实现两路轮流工作。三种灯的显示部分，红灯的显示和绿、黄灯分开控制，红灯的亮灭可以直接由JK触发器所产生的片选信号决定，东西路的计时工作对应南北路的红灯亮，反过来南北路的计时工作对应东西路的红灯亮；绿、黄灯的控制利用74LS192的输出端，例如：对于东西路，前25S绿灯亮，采用8选一的数据选择器，选出计时器最后5S决定黄灯的闪烁、绿灯的熄灭。电路图如图2：图2 方案一电路图设计方案二（小组方案）小组方案采用单片机来实现系统的设计。采用STC89C52单片机作为MCU控制系统的运行。单片机外围电路简单，基于本设计，我们只需要在STC89C52单片机最小系统外再搭建12个LED信号灯电路和数码管时间显示电路，通过程序的控制，即可实现交通信号灯的设计。相对来说，方案简单易行，制作实物较为轻松，且系统不易受外界干扰，稳定性强。如图3为STC89C52单片机最小系统原理图。图3 单片机最小系统原理图2.3方案比较方案的比较是通过权重分析的方法来实现的，首先要分化出本项目重视的要素，首先是设计要求的符合度，其次是成本，电路的复杂性，电路的普适性等。本组通过各项要素进行对比，最终采用方案二作为本组的最优化方案。具体的比较如下：（1） 元器件成本上，由于方案一涉及到的模块数量多，电路相对复杂，所以元器件数量会多于方案二，电路成本也随之增加；（2） 电路的功耗上，单片机的功耗低，大大节约了能源；（3） 单片机自问世以来，性能不断提高和完善，具有集成度高、功能强、速度快、体积小等诸多优点；（4） 方案一存在一定的局限性，对于本次设计要求是满足的，但是不具有普适性，相比之下单片机可移植性强、稳定性高，在其它设计中也可以使用。3 部分电路设计3.1数码管显示单元一个七段译码管74HC4511和一个七段发光二极管（数码管）连接成一个74HC4511驱动电路，七段发光二极管即数码管可以从0-9显示。显示单元如图，七段译码器74HC4511原理图如图4。七段发光二极管是多种显示器中的一种，它可直接显示出译码器输出的十进制数。七段发光二极管显示器有共阳接法和共阴接法两种。共阳接法就是把发光二极管的阳极都连在一起接到高电平上，输入低电平有效；共阴接法则相反，它是把发光二极管的阴极都连在一起接地，输入高电平有效，本次设计采用的就是共阴极接法的发光二极管，和配套的译码器74HC4511。图4 数码管显示单元图5 74HC4511原理图3.2计时单元计时单元采用的是74LS192芯片。74LS192是一种十进制同步可预置BCD，加减计数器（双时钟脉冲）。它是由4个主从T触发器和一些门电路组成，具有清除、保持、并行输入、加计数、减计数等多种功能图6是其引脚图，表1是其功能表。图6 74LS192引脚图输入输出MRPLUPDND3D2D1D0Q3Q2Q1Q01000000dcbadcba011加计数011减计数表1 74LS192功能表其中：MR是清零端； UP是递增计数脉冲输入端； DN是递减计数脉冲输入端； PL是置数控制端； TCU是进位输出端； TCD是借位输出端；D0、D1、D2、D3是并行数据输入端；Q0、Q1、Q2、Q3是并行数据输出端。当MR=1时，计数器各输出端均被清零，即Q0Q1Q2Q3=0000，只有当MR=0时计数器才能实现置数、加计数、减计数及保持等功能。计数器的递增计数脉冲输入端UP和递减计数脉冲输入端DN是彼此独立的，这种输入方式称为双时钟脉冲输入。当计数器作为加计数器使用时，计数脉冲就从UP端输入，作为减计数就从DN端输入。置数控制端PL处于0状态时，可将数据从D3、D2、D1、D0端并行存入计数器。PL处于1状态时，计数器便处于加计数、减计数或者保持状态。如果进行多位连接时，只要将低位的进位信号TCU或借位信号TCD分别接到高位的UP或DN端即可。本设计中东西路和南北的倒计时都是利用低位的借位信号TCD接到高位的DN端实现的。如图7便是东西路30S倒计时的原理图。图7 30S倒计时电路图3.3片选单元由设计要求可知，东西路和南北路的倒计时是轮流工作的，首先是东西路倒计时30S，然后南北路倒计时25S，倒计时并非同时进行，于是想到用JK触发器进行片选，通过将J、K端都接高电平实现一个翻转功能的JK触发器相当于一个T，将两路的倒计时借位信号经过与门接在这个JK触发器的时钟接口，每当某一路的倒计时完毕脉冲信号到来的时候，JK触发器的Q输出端将翻转一次。通过这样的翻转就可以具体控制30S倒计时器和25S倒计时器的轮流工作了。JK触发器连接如图8所示。图8 JK触发器下面可以将上述的JK触发器的输出端Q、分别引出一条线，一条与脉冲信号源经过与门后送入东西路低位的74LS192的时钟端口，另一条同样与脉冲信号源经过与门后送入南北路低位的74LS192的时钟端口，这样两路总是保持一个计数另一个不计数，且其中一个计数完毕之后转换为另一个开始计数。下图9为JK触发器片选接线图。图9 片选控制图3.4脉冲产生模块利用555定时器所组成的多谐振荡器，按照设计要求，其频率为1Hz，如图10。接通电源后，电容C被充电，当v上升到2V/3时，时v为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R和T放电，v下降。当v下降到V/3时，v翻转为高电平。电容C放电所需要的时间为： 式1当放电结束时，T截止，V将通过R、R向电容器C充电，v由V/3上升到2V/3所需的时间为： 式2当v上升到2V/3时，电路又翻转为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，可以作为脉冲信号，其震荡频率为： 式3图10 由555定时器组成的脉冲信号源3.5红、绿、黄灯的控制3.5.1红灯的控制考虑到红灯的状态刚好是与倒计时工作状态相反，可以直接取出片选信号来控制红灯的亮灭，当片选信号决定东西路计数时同时控制南北路的红灯亮，当片选信号决定南北路计数时则同时控制东西路的红灯亮，电路图如图11。图11 红灯控制电路3.5.2绿、黄灯的控制绿、黄灯的控制较红灯复杂，不仅与片选信号有关，还与74LS192的输出信号有关，在倒计时最后5S到来之前，绿灯保持亮的状态，而最后5S是黄灯开始闪烁，采用了一个74151数据选择器，取出最后5S来控制黄灯闪烁。具体地，以东西路为例，最后5S为000001010000010000000011000000100000000100000000，3-8数据选择器的地址线便可同时接前三个低位信号，但是由于这三个信号的状态是重复出现的，可以借助数据选择器的使能端再加以筛选，可行方案之一为取出前三个低位之前的三个信号，经过或门，只有当它们全为0时数据选择器才使能，这样便可惟独取出最后5S的信号，数据选择器输出端Y和1Hz的脉冲信号经过与门接到黄灯，就可以使黄灯闪烁；而绿灯的控制则恰好可取数据选择器和片选信号经过与门后的结果，这样，当东西路倒计时工作时，未到最后5S之前，绿灯亮，最后5S黄灯开始闪烁。电路图如图12。图12 绿、黄灯控制电路 4仿真操作步骤及使用说明仿真软件使用的是PROTUES7.0，利用PROTUES的强大的仿真功能和丰富的芯片库，可以很容易的进行软件仿真，本组设计的按键状态扫描显示电路主要运用的是数字器件，PROTUES中仿真数字器件很方便，可以观察每一个端口的电平，从而很方便与理论大小进行对比。4.1软件仿真步骤（1）确定电路元件的基本类型与个数；（2）联接电器元件并联接电源和接地；（3）输入所有可能情况并进行极端调试，如输入任务要求上没有的情况，观察会有什么输出结果，进行记录；（4）通过修改电路或者元器件参数，改进方案中的不足，并最后进行总结；4.2仿真使用说明Proteus中共有36种大的类别元件库，及超过8000种以上的具体元件（1）元件库说明图：（2）元件查找及添加点击Proteus左侧工具栏按钮，进入元件模式，再次点按钮，即可调出元件库在搜索关键词部分，键入所需元件的关键字，如果库中有相应元件，会在元件区域列出所选元件，双击它，将元件添加到电路图的DEVICES，如图：单击DEVICES区所选元件，在电路图合适的空白区域，单击，即可放置相应元件（3）库元件分类说明：CMOS 4000 series CMOS 4000库Debugging Tools 调试工具Diodes 二极管库Miscellaneous 元件混合类型库Resistors 电阻库Switching Devices 开关类元件库TTL74 余下皆为TTL74或TTL74LS系列库5调试与检测的方法与技巧利用软件PROTUES7.0模拟仿真电路，可以基本实现任务要求，硬件上的需求是能够运行PROTUES7.0的计算机以及满足要求的元器件和电路板。5.1 调试中故障及解决办法在方案一生成后，在PROTUES中进行仿真。调试中故障：出现了红灯无法驱动的状况，由Proteus可以看到红灯的一端出现了高阻态。 解决的办法：通过理论的分析，考虑是时电流不够，在红灯一端加上2输入的与门，与门的其中一端是电源，另一端是控制红灯亮灭的信号。5.2 调试与运行结果调试分为两个方面，第一是软件调试，本组采用的是PROTUES7.0进行的仿真，本软件的最大优势在于芯片种类齐全，适合模拟数电电路，直观容易初步排查电路问题；第二是硬件调试，主要是通过上电后，用万用表测各点的电平，通过与理论数据的比较，来改变电路中的参数，