毕业设计150湖南工学院十字路口的交通灯控制电路设计.doc
毕业设计150湖南工学院十字路口的交通灯控制电路设计
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计150湖南工学院十字路口的交通灯控制电路设计,电气电子毕业设计论文
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实 验 报 告 课程名称 电子线路综合 指导教师 王勇刚 专 业 电子信息 班 级 0403班 学 号 19 号 姓 名 朱 龙 组 员 王 磊 温 涛 nts 1 实验项目名称 实验项目类型 时间 设计任务书 一、设计目的 1、巩固电子线路设计的理论知识及设计方法； 2、学习将设计电路的方法灵活运用于实际生活； 3、掌握 大型电路设计思想及方法； 4、掌握电路设计方案的最佳选择。 二、设计要求和技术指标 1、技术指标 1、设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行的时间都设为 25 秒； 2、要求黄灯先亮 5 秒钟，才能变换运行车道； 3、黄灯亮是，要求每秒钟闪亮一次。 2、设计要求 1、设计一个能控制通行时间为 25 秒的十字路口的交通灯； 2、要求绘出原理图，并绘出印制版图； 3、根据设计要求和技术指标设计好电路，选好元件及参数； 4、安装好电路； 5、拟定测试方案和设计步骤； 6、写 出设计性报告。 批阅 nts 2 实验项目名称 实验项目类型 时间 设计原理 交通灯控制系统的原理图如下所示： 基 准 秒 脉 冲 控 制 器定 时 器已 车 道 信 号 显 示译 码 器甲 车 道 信 号 显 示T LT YS T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，它的精度直接影响到电路的工作；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的工作，即可显示工作状态；控制器是该系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作，控制着整个电路的运转。 对图中符号做如下用途： TL：表示甲车道或乙车道绿亮的时间间隔为 25 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。由他 批阅 nts 3 实验项目名称 实验项目类型 时间 控制定时器开始下一个工作状态的工作。 十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下： 1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示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 TY时，控制器发出状态转 换信号 ST，转到下一个工作状态。 （ 2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲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。黄灯亮足规定时间间隔 TY时，控制器发出状态转换信号 ST，转换到下一个工作状态。 （ 3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行。绿灯亮足规定的时间间隔 TL 时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一个工作状态。 （ 4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线上的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规 定时间间隔 TY时，控制器发出状态转换信号 ST，系统又转换到第（ 1）种工作状态。 交通灯以上 4 种工作状态的转换是由控制器的。设控制器的四种状态编码为 00、 01、 10、 11，并分别用 S0、 S1、 S2、 S3 表示，则控制器的工作状态及其功能如表 1-1 所示。 批阅 nts 4 实验项目名称 实验项目类型 时间 控制器状态 信号灯状态 车道运行状态 S0（ 00） 甲绿，乙红 甲车道通行，乙车道禁止通行 S1（ 01） 甲黄，乙红 甲车道缓行，乙车道禁止通行 S2（ 11） 甲红，乙绿 甲车道禁止通行，乙车道 缓行 S3（ 10） 甲红，乙黄 甲车道禁止通行，乙车道缓行 表 1-1 控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并做如下规定： AG=1：甲车道绿灯亮； BG=1：乙车道绿灯亮； AY=1：甲车道黄灯亮； BY=1：乙车道黄灯亮； AR=1：甲车道红灯亮； BR=1：乙车道红灯亮； 由此得到交通灯的 ASM 图如下所示，设控制器的初始状态为 S0，当S0 的持续时间小于 25 秒时， TL=0，控制器保持 S0 不变。只有当 S0 的持续时间等于 25 秒时， TL=1，控制器发出状态转 换信号 ST，并转换到下一个状态。 批阅 nts 5 实验项目名称 交通灯的设计 实验项目类型 综合 时间 2006年 11 月 方案选择 能实现此电路的方法很多，具体设计可以依照自身的条件选择方案。 第一种方案：采用数字电子技术实现。用基本的 555 芯片 （利用单稳态实现定时） ，计数芯片（如 74LS163， 74LS160 等） 完成计时功能 ，控制电路 芯片，译码芯片（如 74LS138） 等基本芯片，结合电阻，电容等基本元件，通过逻辑电路实现交通灯的功能。 第二种方案：用 EDA 技术实现交通灯功能。 利用有限状态机 （判断时间推回控制红绿灯的转换） ，用 PLD 来完成对交通灯的设计，可以实现交通灯主干道副干道黄红绿灯的转换。设计可基于超高速硬件描述语言 VHDL 和在Altera 公司的 FLEX 系列 的 CBA56020A 芯片上编程实现。通过仿真，调试和测试，可达到所需要的技术指标。 第三种方案：使用单片可编程来实现交通灯的功能 。 利用单片机的外围扩展，加上液晶显示电路和二极管构成基本硬件。然后编程实现对定时，控制，显示电路的控制，然后调试，完成设计。 结合实际情况，现选用第一种方案对交通灯进行设计。 批阅 nts 6 实验项目名称 实验项目类型 时间 单元电路的设计 1、秒脉冲信号发生器电路： 秒脉冲可以由晶振电路构成（在要求精度比较高的情况下使用），也可以用 555 芯片与 RC 构成脉冲产生电路（在普通电路中使用），现 时钟脉冲产生电路用一片 555 定时器构成多谐振荡器，设计脉冲周期为 1s。 根据需要，我们要设计输出的振荡周期 T=1s,则有： T=tw1+tw2 tw1为电容 C1上的电压又 1/3Vcc 充到 2/3Vcc 所需的时间，充电回路的时间常数为 (R1+R2)C1。 tw1可用下公式估算： tw1 = (R1+R2)C1ln2 =0.7(R1+R2)C1 tw2为电容 C1上的电压又 2/3Vcc 下降到 2/3Vcc 所需的时间，放电回路的时间常数为 R2C1。 tw2可用下公式估算： tw2= R2C1ln2 =0.7R2C1 所以振荡周期 T 为 T=tw1+tw2 =0.7(R1+2R2)C1 批阅 nts 7 实验项目名称 实验项目类型 时间 根据上式可估算出： C1=1uF C2=0.01uF R1=500K R2=470K 综上所述，我们可设计如下电路图 1： 输出的 1 秒脉冲波形图： 批阅 nts 8 实验项目名称 实验项目类型 时间 2、定时器电路： 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 。 首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增 1 计数，向控制器提供模 5 的定时信号 TY和模 为 25 的定时信号 TL。 计数器 使用的集成芯片有很多，现 选用计较简便 的 集成 芯片 74LS163 进行设。 74LS163 是 4 位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步臵数的功能。 74LS163 的外引线排列图如图 2 所示，其功能表如表 1 所示。图中， CR是低 批阅 nts 9 实验项目名称 实验项目类型 时间 电平有效的同步清零输入端， LD 是低电平有效才同步并行臵数控制端，PCT、 CTT是计 数控制端， CO 是进位输出端， D0 D3是并行数据输入端， Q0 Q3是数据输出端。由两片 74LS163 级联组成的定时器电路如图 3 所示。 输 入 输 出 CR LD CTP CTT CP D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 0 0 0 0 0 1 0 d0 d1 d2 d3 d0 d1 d2 d3 1 1 1 1 计 数 1 1 0 保 持 1 1 0 保 持 批阅 nts 10 实验项目名称 实验项目类型 时间 根据设计要求和 74LS163 的功能，我们可以列出其的真值表如下表所示 ： 时 钟 Q3 Q2 Q1 Q0 Q7 Q6 Q5 Q4 1 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 0 3 0 0 1 0 0 0 0 0 4 0 0 1 1 0 0 0 0 5 0 1 0 0 0 0 0 1 6 0 0 0 0 0 0 0 1 7 0 0 0 1 0 0 0 1 8 0 0 1 0 0 0 0 1 9 0 0 1 1 0 0 0 1 10 0 1 0 0 0 0 1 0 11 0 0 0 0 0 0 1 0 12 0 0 0 1 0 0 1 0 13 0 0 1 0 0 0 1 0 14 0 0 1 1 0 0 1 0 15 0 1 0 0 0 0 1 1 16 0 0 0 0 0 0 1 1 17 0 0 0 1 0 0 1 1 18 0 0 1 0 0 0 1 1 19 0 0 1 1 0 0 1 1 20 0 1 0 0 0 1 0 0 21 0 0 0 0 0 1 0 0 22 0 0 0 1 0 1 0 0 23 0 0 1 0 0 1 0 0 24 0 0 1 1 0 1 0 0 25 0 1 0 0 0 1 0 1 批阅 nts 11 实验项目名称 实验项目类型 时间 由表可知，当 Q3Q2Q1Q0 从 0000 计到 0100 时为 5 秒，则进一位到 Q4 并把当前的计数值清零，当计到Q4Q5Q6Q7=0101 时，则计数时间为 25 秒。这样就实现了定时器的定时功能。 经设计的具体控制电路图如下： 当产生了所需的时间后，我们可用 74LS74 对所产生的结果进行锁存，这样我们就可以把锁存的结果送给控制器。 TY 输出的为25 秒的时钟， TL输出为 5 秒的时钟 。 批阅 nts 12 实验项目名称 实验项目类型 时间 输出的 25 秒时钟 波形图： 输出的 5 秒时钟波形图： 批阅 nts 13 实验项目名称 实验项目类型 时间 3、控制器电路设计： 控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。控制器的状态转换表，如表 2-4 所示。选用两个 D 触发器 FF1、FF0 做为时序寄存器产生 4 种状态，控制器状态转换的条件为 TL和 TY，当控制器处于 Q1nQ0=00 状态时，如果 TL=0。则控制器保持在 00 状态；如果TL=1，则控制器转换到 Q1n+1Q0n+1=01 状态。这两种情况与条件 TY无关，所以用无关项“”表示 。其余情况依次类推，转换状态表 2-4；如下： 输入 输出 现态 状态转换条件 次态 状态转换信号 Q1n Q0n TL TY Q1n+1 Q0n+1 ST 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 批阅 nts 14 实验项目名称 实验项目类型 时间 根据上状态转换表，我们可以推出状态方程和转换信号 方程， 其方法是：将 Q1n+1、 Q0n+1和 ST 为 1 的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中 1用原变量表示， 0用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程： 11 1 0 1 0 1 010 1 0 1 0 1 01 0 1 0 1 0 1 0n n n n n n nYYn n n n n n nLLn n n n n n n nL Y L YQ Q Q T Q Q Q Q TQ Q Q T Q Q Q Q TS T Q Q T Q Q T Q Q T Q Q T 我们根据以上的情况，可以选用数据选择器 74LS153 来实现每个 D 触发器的输入函数，将触发器的现态值（ Q1n Q0）加到 74LS153 的数据选择输入端作为控制信号，即可实现控制器的功能。如下图所示： 批阅 nts 15 实验项目名称 实验项目类型 时间 设计的具体电路图如下所示 ： 4、译码器电路的设计： 译码器的主要任务是将控制电路的输出状态 Q0、 Q1的 4 种工作状态进行译码成甲、乙车道上 6 个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如下表所示： 状态 AG AY AR BG BY BR 00 1 0 0 0 0 1 01 0 1 0 0 0 1 11 0 0 1 1 0 0 10 0 0 1 0 1 0 根据需要我们选择 74LS138 作为译码器， 74LS138 有 3 个输入端，我们可将其一段臵为 1，这样就可以输入两个状态来表示 4 个工作状态。 批阅 nts 16 实验项目名称 实验项目 类型 时间 具体电路图如下所示： 发光二极管我们可以用共阳极接法。 5、所需元件清单： 元 件 名 数量 5G555 1 块 74LS163 2 块 74LS00 1 块 74LS74 2 块 74LS153 1 块 74LS138 1 块 74LS86 1 块 发光二极管 6 个 200 欧电阻 6 个 1K、 500K、 470K 电阻各 1 个 1uF、 0.01uF、 22uF 电容各 1 个 批阅 nts 17 实验项目名称 实验项目类型 时间 总电路图 批阅 nts 18 实验项目名称 实验项目类型 时间 PCB图 批阅 nts 19 实验项目名称 实验项目类型 时间 电路板的制作 第一步：选择铜板，清洁板面。 根据电路设计的实际大小，按尺寸裁好铜板，先用砂纸将板边打磨后掉毛刺，在板面上放少许去污粉，加水用布将板面擦亮，然后再用干布擦干； 第二步：电路板的转印。 将设计好的印制电路图用转印纸转印到铜板上，注意在转印过程中，打印的电路图一定要与铜板对齐，并 要用胶纸袋将一边固定一边用来排气，再将板子放进转印机内或者用熨斗将电路印上去。转印好后板子不要马上就撕开转印纸，等到板子慢慢变冷后再慢慢撕去转印纸。然后检查线路有无断开，若有就用油性炭笔将线条按原来的绘好。 第三步：腐蚀电路板。 要用一份三氯化铁、两份水的质量比例配制好腐蚀液，水的温度不要高于 50 度。腐蚀液放在玻璃容器中。在将转印后无误的电路板放进腐蚀液中，并在隔一段时间后抖动板子，以加快腐蚀速度。 批阅 nts 20 实验项目名称 实验项目类型 时间 腐蚀完后，用清水冲洗板子并擦干。 第四步：修板 。 将腐蚀好的板子与原电路图对照，用刀子修整铜箔导线的边缘和焊盘，使导线边缘平滑无毛刺，焊盘光滑。 第五步：钻孔。 按图样所标的尺寸钻好各个孔。孔必须钻正、无毛刺。 第六步：焊接元件。 将各个元件按照原理图分别焊接在相应的位臵，注意有极性的元件并要保证焊接良好，无虚焊，没有短路，焊点光滑、美观。 电路板 调试 方案 首先我们将单元电路进行测试： 第一步是测试时钟脉冲信号，我们要求 555 芯片在其三脚输出一个周期为1HZ 的标准脉冲，我们可将其它脚接到示波器上，接通电路，调节好示波器，看其输出的波形是符合我们所需要的 脉冲，要是 波形 满足 设计要求 ，则说明设计的时钟脉冲可以了，要是不行，则需检测电路，直到电路工作正常。要是设计的电路不满足，则需重新 将制 。 批阅 nts 21 实验项目名称 实验项目类型 时间 第二步测试计数脉冲的可行性。我们可以在电路是测试 74LS163 的信号输出引脚，用示波器观测其工 作 状态，若观测不到信号，先用万用表检测其电源引脚，是否有电源信号输入。在有信号输入的情况下，若是没有观测到信号，检测信号引脚有无短路，接错的现象，直到将错误一个个排除，达到所需要求。 好的板子接入电源，并观察发光二极管的发 光状态和测试发光时间，看是否满足设计要求。 第三步结合译码电路测试控制电路，这个只需看发光二极管的运行情况，如果在电路工作情况下、 在接入电源后发现二极管不亮，首先，应检查二极管是否正常，我们可以先断开电源，再用数字万用表来测试看是否能发光； 若二极管正常 ，检测周围电路连接线是否合格，导线连接有 没有问题 。 我们应用数字万用表检查看是否出现短路，若有短路现 象，则可能是由于虚焊所导致的，应检查电路中的各个焊点看是否牢固或者是 没有焊接的。 第四步测试整个电路的运行情况。在通电情况下，观察发光二极管的工作情况，是否按照所 要求的状态运行，我们可结合示波器和万用表等实验仪器对其进行检测。出现问题一定要耐心，细心的处理，切不可掉以轻心，直到排除错误。 在电路板的调试 过程中，务必 要按照要求进行，以防电路板被损坏。 批 阅 nts 22 实验项目名称 实验项目类型 时间 制作电路板所用仪器及材料如下表 名称 数量 铜板（ 10CM*20CM） 1 块 复印纸 1 张 胶带 1 块 转印机 1 台 大容量玻璃杯 1 个 三氯化铁 1 瓶 高炭钢钻头（ 0.6mm） 1 个 微型钻床 1 台 电烙铁（ 40W） 1 个 焊锡丝 若干 批阅 nts 23 实验项目名称 实验项目类型 时间 心得体会 通过这次实际电子线路的综合设计试验，一方面加深了对基础知识的巩固和理解，另一方面对专业课程的知识的实际应用，尤其在电路综合设计这一块，更是感受深刻 。 以前虽然做过电子方面的设计，如模拟电子和数字电子以及高频电子线路的设计，都是局限于比较单方面的知识， 对综合性的知识应用较少。这次在大家的齐心协力下，我们 先对 大体的 电路进行 设计 ，在弄明白了设计原理后，对总体电路进行设计，然后再将具体电路细化，化成基本单元进行电路进行设计。在单元电路中， 首先对每个单元所涉及的知识点进行了复习，因为有 很多的方案可以适用于 该单元电路，通过具体分析，选择最适合基本单元电路的方案设计，这样既可以节省设计成本，避免材料的浪费，也可以为以后的设计打下良好的基础。 随后 对 基本单元电路中所用到的芯片的功能进行 了解，并用 EWB 对自己设计的具体电路进行了仿真。 在电路板的制作中我们遇到了许多困难，首先是 在画原理图的时候，在生成 PCB 图时，设计软件自动检测到电路中许多的错误，这些错误直接影响到 PCB 的生成，
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