简易交通灯控制 课程设计.doc

.郑州轻工业学院电子技术课程设计 题 目： 简易交通灯控制电路 学生姓名： 马 杰 专业班级： 电气工程14-02班 学 号： 541401020228 院 （系）： 电气信息工程学院 指导教师： 黄 春 完成时间： 2016年12月4日 .郑州轻工业学院课程设计（论文）任务书题目 简易交通灯控制电路 专业 电气工程14-02 学号 541401020228 姓名 马 杰 主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容1阅读相关科技文献。2学习protel软件的使用。3学会整理和总结设计文档报告。4学习如何查找器件手册及相关参数。技术要求1. 要求控制一个十字路口的交通灯。2. 设定南北，东西向交通灯显示时间一样。3. 设定红灯绿灯均显示30秒，红灯绿灯切换时黄灯显示2秒。4. 要求红黄绿灯用发光二极管表示，并且显示出时间。主要参考资料1何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月2姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月3王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5康华光，电子技术基础，高教出版社，2003完 成 期 限： 2016年12月04日 指导教师签章： 专业负责人签章： 2016年11月28日郑州轻工业学院.简易交通灯控制电路摘 要本论文主要阐述了交通信号灯的出现，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。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。以下就交通灯控制系统的电路原理、设计和实验调试等问题来进行具体分析讨论。关键词 交通灯 计数器 秒脉冲 译码器 自动控制 目 录中 文 摘 要一、对交通信号灯的控制111题目要求1二、交通灯的组成121交通灯控制系统的原理框图122交通灯运行状态2三、单元电路的设计431秒脉冲发生器432定时器533控制器734译码器935交通信号灯1036整个交通灯控制系统的布局10四、PCB的制作1041原理图的绘制1042 PCB的排线10五、仿真过程与效果分析1051电路试调1052调试中注意的事项1053通电后的测试1154操作说明11元器件清单13总 结14参考文献15附 录 一16附 录 二17附 录 三18.一、 对交通信号灯的控制11题目要求1. 信号灯收一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。2. 南北红灯亮维持30s，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮并维持30s。在东西绿灯熄时，东西黄灯亮，并维持2s，到2s时，东西黄灯灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。3. 东西红灯亮维持30s，南北绿灯维持30s，然后南北黄灯亮，维持2s后熄灭。这时南北红灯亮，东西绿灯亮。4. 周而复始。二、 交通灯的组成21交通灯控制系统的原理框图 如图2-1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: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为30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2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2-1 交通灯控制系统的原理框图22交通灯运行状态两方向车道的交通灯的运行状态共有4种(因人行道的交通灯和车道的交通灯是同步的,所以不考虑)，如图2-2所示图2-2两方向车道的交通灯的运行状态一般十字路口交通灯的控制系统的工作过程；（1）如图2-2状态0所示，甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲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隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。（2）如图2-2状态1所示，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，转到下一工作状态。（3）如图2-2状态2所示，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，转到下一工作状态。（4）如图2-2状态3所示，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TY时，控制器发出状态转换信号TS，系统又转换到工作状态1。交通灯以上4种工作状态的转换由控制器进行控制。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如下表2-3所示。控制器状态信号灯状态车道运行状态S0（00）S1（01）S2（11）S3（10）甲绿，乙红甲黄，乙红甲红，乙绿甲红，乙黄甲车道通行，乙车道禁止通行甲车道缓行，乙车道禁止通行甲车道禁止通行，乙车道通行甲车禁止道通行，乙车道缓行表2-3 控制器工作状态及其功能控制器应送出甲、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，并作如下规定：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，如图2-4所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于30秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于30秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。图2-4 交通灯控制器的ASM三、 单元电路的设计31秒脉冲发生器脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐震荡器，震荡频率为： f=1.43/(R1+2R2)C电路图如图3-1所示：图3-1 秒脉冲产生器32定时器定时器由与系统秒脉冲（由上面时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，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2的定时信号TY和模30的定时信号TL。计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163的外引线排列图和时序波形图如图3-2和图3-3所示，其功能表如表3-1所示。图中， 是低电平有效的同步清零输入端， 是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTt是计 图2-4 交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0D3是并行数据输入端，Q0Q 3是数据输出端。由两片74LS163级联组成的定时器电路如图3-4所示。图3-2 74LS163的外引线排列图图3-3 74LS163时序波形图表3-1 74LS163功能表图3-4 定时器电路图定时器仿真电路如图3-5图3-5 定时器仿真电路33控制器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。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表3、2所示。选用两个D触发器FF1、FFO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Q1n+1Q0n+1 00状态时，如果TL 0，则控制器保持在00状态；如果，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X表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。表3-2 控制器状态转换表根据表3-2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：根据以上方程，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、Q0n）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。控制器的逻辑图如图3-6所示。图中R、C构成上电复位电路 。图 3-5控制器逻辑图图3-6 控制器部分仿真电路34译码器译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、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表 3-3所示。表3-3控制器状态编码与信号灯关系表状态 AG AY ARBG BY BR001 0 0 0 0 1010 1 0 0 0 1100 0 1 1 0 0110 0 1 0 1 0由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CP脉冲，一部分送给了定时器的74LS163芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS163芯片的情况下，通过芯片74LS00将会输出TY、T/Y/；TL、T/L/、即TY和T/Y/放大的结果是秒脉冲的2倍；TL和T/L/放大的结果是秒脉冲的30倍。前者输出的信号是后者的1/15。将定时器输出的TY、T/Y/；TL、T/L/分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CP脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片74LS00组成的译码器后再通过电路中的指示灯和100欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过LED小灯的正常闪烁来实现。图3-7 译码器部分逻辑图35交通信号灯十二个发光二极管(注意二极管的极性)36整个交通灯控制系统的布局 见附录三四、 PCB的制作41原理图的绘制用Altium Designer完成原理图的绘制。42 PCB的布线 见附录一五、 仿真过程与效果分析51电路试调电路连接完后，要进行调试，以检测是否达到要求。实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。52调试中注意的事项为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点： （1） 正确使用测量仪器的接地端（2） 测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。（3） 仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。要正确选择测量点。（4） 用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。（5） 调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。（6） 调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查.调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。对于本交通灯来说，只要不出现异常的现象，一般不需要调试，直接进行测量。测试电路中线路是否接通同上用万用表的欧姆档，测试每一组的连通的线，将两表笔接到被测的一组线的起始线和末端线的两端，看电阻是否为零，如果是零，则证明是通的；如果是无穷大，则证明中间有线是短开的，则要一根一根的检查该组的没一根线，直到查出为止。53通电后的测试（1）测试电源用万用表的直流电压档，测试输入电源的电压，看是否达到额定电压（本产品为+5V），如果不是，则换电源。（2）测试芯片的电源输入端同上用万用表的直流电压档，测试芯片的接地端与接电源端的点呀，看是否达到芯片的额定电压（本产品所用的芯片都是+5V），如果不是，则检查其线路是否接错。54操作说明 打开总开关，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为30秒，打开总开关，东西方向车道的绿灯亮；南北方向车道的红灯亮，示波器，显示时间为30秒，然后东西方向车道的绿灯转换为黄灯，其余灯都不变。再过2秒后，电路又转换成预置的30秒，东西方向车道的黄灯转换为红灯，南北方向车道的红灯。 南北东西时间（S）绿灯黄灯红灯绿灯黄灯红灯100000250100014001100001010图6-1交通灯校验时间图元器件清单元件名称规格及作用数量NE555产生脉冲174LS163四位二进制同步计数器274LS00二输入与非门274LS10三输入与非门174LS08二输入与门174LS48译码器274LS153数据选择器274LS74D触发器1七段数码显示器共阴极2发光二极管普通12 电容10nF2 电容1uF1 电阻56k2 电阻100欧14 电阻10k1总 结通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。电路原理和连接，