交通信号灯控制器设计 精品.doc

数字电子课程设计说明书 交通信号灯控制器第1章 交通信号灯控制器的设计1.1 设计方案1.1.1 提出方案方案一：用数字电子技术设计交通灯控制系统可以由秒脉冲发生器、定时器、控制器和译码器四个核心部分组成，秒脉冲发生器、定时器、控制器和译码器可以用190计数器、555多谐振荡器、153数字选择器和与非门实现，从而实现交通灯的管理。方案二：用单片机技术设计交通灯控制系统可以通过在MCS-51系列单片机系统中扩展外围可编程并行输入/输出接口芯片8255，来实现交通灯的管理。1.1.2 方案论证及确定采用方案一时，秒脉冲发生器做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。秒脉冲发生器、定时器、控制器和译码器采用190计数器、555多谐振荡器、153数字选择器和与非门实现时， 电路相当稳定，且各元器件的成本低。若采用方案二，硬件设备是在80C51芯片外围通过74LS373和8255芯片来实现I/O口的扩展，利用8255做输出口，控制六只发光二极管的亮灭来模拟交通灯管理，其主要核心是软件设备，即所编辑的程序。此电路虽然元器件少，但成本高，且灯亮的时间与方案一相比难于控制。根据实验设计的总体要求，本实验确定采用方案一。1.2 设计原理分析1.2.1 系统框图交通灯控制系统框图如图1.1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。秒脉冲发生器做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1.1 交通灯系统框图图中，TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为20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。1.2.2 交通灯控制器的ASM图一、交通灯控制系统的工作过程：（1）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）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）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）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ST，系统又转换到第（1）种工作状态，继续循环工作。 交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器进行控制的，控制器应送出红、黄、绿灯的控制信号给甲、乙车道。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S2、S3表示，则控制器的工作状态以及功能如表1.1所示：表1.1 控制器工作状态及其功能控制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S3（11）甲红，乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行二、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；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25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25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。由此得到交通灯的ASM（Algorithmic State Machine算法状态）图，如 图1.2所示。图1.2 交通灯控制器的ASM1.2.3 单元电路的设计一、集成电路CT74LS190简介 本电路复杂程度为 58 个等效门，是同步可逆 BCD 计数器。本电路通过同时触发所有触发器而提供同步操作，以便在使用控制逻辑结构时，输出端的变化可相互吻合。本工作方式避免了一般用异步(行波时钟)计数器所带来的计数输出的尖峰脉冲。 若使能输入端置低电平，四个主从触发器的输出将在时钟输入从低到高的跳变中被触发。使能输入端置高电平时，禁止计数。仅当时钟输入端是高电平时，使能输入端才能有电平变化。当可逆（）输入端处于低电平时，进行加计数，当可逆（）输入端处于高电平时，进行减计数。仅当时钟输入是高电平时，可逆输入才能有电平变化。这种计数器是可编程序的，即可通过将置数输入置于低电平并在数据输入端送入所需数据而将输出端预置到任一电平。输出随数据输入而变，不受时钟输入电平的影响。根据这一特点，用置数输入将计数长度略加改变便可将计数器作模N 除法器使用。 时钟、加/减和置数输入都加了缓冲器，从而大大降低驱动要求。 为便于进行级联，采用了两个输出：脉冲时钟输出和最大/最小计数输出。当计数器发生溢出或下溢时，后一输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度约等于时钟的一个整周期。出现溢出或下溢情况时，脉冲时钟输出将产生一个低电平输出脉冲，其宽度等于时钟输入的低电平部分。若使用并行时钟脉冲，则计数器的级联方式是把脉冲时钟输出送到下一级计数器的使能输入；若使用并行使能，则级联方法是把脉冲时钟输出送到下一级计数器的时钟输入。高速应用时，可用最大/最小计数输出进行超前进位。 图1.3 74LS190的外引线排列图1.4 CT74LS190的时序波形 表1.2 CT74LS190功能表二、定时器定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）和十进制的减法计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先置数25，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从25开始进行减1倒计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。由两片74LS190级联组成的定时器电路如图1.5所示。 图1.5 定时器电路图三、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1.3所示。选用两个D触发器、做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为和，当控制器处于状态时，如果 0，则控制器保持在00状态;如果=1，则控制器转换到状态。这两种情况与条件无关，所以用无关项“”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1.3 控制器状态转换表根据表1.3可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将、和为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，其状态转换方程如图1.6所示；其中，表示25进制的进位，表示5进制的进位。 图1.6 状态转换图写出状态方程和状态转换信号方程为： （3-1） （3-2） （3-3）根据以上三个逻辑函数可用多种方法实现，本设计采用四选一数据选择器74LS153来实现，这种方法比较简单。则控制器的逻辑图如图1.7所示。 图1.7 控制器逻辑电路图三、74LS53和74LS74简介图1.8 74LS153的外引线排列图1.8所示为74LS153的外引线排列，包含了两个选择器，其中C0、C1、C2、C3为数据输入端；A、B为公共地址输入端；1G、2G为附加控制端，用于控制电路工作状态和扩展功能。其功能表如表1.4所示：表1.4 74LS153的功能表由于74LS153不具备储存功能，所以无法使各输出保持要求达到的时间，因此必须用触发器，这里选用了74LS74双上升沿D触发器，其外引线排列图如图1.9所示，其特性表如表1.5所示。图1.9 74LS74的外引线排列 表1.5 74LS74特性表四、译码器译码器的主要任务是将控制器的输出、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。灯亮状态用“1”表示，灯灭状态用“0”表示；甲车道的绿、黄、红灯分别用AG、AY和AR表示；乙车道的绿、黄、红灯分别用BG、BY和BR表示。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表1.6所示。由表1.6得到：、表1.6 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 0001110 0 1100100 0 1010那么，由非门和与门构成译码器的电路图如图1.10所示。 图1.10 译码器电路图五、秒脉冲电路利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出1Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。555定时器的原理图如图1.11所示，功能表如表1.7所示：图1.11 555定时器原理图表1.7 555定时器功能表输入输出阀值输入()触发输入()复位()输出()放电管T00导通11截止10导通1不变不变555定时器构成多谐震荡器，震荡频率为F=1KHz，那么，秒脉冲电路图如图1.12所示： 图1.12 秒脉冲电路图1.2.4 总体电路图一、用proteus软件绘制的电路图，见附录一二、用protel99 SE软件绘制的电路图，见附录二三、实物图见附录三第2章 交通信号灯控制器的仿真制作2.1 交通信号灯控制器的proteus仿真及验证2.1.1 制作控制器电路图在proteus的环境下，按照上一章节设计好的交通信号灯控制器的逻辑电路图依次画好，如附录一。2.1.2 控制器的仿真验证打开总开关，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25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25秒，然后黄灯每秒闪一次；东西方向车道的绿灯转换为黄灯，且黄灯每秒闪一次，其余灯都不变。再过4秒后，电路又转换成预置的25秒，东西方向车道的黄灯转换为红灯，南北方向车道的红灯转换为绿灯，如此循环下去。具体时间如表2.1所示。表2.1 交通信号灯逻辑电路仿真时间表南北方向东西方向时间（S）绿灯黄灯红灯绿灯黄灯红灯100000250100015001100250010105结论：软件仿真的的时间结果能够满足设计要求。2.2 交通信号灯控制器的PCB制作2.2.1 控制器的protel99 SE电路图的制作在protel99 SE的环境下，按照上一章节设计好的交通信号灯控制器的逻辑电路图依次画好，如附录二。其中，定时器、控制器和译码器的电路图分别如图2.1、图2.2和图2.3所示。图2.1 定时器电路图 图2.2 控制器电路图图2.3 译码器电路图2.2.2控制器的PCB制作将原理图导入PCB制作环境中进行连线。所绘制的PCB图如图2-4所示。 图2.4 交通信号灯控制器的PCB图其中要注意基本布线要求：在双层或多层印制板中，线宽不宜选得太细，在布线密度允许的条件下，应将连线设计得尽量宽，以保证机械强度、高可靠性及方便制造；相邻两层的印制导线走向宜相互垂直、斜交，应尽量避免平行走向以减少电磁干扰；印制板上同时布设模拟电路和数字电路时，宜将它们的地线系统分开，电源系统分开；高速数字电路的输入端和输出端的印制导线，也应避免平行布线，必要时，其间应加设地线，同时数字信号线应靠近地线布设，以减小干扰；模似电路输入线应加设保护环，以减小信号线与地线之间的电容。第3章 交通信号灯控制器的实物制作 3.1 元器件清单表3-1 元器件清单列表名称数目备注10uf电容10.01uf电容310K电阻368K电阻1200电阻674LS001四2输入与非门74LS042六反相器74LS211双4输入与门74LS4824线七段译码器74LS1531双四选一数据选择器74LS1902十进制同步加/减计数器74LS082四2输入与门集成芯片74LS111三3输入与门74LS741双上升沿D触发器5551555定时器红黄绿LED发光二极管各 2模拟交通灯显示灯芯片插座14便于芯片的插放PCB板子1 制作电路板3.2 交通信号灯控制器电路板的制作3.2.1 图纸转印及打孔a) 将画好的PCB图用油墨纸打印出来，切好与之大小相应的铜板。b) 用砂纸打磨铜板，将其表面的氧化铜打掉，然后用清水洗净，吹干。c) 将图纸贴在铜板上对齐，用熨斗将其熨平。d) 待其温度降至室温之后，先将定位的四个孔打好（油墨纸暂不揭下），穿上四根大头针，继续转印另一面线路。e) 打孔时，过孔从顶层向底层打；元器件的引脚孔要从底层向顶层打，这样可以减小两面对不太齐的孔对焊接的影响。f) 在热水中同时放入适量的三氯化铁和需要腐蚀的板子，来回摇晃液体，使腐蚀全面到位且节省时间。g) 腐蚀完成后，用清水洗净板子上残留的液体，吹干，将孔周围的墨迹用酒精洗掉准备焊接。3.2.2 元器件的焊接焊接前，电烙铁要充分预热。烙铁头刃面上要吃锡，即带上一定量焊锡。 一、 先焊过孔，将导线放入过孔，两面均进行焊接。二、 用尖嘴钳将需焊接的元器件的引脚固定成型放入板中对应的位置，高度要适中，符合电气标准，然后进行焊接。三、 焊接时，要保证每个焊点焊接牢固、接触良好。要保证焊接质量。四、 用镊子转动引线，确认不松动，然后可用偏口钳剪去多余的引线。 五、 焊接完毕后，对照电路图仔细检查，看是否有错接、漏接，并检查是否有虚焊的现象。检查确认无误后，汽车尾灯控制电路的制作就完成了。第4章 实物验证及调试4.1 交通信号灯控制器电路的调试4.1.1 试前检查一、连线是否正确1、检查的方法通常有两种方法：a、按照电路图检查安装的线路这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。b、按照实际线路来对照原理图电路进行查线这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。 2、元器件的安装情况 检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。二、调试方法与原则1、通电观察把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电，要一步步对电路参数提出合理的修正。2、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.三、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，