交通信号灯模拟电路实验

唐山学院课程设计说明书目 录1 引言12 Multisim的简介23 设计过程33.1 总体设计要求33.2 控制电路的特点44 单元模块64.1 电源模块64.2 秒脉冲发生模块64.3 计数模块84.4 分频模块94.5 控制电路模块105 交通信号灯的仿真与调试145.1 电路的仿真145.2 交通灯完整功能的实现165.3 调试方法185.4 调试中出现的问题、原因分析及解决方法18 6 设计心得21参考文献23附录 器件明细表24附录 仿真原理图251 引言设计内容：1.信号灯白天工作要求某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。2.夜间工作方式 南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。交通灯的发展史交通灯是指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯，最早出现在英国中部的约克城的一个典故中，当时交通灯只有两种颜色红绿，随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。 交通灯中黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。 交通灯中三种灯的都有着不同的作用，绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。交通灯的工作是由交通信号控制机来控制的，交通信号控制机又成信号机，信号机的作用是能够改变道路交通信号顺序、调节配时并能控制道路交通信号灯运行的装置。很多中文资料都认定黄色信号灯的发明者是中国人胡汝鼎，时间是1927年，不少文章甚至绘声绘色地写道：一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼的一声擦身而过。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的马路工具出现在世界上，造福后人。但这种说法站不住脚，世界上第一盏红黄绿三色、四方向的交通信号灯在1920年10月就已经投入了使用，这盏由警察威廉 波茨发明的信号灯，被安装在了底特律伍德沃德大街和福特街的交界处，其三色灯光的含义与今天基本一致，亨利福特纪念馆收藏了这一文物并进行展出。而用黄色代表“慎行”的想法也不新鲜，铁路系统很早就开始运用，1899年，纽约、纽黑文和哈德福德的铁路系统就使用了三色灯，红色是“停止”，绿色代表“全部清除”，黄色代表“谨慎”。2 Multisim的简介EDA（电子设计自动化）技术是一门以计算机为工作平台进行电子产品自动化设计的技术，利用EDA工具，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出PCB版图的整个过程在计算机上自动完成。EDA的软件很多，其中Multisim是目前最为流行的电路仿真软件，是广大专业及业余电路设计人员及在校大学生设计电路的得力工具。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim 10通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路;通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；通过一个工具链，无缝地集成电路设计和虚拟测试；通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。3 设计过程交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。为了加强道路交通安全，减少事故的发生，提高道路的使用效率，交通信号灯的设计尤为必要，同时，设计交通信号灯所应用的知识涉及范围广，通过设计可以牢固掌握所学理论知识，有利于电子技术的学习，将理论与实际有机联系起来，有利于对电子器件的功能和作用有更深入，更形象的理解。交通信号灯控制系统是典型的数字电路控制系统，通过该系统的设计和仿真，我们可以得到数字及系统的综合训练。3.1 总体设计要求1 信号灯白天工作要求某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟（白天点亮时的工作换灯流程图如图3-1所示）。2 夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 1t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t图3-1 交通灯工作换灯流程图3.2 控制电路的特点从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。其整体电路框图如3-2图所示：东西信号灯南北信号灯组合逻辑电路十二进制计数器四分频器秒脉冲产生电路系统电源工作方式控制开关关图3-2 整体电路框图图3-3 交通信号灯示意图4 单元模块根据交通信号灯的工作方式，设计电路分为电源模块、秒脉冲发生模块、计数模块、分频模块和控制电路模块五部分，这五个模块的详细设计如下。4.1 电源模块1秒脉冲产生电路: 由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用555定时器组成多谐振荡器。十二进制计数器: 计数器可以用触发器组成，也可以用中规模集成计数器组成，以及用移位寄存器组成环形或扭环形计数器。建议用中规模移位寄存器组成扭环形12进制计数器。分频器: 上述十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。采用两个D触发器组成4分频器电路。信号灯采用三极管9031驱动，其额定电流与额定电压应满足三级管的驱动能力，电源电压采用直流5V，通过变压器将市电降压到交流9V，在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5V电压。直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。控制电路的特点： 从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。直流稳压电源原理图如图4-1所示：220V图4-1 直流稳压电源原理图4.2 秒脉冲发生模块由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555(图4-2是555定时器的原理图，图4-3是555定时器的引脚图)和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用555定时器组成多谐振荡器（如图4-4所示）：图4-2 555定时器的原理图图4-3 555定时器的引脚图1S 图4-4 用555定时器组成多谐振荡器根据周期与频率的计算公式：输入输出清零时钟串入RDCPABQAQBQCQDQEQFQGQHLLLLLLLLLHLQAOQBOQCOQDOQEOQFOQGOQHOHHHHQANQBNQCNQDNQENQFNQGNHLLQANQBNQCNQDNQENQFNQGNHLLQANQBNQCNQDNQENQFNQGN电源电压，其中电路图中C3的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01uf的瓷片电容。再次课程设计中要求输出T=1S，选取电容C2=1uf，R2=560k欧姆，根据震荡周期计算，选择电阻R1=434K欧姆。当元件选取完成后，根据电路原理图连接电路即可。4.3 计数模块由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红的时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS164（其引脚图如图4-5所示，功能表如表4-1所示）：图4-5 74LS164引脚图表4-1 74LS164功能表器原理表应用电路：用74LS164组成的12进制扭环型计数器电路 ，其电路图如下图4-6所示：图4-6 12进制扭环型计数器4.4 分频模块十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路，如图4-7所示：图4-7 四分频的电路原理图74LS74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发d触发器电路模块。图4-8为其引脚排列和逻辑符号:图4-8 74LS74的引脚图功能说明：74LS74内含两个独立的上升沿双D触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入复位输入、时钟输入（CP）和数据输出。、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。表4-2 74LS74功能表输入输出SDRDCPDQn+1Qn01101001111101100111QnQn4.5 控制电路模块逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。组合逻辑电路的真值表如表4-3所示，逻辑控制原理图如图4-9所示: 计数器输出南北信号东西信号 QA QB QC QD QE QF 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0NSG NSY NSR1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 00 1 00 0 10 0 10 0 10 0 10 0 11 0 0 EWG EWY EWR 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1表4-3 组合逻辑电路的真值表根据表4-4写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得：NSG= 由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。本次课设非门选用TTL集成门74LS04，与门选用TTL集成门74LS08。在此基础上，表达式需要修改，以实现课设要求。白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74LS164停止循环工作，可通过开关将74LS164的接地，使74LS164的所有端全部清零。白天为高电平，74LS164循环工作。由74LS164 组成的12进制扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。在夜间由于=0使所有的74LS164的端清零，因此会出现以下问题：(1) NSG=，由于夜间端均为低电平，则NSG为高电平，即南北绿灯点亮，不符合课设要求，所以NSG的表达式需要修改；(2) ，由于夜间端均为低电平，则EWR为高电平，即东西红灯点亮，也不符合课设要求，所以EWR的表达式需要修改；(3) , 由于夜间、均为低电平时，则NSY、EWY为低电平，即南北和东西方向的黄灯不能点亮，同样不符合课设要求，所以NSY、EWY的表达式需要修改。上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下：(1) 在夜间由于=,将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间由于，则NSG0，即夜间南北绿灯不点亮；在白天由于=1，则NSG=即南北绿灯按白天工作方式点亮。(2) 在夜间由于,EWR=1的解决方法：令EWR=，即将EWR与之间的连线改为两输入的与门。那么，在夜间由于=0，则，即夜间东西红灯红灯不亮；而在白天=1，则EWR=，即东西方向红灯按白天工作方式点亮。虽然NSG=，在夜间由于=0，则，即南北红灯不亮。但为了对称也将其修改为NSG=。(3)在夜间由于=0，使NSY=均为0的解决方法：使 NSY=+，EWY=+，即将原来的两输入与门改为在与门之后增加一级两输入或门，其中一个输入端为，即将经过一级非门后输出，另一个输出端为原来两输入与门的输出(的输出或的输出)。那么在夜间由于=1，=0，则，即南北和东西方向的黄灯点亮；而在白天由于=0，=1，则NWY=+，NWY=，即各方向的灯按白天工作方式点亮。经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式为： ESG= EWG=NSY=+ EWY=+ NSR= EWR=由逻辑真值表以及上述分析可得，逻辑控制原理图如图3-7所示：图4-4 逻辑控制原理图5 交通信号灯的仿真与调试5.1 电路的仿真1 直流电源电压仿真在Multisim中进行仿真测电压数值如图5-1所示： 图5-1 电源仿真图2 对555定时器进行仿真图5-2 555定时器仿真图3 秒脉冲波形仿真用示波器观察555定时器产生1s脉冲的波形如图5-3上半部分的波形，经四分频器后的脉冲波形如图5-3下半部分的波形。图5-3 1S脉冲波形与经四分频器后的脉冲波形图5.2 交通灯完整功能的实现1 白天工作方式交通灯从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。图5-4 东西方向红灯亮南北方向绿灯亮图5-5 东西方向红灯亮南北方向黄灯亮图5-6 东西方向绿灯亮南北方向红灯亮图5-7 东西方向黄灯亮南北方向红灯亮2 夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，如图5-8所示：图5-8 交通灯夜晚工作图5.3 调试方法1 首先调试555定时器。用示波器观察555定时器输出波形，确定555定时器是否正常工作，振荡频率是否是2Hz。调节电位器R1，使555定时器产生频 率为1Hz的方波信号。2 调试分频器。用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是0.25Hz。3 调试十二进制计数示电路，将秒信号输送各计数器观察是否工作正常。4 整体调试。各部分电路连接起来，观察交通灯是否正常工作。5.4 调试中出现的问题、原因分析及解决方法1 灯不正常发光原因有可能是线路接触不良造成的，有时候我在连接电路的时候想要省事一点于是就将两个元件直接放在一块儿，但是这样却有可能没有将两个元件连接上。图5-9的方法是错误的。因此在连接时尽量将两个元件分开放，然后在连接起来才能确保线路的连接正常。图5-10的方法是正确的。 5-10 正确连接方式5-9 错误连接方式 2 555定时器形成的多谐振荡器发出的1HZ脉冲信号有误差。可能是由于元件制作误差及环境干扰，仿真与实际示波器测出的脉冲信号有误差。因此为防止误差对实验结果的影响，可以使用晶振形成1HZ的脉冲信号，LED发光时间应该能够更加准确。 3 电源调试出来的电压不是预期值原因是变压器没有正确选择，可查阅参考查看各元件的参数选择正确的变压器。4 软件运行时，Tran的时间运行时过慢，按毫秒计时，因此等待时间会很长。原因应该是软件的设置问题，可通过Simulate下拉菜单中的Interactive simulation setting进行调节，将maximum time step的时间改为0.01s即可加快运行速度。主要设置步骤如图5-12、5-13所示：5-12 步骤15-13 步骤25 计数器显示器读秒太慢，改了脉冲信号才恢复正常：交通灯本来用发光二极管和电阻组成代替，连接相对复杂些，连错了，导致仿真时东西方向除了红灯外都不亮，南北方向绿灯亮了30s，然后转换为黄灯，再亮30s，红灯不亮；后来改成指示器，东西方向和南北方向的黄灯仅有其中一个会亮，也是改了脉冲信号后，信号才正常显示。6设计心得 课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现，提出，分析和解决问题，锻炼应用能力的重要环节，是对学生工作能力的具体训练和考察过程。刚定下这个课题的时候，完全不知道如何入手，看到前几届的同学做的成果，对他们非常敬佩，这么短的时间做出了如此好的效果，很不容易。在这次的课程设计中前前后后遇到了一系列的问题，从软件的安装，使用，器件的选择，线路的连接，到最后的仿真，其间每一步都犯过错误，然后不断改正错误，直到最后的完工。出现这些错误，主要是由于前期我在这方面的准备不足和经验欠缺。以后得吸取教训，避免再因为类似的原因而导致再犯相同的错误。通过该课程设计，全面系统的理解了电路程序构造的一般原理和基本实现方法。把死板的课本知识变得生动有趣，激发了学习的积极性。把学过的电工原理的知识强化，能够把课堂上学的知识通过自己设计的程序表示出来，加深了对理论知识的理解另一方面，这次的课设也教育了我一个道理，在以后的学习和生活中，挫折和失败是不可避免的，面对挫折并不可怕，而且挫折是人生的必修课，所以我们应该正视挫折。我们不仅不应该害怕挫折，反而应该感谢挫折，你想想看，是不是挫折使你明白生命的内涵？他告诉我们生活的八字真诀：正视、不屈、沉着、奋进。 挫折和失败都是成功的向导。挫折也是一所人生的好学校，挫折是一所每个人都必须经历的学校，在这所学校里，将学会怎样做人，你将学会独立思考，怎样选择，这一切都决定你一生的命运。心理学家认为：对挫折的体验，能培养人从容应付风险的能力，一旦发现自己能在风险中挺过来，对失败的恐惧就更少了。不经历风雨怎能见彩虹？没有失败的人生绝不是完美的人生，当你战胜失败时，你会对成功有更深的感悟，就是在这样一次次的感悟中，你走出了一个完美的人生。哲学家科林斯说：“不经历挫折，成功也只能是暂时的表象，只有历经挫折的磨难，成功才能像纯金一样发出光来。挫折并不可怕，可怕的是，经历了挫折却不知道总结挫折的教训，暂时的挫折不应该是消沉的原因，而应该是继续奋斗的起点。逃避挫折是解决不了问题的，最好的办法就是与挫折相处，不怕挫折，勇于面对他，接受他，并从挫折中吸取人生的经验和营养，从而使自己在不断经历和克服挫折的过程中逐渐成长，壮大，直至走向成功。 我认为，在这学期的实验中，不仅培养了我独立思考、独立解决问题的能力，还有在各种其它能力特别