数字式交通灯课程设计报告

内 容 摘 要随着我国社会经济快速发展，人们衣食住行得到长远发展的同时城市交通问题也越来越引起人们的关注。尤其是在经历了今年九月份的京藏大堵车后，交通对我们生活的影响更加明朗，人们发现人、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。现代城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。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，缓解主干道与侧道、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。为此，在此次课程设计期间，我应用所学的知识设计了一套简易交通灯控制电路的方案。交通灯的控制系统主要由计时电路、主控电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器组成。关键词：计时电路、主控电路、显示电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器。目 录一、 概 述 3 二、设计任务及要求 3三、方案设计 4四、单元电路设计与分析 51多谐振荡器 52. 100分频电路 6330秒倒计时电路 74数码管显示电路 85主控制电路及指示灯电路 9五、总电路图及元器件及清单 111总电路图 112主要元器件介绍 113 元器件清单 15六、交通灯课程设计仿真设计 16七、心得体会 19八、参考文献 211、 概述在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。在此次课程设计期间，我应用所学的知识设计了一套简易交通灯控制电路的方案。交通灯的控制系统主要由计时电路、主控电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器组成。其中时基电路是通过555定时器构成一个多谐振荡器，即信号产生器，为计数器提供信号，再经过74LS160（10进制计数器）分频而产生得到1Hz的方波。得到秒脉冲后通过74LS192减计数逻辑设计30秒倒计时电路。再利用与非门、非门和D型锁存器（S、R分别为置1和置0强迫端的特性）构成控制电路来控制红绿灯之间的转换，同时引555定时器产生信号为黄灯提供闪烁信号，最终实现电路功能。二、 设计任务及要求（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒。（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。选做扩展功能：（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；（5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在099s内任意设定。三、方案设计 图1 交通控制灯电路设计如图1所示为交通控制电路设计方案图，根据概述中的设计思想及方法来实现下图的交通指示灯状态转换图中描述的指示灯的转换及每种状态维持的时间（用数码显示管来显示）。状态1左右黄灯亮前后红灯亮状态0左右绿灯亮前后红灯亮状态3左右红灯亮前后黄灯亮状态2左右红灯亮前后绿灯亮图2 交通指示灯状态转换图四、单元电路设计与分析1555定时器构成的多谐振荡器图3 555定时器构成的多谐振荡器如图3所示为555定时器构成的多谐振荡器，Cf为10nF，若C取100nF，依据公式周期T=（R1+2R2）Cln2 可计算出R1+2R2150k时可得到周期为0.01s的振荡信号;若C取10uF，依据公式周期T=（R1+2R2）Cln2 可计算出R1+2R2150k时可得到周期为1s的振荡信号。2用74LS160计数器构成分频电路图4 74LS160构成的分频电路为得到高质量秒信号源，减少误差，时基电路才用对100Hz信号分频实现，如图4所示分频电路是由160计数器实现分频功能。XFG1为十进制计数器74LS160提供100Hz信号源：通过U1进位信号RC0给U2使能端提供使能信号，最终由U1 进位端RC0和U2 进位端RC0与输出秒信号。输入参数及输出波形如下： 图5 时基电路输出结果3用74LS192加减计数器减法计数实现30秒倒计时图6 74LS192构成的30减法计数器如图5所示首先对计数器U7，U1设置初值30，将秒信号输入U7减计数时钟输入端，进而产生个位减信号，然后将个位计数器U7错位输出端连接至十位计数器减计数时钟输入端，从而产生十位退位。当计数结果为0时，给计数器置数信号，使得192再次从30开始倒计时。4数码管显示电路图7 数码管显示电路如图所示通过74LS48译码芯片将倒计时电路产生信号译码，从而使得数码管显示，实现结果显示功能。显示电路与30秒倒计时电路整体如下：图8 30秒倒计时电路显示5用三态门、非门和D型锁存器构成控制电路及指示灯电路图9 控制电路及指示电路主控电路主要是通过D型锁存器产生翻转信号来控制指示灯亮灭。一般十字路口的交通灯控制系统的工作状态及其功能如表1： 表1控制器状态信号灯状态车道运行状态S0(00)S1(01)S3(11)S2(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，乙车道通行甲车道禁止通行，乙车道缓行 因此，我首先通过与非门等逻辑芯片将倒计时电路输出信号处理产生模25与模30的定时信号。分别通过D型锁存器产生两组翻转信号，记为：（BYSignal，UBYSignal）与（Redsignal，URedsignal）。然后根据表1将两组信号组合产生所需控制状态。由于黄灯亮时还必须伴有闪烁，所以在黄灯指示灯控制信号加入秒时钟信号，通过调节秒时钟信号占空比改变闪烁情况。五、总电路图及元器件清单图10 总电路图2主元件介绍NE555引脚图及引脚介绍：Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。.NE555的相关应用: NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器（Monostable Mutlivibrator）及无稳态多谐振荡器(Astable Multivibrator)。74LS160引脚图及引脚介绍：PE ：使能输入端P0P3：输入端CEP ：Count Enable Parallel InputCET：Count Enable Trickle InputCP：时钟信号输入端MR：Master Reset (Active LOW) InputSR：Synchronous Reset (Active LOW) InputQ0Q3：输出端TC：Terminal Count Output (Note b)逻辑功能图：74LS192引脚图及引脚介绍： 图中：PL为置数端，CPU加计数端，CPD为减计数端，TCU非同步进位输出端，TCD为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q0、 Q1、Q2、Q3为数据输出端。74LS74引脚图及引脚介绍：3元器件清单表2 元器件清单序号材料名称型号可替换型号数量1十进制同步加减计数器74ls19274ls19122十进制计数器74ls16074ls16123七段显示译码器74ls4824四输入与非门74ls2074ls2225二输入与非门74ls0074ls0316非门74ls0427正沿触发双d型触发器74ls7418555定时器NE55519滑动变阻100K110黄绿红发光二极管各两个117SEG-BCD数码管两个12电阻若干13电容104pF六、交通灯课程设计仿真设计由于对仿真软件运用习惯，在本次设计过程我使用两种仿真软件进行电路设计，分别是：multisim 10、Proteus 7。首先分别对multisim 10、Proteus 7简单介绍。Multisim是由加拿大IIT(Interactive Image Technologies)公司推出的从电路仿真设计到版图生成全过程的电子设计平台(Electronics Workbench)，该软件是一套功能完善、操作界面友好、使用方便的EDA工具。电子设计平台主要包括Multisim电路仿真设计工具、VHDL/Verilog编辑/编译工具、UltiboardPCB设计工具和ULtirounte自动布线工具。在本次设计中，主要运用到电路仿真工具，其仿真环境友好，元件齐全，操作方便灵活，而且备有电路向导是我选择它做仿真软件的主原因。其操作界面如下图示：图11 Multisim操作界面multisim界面主要由：菜单栏、工具栏、状态栏、工作区构成，可通过设置添加栏目如：仪器仪表栏、元件库等，界面友好，操作方便，并且可设置成中文模式，方便用户操作。对于具体操作及各栏功能就不做介绍。Proteus 是一个基于ProSPICE混合模型仿真器的，完整的嵌入式系统软、硬件设计仿真平台。主要包括：ISIS智能原理图输入系统，系统设计与仿真的基本平台；VSM仿真单元含混合模型仿真、VSM仿真、高级图形仿真（ASF）等；ARES 高级PCB布线编辑软件。 本次设计当中运用ISIS仿真平台，其中PROTEUS VSM具有以下仿真方式：交互式仿真 检验用户所设计的电路是否能正常工作；基于图表的仿真(ASF)用来研究电路的工作状态及进行细节的测量.。从而使得能在仿真过程方便观察信号的流动变化。这也是我选用Proteus做控制电路与显示电路仿真原因，便于查看电路设计问题。其操作界面如下： 图12 Proteus操作界面同样Proteus界面主要由：菜单栏、工具栏、状态栏、工作区构成，可通过设置添加栏目，界面友好，操作方便，方便用户操作。对于具体操作及各栏功能就不做介绍。Multisim和Proteus提供强大的仿真功能，器件丰富，仪器仪表齐全，环境可设置，方便电子电路设计检查以及器件放置。使用方便易懂不需花太多时间学习软件运用便可使用，而且仿真结果可视化。本次电路时基电路是通过multisim 10进行设计，运用multisim工具菜单下的电路向导方便快捷的设计出100Hz的基于NE555多谐振荡器，然后经74LS160 100分频。倒计时、主控电路显示电路由于设计复杂，为方便观察哪里出错，我选用Proteus进行设计。设计时逐级调试设计，经过不断改善以及结果检测，最终设计成功。七、心得体会准备了两周，课程设计终于开始了，对于这次课程设计，本来一开始觉得应该很简单，但开始焊接以后才发现，自己遇到问题着实不少 。开始时虽然目标比较明确，逐级焊接调试，可操作时发现自己未提前注意排版、如何布线等等，等把555定时部分搞定的时候板子就有点难看了。第一天可能由于专心于制作，未及时反思，导致前半部分板子前后走线没规则，各级芯片排放不整洁，整体检查不便等问题。当然除了电路板焊制基本问题，对于各级电路在焊接时也遇到不少问题，我就一级级总结吧！首先是555电路，由于在课程设计前一周曾经做过一个555定时器，所以在这次调试过程比较顺利，直接通过调节滑动变阻改变R1、R2值，从而改变频率及占空比。不过我个人感觉555部分是电路的一个关键，许多同学也是从555开始焊接，要么一开始焊接完成检查，发现没有波形产生，要么就不检查，到最后调试时发现555不工作，这都造成一些同学急躁，无法冷静焊接或者调试。我总结了一下自己的555定时器调试过程：首先熟悉555定时器的工作原理，含引脚功能型号参数意义；根据所需连接电路；检查1脚8脚是否连接正确；检验各引脚关联情况及是否短路或者断路；通电检测在未接芯片时各引脚电位是否正常；接上芯片检验输出；如果输出有问题，检查带芯片工作时各引脚电位，分析问题，并改正电路；调试完成。通过555产生100HZ波形后，下一步就是分频，由于开始时仿真设计的是60分频，现在产生100分频，所以做完555后第一件事是调整电路，由于选择的是74LS160芯片，所以我直接把反馈电路删除，在高位进位信号处引出所需脉冲。电路焊接完成时，第一次检查通过示波器没观察到波形。通过万用表检查发现8脚未接地，再此联通电路，检测还是没有。电路有没问题，这时仔细观察才发现，在频率小于20hz时示波器是无法有效读出频率的，只能通过读显示器来检查，而我用的是一百分频，占空比只有千分之几，在示波器上闪的很快，无法捕捉。于是我通过波形发生器产生10hz方波，连接到74LS16的 CLK端检查，这才有效观察到芯片工作正确。由于74LS192工作原理和74LS16很像，只是我选用的是减法计数功能，而且有了前面经验示波检查部分就比较顺利，输出正常，调试过程我就不再重复。接下来连的是显示部分，74LS48和数码管连接时忘记接限流电阻，后来想起来，把数码管底座卸下来后又发现没有找到合适电阻，最终没有连接电阻，只好又把底座焊回去，不过板子也变得难看。还好后面接测时各发光二极管亮度一致，不过还是告诫自己，以后焊接时一定要冷静处理，避免出错。接下来是红绿灯控制模块，也是我最纠结的，由于焊接同时又检测，导致速度相对较慢，所以在第二天焊接控制模块时一次性焊接完成再检查，这时才发现，红绿灯只有红灯正常变化，其他的不能正常工作。我用万用表检查各引脚连接没错后，倒回来检测各引脚电位，后来发现是74LS74输出端不能有效