交通信号灯控制器实验报告

.交通信号灯控制器一、设计任务及要求2二、总体方案设计以及系统原理框图22.1、设计思路22.2、各模块相应的功能22.3、系统原理图3三、单元电路设计33.1、车辆检测电路33.2、主控电路43.3、灯控电路53.4、计时控制电路63.5、计时显示电路63.6、反馈控制电路73.7、置数电路73.8、时基电路7四、工作原理8五、电路的软件仿真及结果分析85.1、时基电路（555接成的多谐振荡器）的电路图以及波形的显示85.2、结果分析10六、电路的组装调试106.1、使用的主要仪器和仪表106.2、调试电路的方法和技巧106.3、调试中出现的问题、原因和排除方法11七、收获、存在的问题和进一步的改进意见117.1、存在的问题和进一步的改进意见117.2、收获以及心得体会12附录一：电路所用元器件14附录二：电路全图15附录三：实际电路图16一、设计任务及要求在一个主干道和支干道汇交叉的十字路口，为了确保车辆行车安全，迅速通行，设计一个交通信号灯控制电路，要求如下：1、 用两组红、绿、黄发光二极管作信号灯，分别指示主道和支道的通行状态。2、 通行状态自动交替转换，主道每次通行30秒，支道每次通行20秒，通行交替间隔时为5秒。3、 通行状态转换依照“主道优先”的原则，即：当主道通行30秒后，若支道无车则继续通行；当支道通行20秒后，只有当支道有车且主道无车时才允许继续通行。（用按键模拟路口是否有车）4、 设计计时显示电路，计时方式尽量采用倒计时。二、总体方案设计以及系统原理框图2.1、设计思路本次设计采用模块划分的方法，每个模块完成一项功能，最后将各个模块连接起来，设计完成后，用Multisim进行仿真，仿真成功后，再去实验室焊接调试。2.2、各模块相应的功能（1）车辆检测电路：用来显示主路支路车辆的四种情况。（2）主控电路：该电路为一个时序逻辑电路，根据车辆的情况实现灯的状态转换。（3）灯控电路：用来控制灯的四种状态。（4）计时控制电路：实现时间的倒计时。（5）计时显示电路：显示时间。（6）反馈控制电路：为灯的状态转换提供一个触发信号。（7）置数电路：为每种情况设置应有的时间。（8）时基电路：为计时控制电路提供触发信号。 2.3、系统原理图红黄绿红黄绿主干道支干道译码驱动电路主控电路车辆检测电路计时控制电路时基电路 交通灯控制电路原理框图计时显示电路三、 单元电路设计3.1、车辆检测电路主路支路车辆总共有四种情况,分别是：主路支路都没车，主路没车支路有车，主路有车支路没车，主路支路都有车；用两个状态变量、可以表示这四种情况，表示主路车辆，且表示主路有车，表示主路没车，表示支路车辆，且表示支路有车，表示支路没车。车辆情况00主路支路都没车01主路没车支路有车10主路有车支路没车11主路支路都有车选用器材：两个按键开关，这次我们设计的电路中，按键按下表示有车，按键没按表示没车。3.2、主控电路（1） 状态选择主路支路灯亮灭的情况总共有四种情况，分别是主绿支红，主黄支红，主红支绿，主红支黄，可以用两个状态变量、来表示这四种情况。主路支路00绿红01黄红10红绿11红黄（2） 状态转换图0Q1Q210、00 01、11 XXXX 11、10、00 01（3） 状态化简000111100000100011010110001011011000111000100011总的卡诺图00011110000101010101110101100101 通过上图可化简得：00011110000001011000111001100001通过上图可化简得：（4） 根据上述化简结果，选择双JK触发器CD4027。由JK触发器特性方程：可得： 3.3、灯控电路（1） 真值表分别用G、Y、R来表示主路的绿灯、黄灯、红灯，用g、y、r来表示支路绿灯、黄灯、红灯，且都是值为1表示灯亮，为0表示灯不亮。GYRGyr00100001010100011000110011001010（2） 逻辑表达式由上述真值表，通过化简可得各自的逻辑表达式如下： （3） 器材选用选用六个发光二极管，所选的发光二极管的电压为1.5V左右，电流为35mA，而输出的高电平为5V，为了保护二极管，并且防止电平偏移，所以在每个二极管前面都必须加限流电阻，经过计算，电阻可在0.71.17k之间，本次设计中我们选用6个1k电阻。3.4、计时控制电路因为本次实验采用倒计时，所以必须选用有减法计数功能的芯片，而且实验中计数最大可达到30，因此选用两个CD40192同步十进制加减计数器，将两个芯片采用串联接法，即一个芯片（控制低位的数字）的借位端接至另一个芯片（控制高位的数字）的减计数时钟输入端，可得100进制减法计数器，并且将芯片（控制高位的数字）的借位输出端接至两个芯片的置数端（低电平有效），通过置数电路，即可将计数器置成相应的数字。3.5、计时显示电路选用两个共阴极七段数码管来显示时间，并且选用两个CD4511译码器作为驱动芯片。因为数码管也是发光二极管组成，因此接至数码管之前必须得接限流电阻，为保证数码管稳定工作且有足够的亮度，本实验选用14个510的电阻。3.6、反馈控制电路为了使灯可以顺利转换状态，必须给JK触发器在适当的时候接触发信号，而灯转换状态的时刻也就是数码管显示00的时刻，也即CD40192持续置零的时刻，此时CD40192高位的借位输出端呈现高低电平交替输出的状态，它正好可以作为JK触发器的触发信号，从而完成了从计时控制电路向主控电路的反馈。3.7、置数电路（1） 真值表在主控电路状态转换时，需要通过此时灯的状态和下一时刻灯的状态来决定计数器的置数情况；分别用DCBA来表示高位的各位数，用dcba来表示低位的各位数。DCBAdcba对应的十进制数00000000000000001000001015011000100000201010000000000101100000101511000011000030（2） 逻辑表达式根据上述的真值表，通过化简，可得： 3.8、时基电路（1） 选用555构成多谐振荡器，为计时控制电路提供触发信号。（2） 周期计算周期公式： 本次实验选用,;选R2=6.8k.除此而外还得选用的电容，使555的5号管脚通过它接地。四、工作原理交通信号灯控制器由车辆检测电路、主控电路、灯控电路、计时控制电路、计时显示电路、反馈控制电路、置数电路、时基电路等模块组成。主控电路根据车辆检测电路传达来的车辆情况来设置灯的转换状态，再由灯控电路实现灯状态的显示；时基电路为计时控制电路提供CLK触发信号，计时控制电路用来实现时间的倒计时，再通过计时显示电路在数码管中显示具体的时间；计时控制电路通过反馈控制电路为主控电路提供CLK触发信号，使主控电路可以顺利完成灯状态的转换，而主控电路又通过置数电路为计时控制电路设置每种状态倒计时的时间；每个模块相互联系相互制约，协调工作从而实现了交通信号灯的控制。五、电路的软件仿真及结果分析5.1、时基电路（555接成的多谐振荡器）的电路图以及波形的显示电路图波形图 (为了便于观察，仿真中将频率放大100倍)5.2、结果分析（1） 主路支路均有车此种情况下为正常情况，主路支路交替运行，数码管交替显示30、05、20、05，信号灯也按主绿支红、主黄支红、主红支绿、主红支黄等状态交替显示。（2） 主路有车支路没车若之前为支路在运行，结束后数码管显示05、30、00，最后就停留在00，信号灯最后停留在主绿支红的状态。若之前为主路在运行，结束后数码管就停留在00，信号灯也停留在主绿支红的状态。（3） 主路没车支路有车若之前为支路在运行，结束后数码管直接停留在00，信号灯停留在主红支绿的状态。若之前为主路在运行，结束后数码管显示05、20、00，最后停留在00，信号灯也保持主红支绿的状态不变。（4） 主路支路都没车若之前为支路在运行，结束后数码管显示05、30、00，最后就停留在00，信号灯最后停留在主绿支红的状态。若之前为主路在运行，结束后数码管就停留在00，信号灯也停留在主绿支红的状态。六、电路的组装调试6.1、使用的主要仪器和仪表稳压电源，数字万用表，示波器。6.2、调试电路的方法和技巧将电路接通电源，出现异常现象后，根据现象，利用真值表或是逻辑表达式判断可能是哪个芯片的哪个管脚出现了问题，然后再用万用表测管脚电压等方法一个个排除，最后找到问题的原因所在。6.3、调试中出现的问题、原因和排除方法（1） 接通电源后，数码管停留在88，并不计数，数码管不计数，我们首先想到的是555接错了，检查电路确认正确后，接通了示波器，在示波器上我们看到了方波，明显这个错误不是555的问题；接着我们分析和数码管有直接联系的是CD4511译码器，数码管停留在88，即数码管各二极管全亮了，我们先想到的是LT灯测试端，它为零时数码管全亮，经过检查电路后，发现它接的是高电平，从而排除了这个原因；我们继续检查CD4511的各个管脚的连接情况，发现16管脚没有接电源，8管脚没有接地，这个芯片根本不工作，我们将8、16管脚接好后，发现计数器开始计数了。（2） 接通电源后，六灯齐亮，既然是灯的状态出现了异常，很自然地我们在主控电路上找问题，主要是检查CD4027双JK触发器是否接错或是漏接，经过排查后确认并没有接错，不过置0端Rd和置1端Sd没有接，因为在本电路设计中跟它们没有直接关系，所以我们忽略了对它们的处理；我们又经过分析得到，六灯齐亮，根据逻辑表达式可得，此种情况只能是，而这种情况在JK触发器的正常状态下根本不存在，于是我们进一步确定了这个问题跟置0端Rd和置1端Sd有关，所以将它们均接地，接通电源后灯按照既定的状态正常显示了。七、收获、存在的问题和进一步的改进意见7.1、存在的问题和进一步的改进意见虽然这次设计完成了所要求的任务，但是还有以下几点可以做进一步修改：（1） 当遇到紧急情况时，主路和支路均亮红灯；（2） 遇紧急情况计时暂停，状态结束后继续；（3） 设计主道超声波车辆检测电路，加入模拟电路这一部分的设计；（4） 接通电源开始时会出现一些乱码，等计数到00后，才按照正常的状态工作，可以把初始状态设计成正常状况下的一种。7.2、收获以及心得体会在整个电路的设计制作过程中，我通过自己的亲身经历总结了一下几点：1、 整个电路制作过程中的重点部分不是电路的设计，虽然这个是需要大量相关知识储备的，但是，只要是有足够长的时间和足够多的资料，任何一个有一定电子课程学习基础的同学都能设计出一个不错的电路，并实现其功能。所以，其重点应当是在电路实际制作过程中的线路排布，芯片的布局直接决定了后期线路连接的质量，进而决定我们制作的电路能否顺利实现其功能；2、 在安排芯片的位置时，一般有两个不同的原则，功能线优先和电源线优先，解释一下：功能线原则就是在排芯片的位置时，重点考虑芯片上除电源线和地线以外的其他管脚的接线，这样的好处是便于在实现其功能时少接线，或者可以使接线更均匀，适用于电线比较多的情况；另外一种情况是考虑电源和接地，这种情况下，可能对其他管脚的接线带来不便，与前者相比，没有发现什么明显的优势。所以最好是选择功能线优先的方法，我在接线的时候优先考虑了电源线和地线，所以在接线过程中，遇到了一些非常头疼的问题，比如线路不清晰，排布混乱等等；3、 电路的焊接是个技术活，电路焊接过程中，不正确的使用方式会带来一系列的问题，比如像焊点出现虚焊，焊点太大或太小，焊接时间过长到时线路熔断等。由于焊接的方法使我们自己总结的，所以，我认为比较正确的焊接方式是：先把电烙铁放在焊点的一侧，预热一两秒，然后把焊锡伸到烙铁和接线中间的缝隙中，这样就能保证焊点中间的空隙可以很好的被焊锡封住，不会产生虚焊，焊接时，如何控制焊锡跟进的速度是有规律的，如果一昧的往里送焊锡会导致焊点过大，所以在焊接时，眼睛一定要紧盯着焊点。4、 电路故障的检查，我们组的电路在焊接完成后，发现数码管不显示，灯也不亮。我们在仔细看过发光二极管后发现不是灯不亮，而是灯管很微弱，在光强的地方不易察觉，于是考虑到在焊接电路时用的保护电阻有点大，就换上了比较小的电阻，解决了灯不亮的问题。但是这时的数码管还是不显示，检查并排除了数码管电路接触不良的问题，如果是接触不良，不会出现全都不亮的情况，于是考虑接地或者是电源的原因，后来发现是数码管没有接地，在连上接地线后，解决了这一问题。这时的电路总结还有两个问题，一是灯明灭没有规律，二是数码管显示乱码，考虑到电路在排线和焊接过程中并没有进行系统的排查，我们就先按照电路图排查了一遍线路，发现了几个接错和少接的地方，在解决问题后，电路的显示还是没有好转，但是发现在用手按压或者触摸一些地方时，数码管和灯有明显的变化，我们开始检查焊点是否牢固，并将检查范围定在用手按压或者触摸时电路显示明显变化的地方，终于发现了几个断掉的焊点，重新焊接解决问题。在整个检查过程中，我们小组总结了一下几个比较不错的方法，在不使用万用表进行检测的情况下，考虑的可能的情况有：接触不良、芯片故障、接线错误三部分。在排查时要考虑模块化和功能区域化，就单一问题首先单独检查与其相关联的电路，如果是所有的功能都不正确就要首先考虑总的控制电路是否有故障；另外几个比较好的查接触问题的方法，触摸法和短接法，是比较常用的，其中短接法更接近于用万用表进行检查，触摸法的有点在于，不使用专业的仪表，先对出现问题的部分进行大致的查找，尽量缩小问题可能出现的范围，在利用观察或者是仪表进行检查。5、在整个电路的设计和制作过程中，有一些技巧是一定要掌握的，其中包括：排线的最优化问题，焊接