十字路口的交通灯控制电路设计

时间：二O二一年七月二十九日设计任务书之阿布丰王创作时间：二O二一年七月二十九日设计要求和技术指标1、技术指标：设计一个十字路口的交通灯控制电路，每条路途上各配有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，暗示该路途禁止通行；黄灯亮暗示该路途上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯暗示该路途允许通行.该电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，实现十字路口自动化.2、设计要求（1）要求甲车道和乙车道上的车辆交替运行，每秒通行时间为25秒种；（2）要求黄灯先亮5秒种，才华变换车道；（3）黄灯亮时要求每秒闪亮一次；（4）要求绘出原理图，并用Protel画出印制板图；（5）根据设计要求和技术指标设计好电路,选好元件及参数；（6）拟定测试方案和设计步伐；（7）写出设计性陈说.目录一、引言 3二、 交通灯的组时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日TOC\o"1-5"\h\z成 4三、单位电路的设计 ....81、秒脉冲发生器 ..8\o"CurrentDocument"2、按时器 .…..8、 控 制器…… ..10、 译 码器……………...……..12. 交 通 信 号灯 ...14.整个交通灯控制系统的规划 ...14四、 PCB 板 的 制作 15原 理 图 绘制 15、 PCB 图 排线 时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日 15五 、焊 接 技术 16六、仿真过程与效果分析 20TOC\o"1-5"\h\z七、 元 器 件 清单 23八 、 体 会 总结 24九 、 鸣谢 25十 、参 考 文献 26附录交通灯原理图（整体规划）引言时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日数字电子技术基础是高等学校弱电类各专业的一门重要的技术基础课程.这门课程发展迅速、实用性和应用性强，偏重于逻辑行为的认知和验证.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，已成为交通管理部份需要解决的重要问题之一.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份.同时也随着城市机动车量的不竭增加，许多年夜城市如北京、上海、南京等呈现了交通超负荷运行的情况,因此，自80年代后期,这些城市纷纷修建城市高速路途,在高速路途建设完成的早期,它们也曾有效地改善了交通状况.然而,随着交通量的快速增长和缺乏对高速路途的系统研究和控制,高速路途没有充沛发挥出预期的作用.而城市高速路途在构造上的特点,也决定了城市高速路途的交通状况肯定受高速路途与普通路途耦合处交通状况的制约.所以,如何采纳合适的控制方法,最年夜限度利用好耗费巨资修建的城市高速路途，缓解主干道与匝道、城区同周边地域的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部份亟待解决的主要问题.为此,本次设计完成的就是交通灯设计.以下就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论.二.交通灯的组成时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日交通灯控制系统的原理框图如图12、1所示.它主要由控制器、按时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部份组成.秒脉冲发生器是该系统中按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份，由它控制按时器和译码器的工作.图中：TL:暗示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔.按时时间到,TL=1,否则,TL=0.TY：暗示黄灯亮的时间间隔为5秒.按时时间到,TY=1,否则,TY=0.ST：暗示按时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号.由它控制按时器开始下个工作状态的按时.图12、1交通灯控制系统的原理框图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1-2所示时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日0001道亮状支葭000000O道亮法节灯状支绿。。・一-2-1图000-10001道亮状支葭000000O道亮法节灯状支绿。。・一-2-1图000-1一000000一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：（1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮.暗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.暗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.黄灯亮足规按时间间隔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，乙车道黄灯亮.暗示甲车道禁止通行，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.暗示甲车道禁止通行，时间：二O二一年七月二十九日

时间：二O二一年七月二十九日乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已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.交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的.设控制器的四种状态编码为00、01、11、10,并分别用S0、S1、S3、S2暗示，则控制器的工作状态及功能如下表所示.控制器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S2（11）甲红，乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行S3（10）甲红，乙黄甲车禁止道通行，乙车道缓行12-3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BG=1 AG=1 ： 甲BG=1 ： 乙AY=1 ： 甲BY=1 ： 乙车道绿车道绿车道黄车道黄灯亮；灯亮；灯亮；灯亮；AR=1：甲车道红灯亮BY=1：乙车道红灯亮;由此获得交通灯的ASM图,如图12-2所示.设控制器的初始状态为S0（用状态框暗示S0）,当S0的继续时间小于25秒时,TL=0时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日（用判断框暗示TL）,控制器坚持S0不变.只有当S0的继续时间即是25秒时,TL=1,控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框暗示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.12-2.画出交通灯控制器的ASM（AlgorithmicStateMachine,算法状态机）三.单位电路的设计（1）秒脉冲发生器脉冲信号发生器用的是555按时器构成多谐震荡器,震荡频率为： f=1.43/（R1+2R2）C电路图如下图：秒脉冲发生器（2）按时器按时器由与系统秒脉冲（由上面时钟脉冲发生器提供）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5的按时信号TY和模25的按时信号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12、3所示，其功能表如表12、2

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12、2交通灯的ASM图数控

时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日制端,CO是进位输出端,D0〜D3是并行数据输入端,Q0〜Q3是数据输出端.由两片74LS163级联组成的按时器电路如图12、4所回|ls|ji |i工I |加|g|) FLXICK二二口：m司厂勺示.’；，・：•口一口74LS163的外引线排列图74LS163时序波形图表12、274LS163功能表按时器电路图(3)控制器控制器是交通管理的核心，它应该能够依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12、3所示.选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器发生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,则控制器坚持在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〃暗示.其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST.时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日表12、3控制器状态转换表输入输出现意状态转换条件次意状态转换信号Q产Q产TlTrQ产 Q产iSt000 x0 00001£0 1101K 00 1001K 1111110 K110111 K1 0110K 01 0010耳 10 01根据表12、3、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〃用原变量暗示,〃0〃用反变量暗示,然后将各与项相或,即可获得下面的方程：Q严1= 1-L 11 n Q产=Q1Q口-+QI?+QfQ：乙$工=QiQ□。十QiQo-^r十QfQ;。十QfQ居根据以上方程，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12、5所示.图中R、C构成上电复位电路.时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日CFQNWC2MUU11——ITCFQNWC2MUU11——IT0—£五 3srAiAqTl——qK1MTy一一1Y23ST]74L5153图12、5控制器逻辑图(4 ) 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12、4所示.表12、4控制器状态编码与信号灯关系表状态AGAYARBGBYBR00100001010100011000110011001010由秒脉冲发生器发生了周期性变动的CP脉冲,一部份送给了按时器的74LS163芯片，另一部份送给了控制器的74LS74芯片.在脉冲ST同时加到按时器74LS163芯片的情况下,通过芯片74LS00时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日将会输出TY.T/Y/；TL.T/L/.即TY和T/Y/放年夜的结果是秒脉冲的5倍；TL和T/L/放年夜的结果是秒脉冲的25倍.前者输出的信号是后者的1/5.将按时器输出的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中会输出高低变动的电平.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欧的电阻从而获得交通灯的逻辑电路,这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现.下图为译码器部份的逻辑图(5)交通信号灯六个发光二极管(注意二极管的极性)(6)整个交通灯控制系统的规划见副表四.PCB的制作.原理图的绘制把副表的原理图在Protel99中绘制出来..PCB的排线五.焊接技术导线的焊接：导线焊接在电子产物装配中占有重要位置.实践中发现,呈现故障的电子产物中，导线焊点的失效率高于印制电路板，有需要对导线的焊接工艺给予特另外重视..焊接把持姿势与卫生焊剂挥发出的化学物质对人体有害的，如果把持时鼻子距烙铁头太近，则很容易将有害气体吸入.一般烙头距鼻子至少很多于时间：二o二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日30cm,通常400cm以上为宜.电烙铁拿法有几种，一般在把持台上焊接电路板时多采纳握笔法.使用烙铁要配置烙铁架，电烙铁使用之后要稳妥放于烙铁架上,注意导线等物不要碰触烙铁头.由于焊锡丝成份中，铅占一定比例，众所周知铅是对人体有害的重金属，因此把持时应戴手套或把持后洗手,防止将其食入..焊接的基本把持⑴焊件概况处置手工烙铁焊接中遇到的焊件是各种各样的电子元件和导线，除非在规模生产条件下使用“保鲜期”内的电子元件，一般情况下遇到的焊件往往都需要进行概况清理工作，去除焊接面上的锈迹、油污、灰尘等影响焊接质量的杂质.手工把持经常使用机械刮磨和酒精、丙酮擦洗等简单易行的方法.⑵预焊预焊就是将要锡焊的元器件引线或导线的焊接部位预先用焊锡润湿,一般也称为镀锡，上锡,搪锡等.称此过程为“预焊”是准确的，因为其过程和机理都是锡焊的全过程一一焊料润湿焊件概况，靠金属的扩散形成结合层后而使焊件概况“镀”上一层焊锡.其实预焊其实不是锡焊必不成少的步伐，但在手工焊接特别是维修，调试,研制工作中预焊可以提高产物的质量和可靠性.如图13所示：(3)要用过量的焊剂适量的焊剂是必不成 丁”马少的,但绝不是越多越好.，/ 宣：过量的松香不单造成焊后 〜二，二一"*%焊点周围难以清洁，而且 ； 'J-延长了焊接时间(松图13元件的引脚与预焊香溶化、挥发会带走热量)，降低工作效率；而当加热时间缺乏时又容易夹杂到焊锡中形成“夹渣”缺陷；对开关元件的焊接,过量的焊剂容易流到触点处，造成接触不良.合适的焊剂量应该是仅能浸湿将要形成的焊点.对使用松香芯的焊锡丝来说,基本不需要再涂焊剂.(4)持烙铁头的清洁因为焊接时烙铁长期处于高温状态，又接触焊剂等受热分解的物质，其概况很容易氧化而形成一层黑色杂质，这些杂志几乎形成时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日隔热层，使烙铁头失去加热作用.因此要随时在烙铁架上蹭去杂志.用一块湿布或湿海绵随时擦烙铁头,也是经常使用的方法.（5）热要靠焊锡桥非流水线作业中，一次焊接的焊点是多种多样的，我们不成能不竭换烙铁头.要提高烙铁头加热的效率，需要形成热量传递的焊锡桥.所谓焊锡桥,就是靠烙铁上保管少量焊锡作为加热时烙铁头与焊件之间传热的桥梁.显然由于金属液的导热效率远高于空气，而使焊件很快被加热到焊接温度（如图14）.应注意作为焊锡桥的锡保管不成过多.图14焊锡桥作用（6）焊锡量要合适过量的焊锡不单毫无需要地消耗了较贵的焊锡，而且增加了焊接时间,相应降低了工作速度.更为严重的是在高密度的电路中，过量的锡很容易造成不容易觉察的短路.可是焊锡过少不能形成牢固的结合，降低焊点强度，特别是在电路板上焊导线时,焊锡缺乏往往造成导线脱落,如图15所示.（7）元件要固定在焊锡凝固之前不要使焊件移动或震动，特别是用镊子夹住焊件时一定要等焊锡凝固再移去镊子.这是因为焊锡凝固过程是结晶过程.根据结晶原理，在结晶期间受到外力（焊件移动）会改变结晶条件，招致晶体粗年夜，造成所谓“冷焊”.外观现象是概况无光泽呈豆渣状；焊点内部结构疏松，容易有气隙和裂缝，造成焊点强渡过低,导电性能差.因此在焊锡凝固前一定要坚持焊件静止.实际把持时可以用各种合适的方法将焊件固定，或使用可靠的夹持办法.印制电路板的焊接焊接印制板，除遵循锡焊要领外，以下几点须特别注意：（1）电烙铁，一般应选内热式20〜35W或调温式，烙铁的温度不超越300c的为宜.烙铁头形状应分局印制板焊盘年夜小采纳凿形或锥形，目前印制板发展趋势是小型密集化，因此一般经常使用小型圆锥烙铁头.（2）加热方法，加热时应尽量使烙铁头同时接触印制板上铜箔和元器件引线（图七）.对较年夜的焊盘（直径年夜于5mm）焊接时可移动烙铁，即烙铁绕焊盘转动，以免长时间停留一点招致局部过热,如图八所示.时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日(3)处置.焊图十八金属化孔的焊接[3]勺焊接，两层以上电路板的单要让焊料润湿焊盘,而且孔内要进行金属化

闰湿填充.因此(3)处置.焊图十八金属化孔的焊接[3]勺焊接，两层以上电路板的单要让焊料润湿焊盘,而且孔内要进行金属化

闰湿填充.因此金属化孔加热时间应长于单面板.阳九值属住乩的灯按(4)焊接时不要用烙铁头摩擦焊盘的方法增强焊料润湿性能,而要靠概况清理和预焊.(5)耐热性差的元器件应使用工具辅助散热(图十八).5.1.1.焊后处置(1)剪去过剩引线，注意不要对焊点施加剪切力以外的其他力.(2)检查印制板上所有元器件引线焊点，修补缺陷.(3)根据工艺要求选择清洗液清洗印制板.一般情况下使用松香焊剂后印制板不用清洗.六.仿真过程与效果分析电路试调电路连接完后,要进行调试，以检测是否到达要求.实践标明，一个电子装置，即使依照设计的电路参数进行装置往往也难于到达预期效果.这是因为人们在设计时，不成能周全地考虑各种复杂的客观问题，必需通过装置后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的缺乏.然后采用办法加以改进，使装置到达预定的技术指标.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.调试的经常使用仪器有：万用表、示波器、信号发生器.调试前的检查电子装置完毕,通常不宜急于通电,要形成这种习惯,先要仔细检查.其检查内容包括：(1)连线是否正确检查的方法通常有两种方法：a.依照电路图检查装置的线路这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序装置好的线路，这样比力容易查出哪里有毛病.依照实际线路来对比原理图电路进行查线时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日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，这种方法不单可以查犯错线和少线,还容易查出多线.为了防止犯错，对已查过的线通常应在电路图上做出标识表记标帜,最好用指针式万用表“欧姆1”挡,或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来丈量，可直接丈量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的处所.元器件的装置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.调试方法与原则通电观察把经过准确丈量的电源接入电路.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,待排除故障后才华通电.一步对电路参数提出合理的修正.调试中注意的事项为了保证效果，必需减小丈量误差，提高丈量精度.为此，需注意以下几点：（1）正确使用丈量仪器的接地端（2）丈量电压所用仪器的输入端阻抗必需远年夜于被测处的等效阻抗.因为,若丈量仪器输入阻抗小，则在丈量时会引起分流给丈量结果带来很年夜的误差.（3）仪器的带宽必需年夜于被测电路的带宽.要正确选择丈量点.（4）用同一台丈量仪进行丈量进,丈量点分歧,仪器内阻引起的误差年夜小将分歧.（5）调试过程中,不单要认真观察和丈量,还要于记录.记录的内容包括实验条件,观察的现象,丈量的数据,波形和相位关系等.只有有了年夜量的可靠实验记录并与理论结果加以比力，才华发现电路设计上的问题,完善设计方案.（6）调试时呈现故障,要认真查找故障原因,切不成一遇故障解决不了的问题就拆失落线路重新装置.因为重新装置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，很年夜水平受丈量正确与否和丈量精度的影响.对本交通灯来说，只要不呈现异常的现象,一般不需要调试,直接进行丈量.时间：二O二一年七月二十九日时间：二O二一年七月二十九日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；如果是无穷年夜，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.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，看是否到达额定电压（本产物为+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真个点呀,看是否到达芯片的额定电压（本产物所用的芯片都是+5V）,如果不是,则检查其线路是否接错.把持说明1、根据题目的要求，整个交通灯控制系统需要有个时间显示器，6个交通信号灯.但由于芯片没有，只有用实验室的示波器来看秒脉冲时间.2、翻开总开关,即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,翻开总开关,工具方向车道的绿灯亮；南南方向车道的红灯亮，示波器，显示时间为25秒，然后黄灯以每一秒的速度闪亮,工具方向车道的绿灯转换为黄灯,而且黄灯每秒闪一次,其余灯都不变.再过4秒后，电路又转换成预置的25秒,工具方向车道的黄灯转换为红灯,人行道的红灯转换为绿灯；南南方向车道的红灯转换为绿灯,人行道的绿灯转换为红灯.如此循环下去.具体时间见下图:南北工具时间（S）绿灯黄灯红灯绿灯黄灯W10000025时间：二O二一年七月二十九日

时间：二O二一年七月二十九日0100014001100001010交通灯校验时间图七.元器件清单TOC\o"1-5"\h\z集成电路74LS74 1片74LS10 1片74LS09 1 片74LS15