交通灯控制电路_数电课程设计_数字电路课程设计.doc

哈尔滨应用职业技术学院（论文） 交通灯控制电路题 目交通灯控制电路学生姓名张文龙系部名称自动化专业班级08电气自动化指导教师朱灵起止时间2010.7.15至2010.9.14目 录 第一章：序 （1-2）第二章：设计任务书 （2-4）第三章：电路组成和工作原理 （4-12）第四章：设计步骤及方法 （13-18）第五章：仿真过程 故障排除 （18-22）第六章：总结 （22-23）第七章：参考文献 （23）第八章：致谢 （23）毕业论文项目表填表日期年 月 日完成时间年 月 日学生姓名系部专业、班级指导教师姓名职称从事专业是否外聘是否题目名称指导教师意 见 指导教师签字： 年 月 日系 意 见系主任签字： 年 月 日毕业答辩成绩：年 月 日小组答辩委员会成员签字：年 月 日答辩委员会主任签字：年 月 日哈尔滨应用职业技术学院学生顶岗实习鉴定表系 部电气自动化系班 级08电气自动化班姓 名性 别男实习单位单位地址实习时间年 月 日至 年 月 日实习类别实习学生个人小结实习单位鉴定意见 盖 章：年 月 日 第一章 序 数字电子技术基础是高等学校弱电类专业的一门重要技术基础课程。这门课程发展迅速、实用性和应用性强，侧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注意。人、车、路三者的关系协调，已成为交通管理部门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计算机综合管理系统，他是现代城市的交通监控系统指挥中最重要的组成部分。同时也随着城市机动车辆的不断增加，许多大城市如北京，上海，南京等出现交通超负荷运行的情况，因此，自八十年代后，这些城市纷纷修建高速道路，在告诉道路完成的初期，它们也曾有效地改善交通情况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对告诉道路的系统研究和控制，告诉道路没有充分发挥初期的作用。而城市的高速道路在构造上的特写，也决定了城市告诉道路的交通状况必然受告诉道路与普通道路耦合出交通状况的制约。所以，如何才用何时得控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道和匝道，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，本次设计完成的就是交通灯设计。一下就是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讨论。第二章 设计任务书一、设计题目：交通灯控制电路二、技术要求：1设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求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秒； 2东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，时间15s。3东西方向与南北方向黄灯亮，时间5s。4南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l5s。 5黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次 。 三、给定条件及器件元件名型号数量集成电路74LS741个74LS002个74LS1632个74LS1532个74LS043个74LS101个74LS1381个NE5551个电阻51k1个47k1个5.6k1个2007个5.1k1个电容10 uF2个01uF2个发光二极管红色3个黄色3个绿色3个三极管3DG1个导线若干四、设计内容1.电路各部分的组成和工作原理。2.元器件的选取及其电路逻辑图和功能。3.电路各部分的调试方法。4.在整机电路的设计调试过程中，遇到什么问题，其原因及解决的办法。第三章 电路组成和工作原理1分析系统的逻辑功能，画出其框图 图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交通灯是同步的，所以不考虑），如图1-2所示2.1 工作原理分析交通灯控制系统的原理框图如图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。秒脉冲发生器是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。图中： TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为15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）如图1-2所示，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，乙车道黄灯亮。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表示，则控制器的工作状态及功能如表12、1所示，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： 表1 控制器工作状态及功能表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，甲车道通行S2（10）甲红、乙黄甲车道禁止通行，甲车道缓行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BY=1乙车道红灯亮 由此得到交通灯的ASM图，如图2所示。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15秒时，TL=0（用判断框来表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于15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。以此类推可以弄懂ASM图锁表达的含义。2画出交通灯控制器的ASM一、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12、3所示。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 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，则控制器保持在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12.2 74LS163功能表 表12.3 控制器状态转换表 状态转换表根据表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的项所对应的输入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，即可得到下面的方程： 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（ ）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 。 图 12、5控制器逻辑图 二、定时器 定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）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的定时信号TY和模15的定时信号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2 交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0D3是并行数据输入端，Q0Q 3是数据输出端。由两片74LS163级联组成的定时器电路如图12、4所示。电路的工作原理请自行分析。图3 74LS163的外引线排列图和时序波形图三、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。下图为译码器的逻辑图第四章 设计步骤及方法一、列出控制器与信号灯的关系表：表2、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 0001100 0 1100110 0 1010 由秒脉冲发生器长生了周期性的变化的CP脉冲，一部分送给了定时器74LS163芯片的情况下，通过芯片74LS00将会输出TY、T/Y/;TL、T/L/。即TY和T/Y/放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和T/L/放大的结果是秒脉冲的15倍。前者输出的信号时后者的1/3。将定时器输出的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中会输出高地变化的电平。控制器中的信号在送给芯片74LS00组成的译码器后再通过电路中的指示灯和100欧电阻从而得到交通的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小邓的正常闪烁来实现下图为交通灯控制电路的总逻辑图（图2）： 二、单元电路的设计（1）秒脉冲发生器 秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R6,C2的电阻电容值决定了脉冲宽度。振荡频率为：f=1.43/(R1+2R2)C电路图如下图：图3 秒脉冲发生器原理图如图3所示，R6、C2组成一个串联RC充放电电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C2上得到一个三角波。此三角波送到NE555的2脚输入端。由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。（2）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。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 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，则控制器保持在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。图4 .定时器电路图表6.74LS163功能表 输 入 输 出CR LD CTP CPT CP D0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q30 1 0 d0 d1 d2 d31 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0d0 d1 d2 d3计 数保 持保 持其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CP分别送给两个74LS163的清零端2处。如图所示：输入端3.4.5.6分别接地.。U1的7和10与U2的15相连。.即：只有当时15处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲同时和U3A中的2下作用产生脉冲。74LS00在ST中12.13共同作用下将信号11分别送给U1和U2的SR。可以得到TY和TY非是秒脉冲的4倍；TL和TL非的结果是秒脉冲的24倍。 三 PCB的设计1.原理图的绘制把附表原理图在Protel99中绘制出来。2.PCB的布线 第五章 仿真过程，效果分析与故障排除电路调试电路连接完成后，要进行调试，以检测是否达到要求。实践表明，一个电子装置，及时按照设计的电路参数进行安装往往也难于打到预期的效果。这是因为人们在设计师，不能周全地考虑各种复杂的客观问题，必然通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不组。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域的人员来说，是不应该缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。测试前的检查电子安装完毕，通常不宜给予通电，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. 按照电路图检查安装线路这种方法的特点是根据电路图连线，按照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 这是一种以原件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的线一次查清，检查每个去除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该在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”档，或数字式万用表“欧姆档”的蜂鸣器来测量，可直接测量元器件的引脚，这样就可以同事发现接触不良的地方。 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。 调试方法与原则通电观察 把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常的现象，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；如有该现象，应该立即切断电源，待排除故障后才能通电。一步步对电路的参数提出合理的修正。 调试中注意的事项 为了保证效果，必须减少测量误差，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。要正确的选择测量点。（4）用一台测量仪进行测量，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，不但要忍着观察和测量，还要用于记录。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。调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度影响。对于本交通灯来说，只要不出现异常的现象，一般不需要调试，直接进行测量。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0，则证明是通的，如果是无穷大，则证明中间有线短开的，则要一根一根的检查该组的每一根线，直到检查出为止。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，看是否打到额定电压（本产品为+5V），如果不是，则换掉电源。（2）测试芯片的电源输入端 同上用万用表的直流电压档，测试芯片的接地端和接电源端的点，看是否达到芯片的额定电压（本产品所有芯片都是+5V），如果不是，则检查其线路是否接错。操作说明1.根据题目的要求整个交通控制系统需要有4个时间显示器，12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.打开总开关，便可以进行交通控制系统的方针，电路默认把通车时间设为15秒，打开总开关，东西方向车道的绿灯亮；那女诶方向的车道红灯亮，示波器，显示时间为15秒，然后黄灯以每一秒的度闪亮，东西方向的车道的绿灯也转换成黄灯，同样以黄灯每秒闪一次，其余灯都不变。再过4秒后，电路又转换成预置的15秒，东西方向车道黄灯转换为红灯，人行道的红灯转换为绿灯；南北方向的红灯转换为绿灯，人行道的绿灯转换为红灯。如此循环下去。具体时间见下图：南北东西时间（S）绿灯黄灯红灯绿灯黄灯红灯151000004010001001100001010 交通灯校验时间图第六章 总结经过努力，我终于完成了电子课程设计交通灯控制电路系统。通过两周不断的查找资料的过程让我积累了很多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术，以及数字电路的知识和有关器件的应用。我深刻地体会