电子技术课程设计报告交通灯.doc

电子技术课程设计报告交通灯

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2020年4月19日
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武汉工程大学
电气信息学院

电子技术课程设计报告

设计名称： 交通灯
设计题目： 交通灯
学生学号： 1304 08
专业班级： 电气类13班
学生姓名： 孔庆尧
学生成绩：
指导教师： 戴璐平
课题工作时间： 至

目 录
摘 要 ……………………………………………………………………………………… II
Abstract …………………………………………………………………………………... II
第一章 课题背景（或绪论、概述）…………………………………………………….. 1
1.1 设计背景…………………………………………………………………………………...1
1.2 设计目的…………………………………………………………………………………...1
1.3 设计意义…………………………………………………………………………………...2
1.4 本章小结…………………………………………………………………………………...2
第二章 设计简介及设计方案论述 ……………………………………………………….. 3
2.1 设计简介………………………………………………………………...…………………………..... 3
2.2 设计方案论述…………………………………………………………..…………………….….4
2.3 本章小结……………………………………………………………...…..……………………..5
第三章 详细设计…………………………………………………………..……………….. 6
3.1秒脉冲发射器电路 ……………………………………………………...………………………….…6
3.2定时器电路…………………………………………………………..……………………………..…7
3.3控制器电路………………………………………………………………………………….9
3.4译码显示电路…………………………………………………………………..……...….…9
3.5本章小结………………………………………………………………..……………………….11
第四章 设计结果及分析…………………………………………………..…………..…….12
4.1 总体设计结果……………………………………………….…………………...……………..….12
4.2 总体设计分析 ….…………………………………………………..…………………………….14
4.3 电路检验 …………….………………………………………………..……………………………15
4.4 本章小结………………………………………………………………..…………………...….15
第五章 电路仿真…………………………………………………..…………………..…….16
总 结 …….……………………………………………………..……………………...…….18
致 谢 …….……………………………………………………..…………………………....20
参考文献 …….………………..………………………………..………………………...….21
附录 主要芯片使用 ………...………………………………..……………………...…….22

摘 要
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力、减少交通事故有明显效果。经过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口四组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,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。 因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础，同时引入了电子设计自动化技术，将模拟信号转化为数字信号，利用了数字逻辑这一强大工具，同时还运用了Multisim软件来设计了可控制的交通信号灯。
关键词：交通灯，设计，电路仿真
Abstract
The emergence of traffic lights so that traffic can be effective control, for ease traffic flow, improve the road capacity, the effect of significantly reducing traffic accidents. Through the use of digital circuitry on the traffic lights control circuit design, to enable the traffic lights control circuit at a crossroads with two sets of automatic control of digital signal red, yellow and green traffic lights approach the status of the conversion, command a variety of vehicles and pedestrians safe passage to achieve automated traffic management at the crossroads. Therefore, in the course design, the traditional design methods will be based at the same time the introduction of electronic design automation technology, the analog signal into a digital signal, use this powerful tool for digital logic, At the same time also used the Multisim software and some digital logic devices, to design that can be controlled by traffic lights.
Keywords：Traffic lights, design, circuit simulation

第一章 课题背景
1.1 设计背景
1.1.1交通灯的使用背景
随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。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。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。
1.1.2交通灯的发展现状及研究概况
随着电子技术的飞速发展，各类分立电子元件及其所构成的相关功能单元，已逐步被功能更强大、性能更稳定、使用更方便的集成芯片所取代。由集成芯片和一些外围电路构成的各种自动控制、自动测量、自动显示电路遍及各种电子产品和设备。数字系统和数字设备已广泛应用于各个领域，更新换代速度可谓日新月异。
在电子系统非常广泛的应用领域内，到处可见到处理离散信息的数字电路。供消费用的微波炉和电视、先进的工业控制系统、空间通讯系统、交通控制雷达系统、医院急救系统等在设计过程中无一不用到数字技术。数字电路制造工业的进步，使得系统设计人员能在更小的空间内实现更多的功能，从而提高系统可靠性和速度。
交通灯作为现在交通生活必不可少的一项，其设备也在不停地更新换代。如今交通灯已经不能局限为简单的红黄绿三种灯，直行、左转、右转也都有了自己的标志灯。我们需要更加复杂的设计来满足这些不断加剧的需求。
1.2 设计目的
本设计在掌握十进制计数器、译码器电路的综合设计的基础下，综合运用了定时器，触发器，计数器，译码器等知识，并能使测得的结果保持一定的精度，具有一定的实用价值。经过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口四组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,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。绿灯亮时，准许车辆通行。黄灯亮时，已越过停止线的车辆能够继续通行。红灯亮时，禁止车辆通行。主干道绿灯时间为45秒，黄灯时间为5秒，红灯时间为30秒次干道红灯为50秒，绿灯为25秒，黄灯为5秒
本课题采用的是TL082为脉冲发生器，74192为定时器4511译码，7474为控制器7408译码。

1.3 设计意义
本设计与制作项目可提高学生对于元件的认识，更加了解各个元件功能的使用，而且经过设计控制电路锻炼学生的逻辑思维能力。培养学生根据课题需要选用参考书、查阅手册、图表和文献资料的能力，提高学生独立解决工程实际问题的能力．
1.4 本章小结
本章主要简述了交通灯的发展、研究背景和本课题研究的主要内容。

第二章 设计简介及设计方案论述
2.1 设计简介
2.1.1 设计任务
任务：设计并实现一个能够控制十字路口交通的交通灯。要求主干道绿灯时间为45秒，黄灯时间为5秒，红灯时间为30秒。次干道红灯为50秒，绿灯为25秒，黄灯为5秒。
1．主干道为45秒绿灯时，绿灯结束时变为5秒黄灯。此时支干道为50秒红灯。
2．主干道黄灯5秒结束后变为30秒红灯。
3．主干道为红灯时，支干道为25秒绿灯加5秒黄灯。
2.1.2设计的基本原理
1．用TL082设计一个秒脉冲发射器。
2．经过两片74192，两片4511和两个七段数码管设计时间倒数器。
3．经过7474、7408实现对两车道灯的控制。
4．将灯的亮灭和时间置数结合完成整体电路。
2.1.3 当前所有的实现框图与方法原理
方案一 用数电电子技术来实现交通灯控制
交通灯控制系统的原理框图如图2-1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，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。

图2-1

方案二 用单片机技术来实现交通灯控制

方案比较及选用依据：
用单片机技术来来实现交通灯控制是最容易实现的，而且该电路可靠性也很高，可是这是要求设计者要有单片机编程的基础上才能完成设计。我们的单片机编程技术不太过关，而且老师所发的实验材料更加适合用电子技术来实现。因此我们选用了数字电子技术来实现交通灯控制。
2.2 设计方案论述
（1）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45s时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
（2）乙车道黄灯亮，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5s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，乙车道绿灯亮。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25s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，乙车道上没过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5s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1、2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
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，乙车道通行
S2（10）
甲红，乙黄
甲车道禁止通行，乙车道缓行
AG=1
甲车道绿灯亮
甲车道通行
BG=1
乙车道绿灯亮
乙车道通行
AY=1
甲车道黄灯亮
甲车道缓行
BY=1
乙车道黄灯亮
乙车道缓行
AR=1
甲车道红灯亮
甲车道禁止通行
BY=1
乙车道红灯亮
乙车道禁止通行

2.3 本章小结
本章主要介绍了的工作原理，已经现有的多种方案。以及最后确定的本次设计的方案过程与理由。

第三章 详细设计

3.1秒脉冲发射器电路
该电路主要功能是经过运算放大器TL082组成迟滞比较器，再与-5V电源组成加法器实现。

TL082的实际引脚图和仿真软件中引脚图分别如图3-1-1和3-1-2所示：

图3-1-1 TL082实际引脚图 图3-1-2 仿真软件中的引脚图

定时器构成多谐振荡器的基础电路图如图3-1-3所示。

图3-1-3 多谐振荡器的基础电路

秒脉冲发射器运行时的波形图如图3-1-4所示

图3-1-4 秒脉冲发射器运行时的波形图

3.2定时器电路

定时器选用集成电路74LS192进行设计。74LS192是10进制同步加法计数器，功能表如图3-2-1

图3-2-1 74LS192功能表
74LS192的实际引脚图和仿真软件中引脚图分别如图3-2-2和3-2-3所示：

图3-2-2 74LS192的实际引脚图 图3-2-3 74LS192的仿真引脚图

74LS192组成的定时器如图3-2-4所示

图3-2-4 定时器电路图
此图中上方192为十位，下方192为个位。个位192的DOWN引脚接秒脉冲。十位的预置数分别为0100、0000、0010、0000，因此B、C端应接在控制电路的一端，详细解释见控制电路。

3.3控制器电路
控制器电路为整个电路的核心部分，能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换，由一片74LS74完成电路。
电路图如图3-3-1,1Q和2Q用于连接灯的译码电路。

图3-3-1 74LS74连接的控制电路

3.4译码显示电路

由两部分组成：
1、由192组成的倒计时器的输出作为译码器4511的输入，来控制2个七段数码显示管。
2、由两个7474的输出组合后经7408，控制6个LED。

控制器状态编码与信号灯关系如下表。

Q1 Q0
AG绿灯
AY黄灯
AR红灯
BG绿灯
BY黄灯
BR红灯
0 0
1
0
0
0
0
1
0 1
0
1
0
0
0
1
1 0
0
0
1
1
0
0
1 1
0
0
1
0
1
0

3.4.1七段数码显示管
此部分译码显示电路由两片4511和两个七段数码显示管组成。4511的输入端接74LS192的输出端，经过4511译码将192上的数字在七段数码显示管上显示。显示数字即交通灯需要显示的时间。电路图如图3-4-1

图3-4-1
3.4.2 LED译码显示电路
由两个7474的输出组合后经7408，控制6个LED。电路如图3-4-2。图中2CLK连接十位192上的BO端。当192上的个位十位均归零时，则为7474提供一个脉冲，交通灯LED的显示变换一次，从而实现交通灯灯的亮灭和时间相对应。

图3-4-2

3.5本章小结
本章主要介绍了电路的整体思路和各个单元电路的连接和组成。分别介绍了秒脉冲发射器、定时器电路、控制器电路、译码显示电路的组成芯片和设计思路。

第四章 设计结果及分析
4.1总体设计结果
整个系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器构成。其中，秒脉冲信号发生器由TL082电路组成；定时器由两片同步十进制减法计数器74LS192芯片及若干非门、与门共同组成；控制器由一片双D触发器74LS74芯片构成；译码显示器由两片74LS192、两片4511和两个七段数码管构成。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号，译码电路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。控制电路是系统的核心部分，由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作能够实现交通灯四种状态的自动转换。
电路能够实现四种不同状态之间的转换，总电路图如图4-1-1（A3单独打印）

图4-1-1 总设计图

实际电路连接后的成品图如图4-1-2

图4-1-2 实际电路

4.2总体设计分析

本次交通灯设计主要由脉冲输出部分，定时器部分，控制部分（由7474为核心），译码显示部分四部分组成，在输出部分我们运用两个集成放大器构成了一个稳定的输出频率为1HZ脉冲电路（实质是迟滞比较器）。在控制部分考虑到交通灯是在四个状态中循环需要输出四个信号（00,01,10,11）。考虑到低位在0,1之间重复因此把低位的Q非端接到低位的D端，高位在低位由1变0时才变化把低位输出端经反相器接入高位脉冲端CLK，同时高位Q非端接高位D端，再用非门和与门引导高低位输出端Q来控制交通灯的暗灭。
在置数部分经过两片192芯片来控制高低位显示，低位在每轮置数中均为5，故BD接地AC接高电位，同时输出端接对应4511输入，由于是减计数UP端接高电平，低位down接脉冲输入，高位down端接低位借位端BO，高位计数在2，4，0之间变化。由于192是非同步置数，又因为次干道黄灯亮后亮主干道绿灯，故高位输入C接在次干道黄灯正输入上。同理，高位输入B接主干道黄灯正输入上，高位剩余输入AD接地。因为高位倒数完后灯信号改变并同时开始下一轮计时，故需要把高位借位输出端BO同时接在两片192的置数端LD和7474的低位CLK端作为改变信号，同时在192高位置数端接一个电阻接地。在经过4511和七段数码管显示时间完成显示。

4.3电路检验
在完成面包板上所有的电路图以后，我们需要对电路进行检验和修改。
首先对秒脉冲发射器电路进行检验，将秒脉冲发射器的输出端接在示波器上，接通电源后观察是否能够产生高电平为5V，低电平为0V的方波。然后对秒脉冲发射器电路以外的电路进行整体检验。将低位192的DOWN端接模拟电路实验箱的脉冲电源，接通电源以后观察面包板上的时间显示和灯的亮灭能否达到实验效果。如果实验现象不能满足预期的实验现象，首先要检验各部分的电路是否连接正确，如果电路连接无误，再检验是否是实验用的芯片或者器材存在问题。例如，4511芯片是否不能正常工作，七段数码显示管是否被烧坏，二极管是否正负极接反。所有部分检验无误后，再把总体电路连接在一起，接通电源观察实验现象。如果还是无法正常显示，重复上述工作直至实验成功。
4.4本章小结
本章主要介绍了总体设计结果和总体设计分析，讲述了我们对于信号灯设计的成果。同时我们也对电路的检验进行了总结分析，最终电路能够成功运行。

第五章 电路仿真
5.1主干道绿灯45秒，支干道红灯

5.2主干道黄灯5秒，支干道红灯

5.3主干道红灯，支干道绿灯25秒

5.4主干道红灯，支干道黄灯5秒

总 结
这次课程设计对我们来说是有一定难度的，而且也是十分难忘的一次经历。在设计交通灯的实验中我们学习到了很多知识，连接面包板也提高了我们的动手能力。
首先，在拿到题目的时候，我不知道应该怎么去做。因为已经有半年的时间没有接触数电了，自己对这门课的设计都应经忘记了七七八八，而且对很多的芯片的功能都不是很清楚。在拿到实验器材的第二天，我们寝室就组织一起找出了上学期的数电课本和以前的实验报告。在熟悉了相关的数电和模电知识后我们才开始正式着手这次的课程设计。
本次课程设计中戴老师没有给出我们电路图，所有部分的电路都需要我们根据已经拥有的元件去自行分析设计。在设计电路图期间，我们小组在网上查阅了很对相关的资料。可是网上的资料毕竟是有限的，她们使用的元件跟我们所要用的元件是完全不同的。比如网上的资料中脉冲都是使用555芯片制作的，可是我们需要用迟滞比较器来制作脉冲。面对这种状况，我们选择了分工合作的方式来进行这次实验。黄洁同学负责用TL082设计秒脉冲发射器电路，罗才胜负责用74LS192设计定时器电路，我负责用74LS74设计控制器电路。在最开始的三天时间里，我们三个人每天宅在寝室。因为在课程设计的这段时间中，我们还有一次单片机的考试，因此我们想经过几天高强度的工作来早点完成这次课程设计。这三天里，我们每天熬夜到凌晨3点钟，最终我们在单片机考试前完成了交通灯所有电路的软件仿真。可是仿真的情况并不是十分乐观，交通灯的时间和灯的亮灭之间还是存在一些大大小小的问题。在考试结束后，我们又继续对Multisim中仿真好的电路进行调试和修改。在对控制电路和定时器电路进行一番修改后，我们终于能够完整的仿真出我们想要的实验结果。
然后我们要做的是连接面包板，面包板我们以前有接触过，可是它具体的内部构造我们并不是很清楚。对此，我们将面包板的各个部分都拆了下来。在看过以后，我们才明白原来面包板的原理就是空和空之间的串并联。在连接面包板的时候我们也遇到了一些困难，比如由于芯片位置摆放不当导致连线比较繁琐。在面包板连接完成以后，我们对整体电路进行了检验和修改。第一次检验时，我们发现七段数码显示管亮灯可是不计时。我们对秒脉冲发射器进行了检验，发现电路存在问题，修改完电路后我们又继续进行电路检验。在检验期间我们不断发现问题，不断修改电路直至整个电路达到完善。
这次课程设计历时两个星期。经过这次课程设计，我发现了自己很多知识的漏洞，发现自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急需提高。在连接电路之前，由于对芯片不熟悉，我们必须查阅各个芯片的引脚图，知道一个芯片共有几个引脚，哪个引脚该接什么。虽然查阅的时候我们感觉十分麻烦，可是在查阅的时候我们也加深了对这个芯片的认识。
我还认识到无论在什么时候都不能急躁。看到其它同学提前完成设计了，不要急躁；当找不到问题所在处时，也不要急躁。总而言之，就是得静下心来，不急不躁，慢慢检查，慢慢体会。我们总能找到自己的问题在哪里，只要不放弃，我们就一定能做出自己满意的电路。
本次课程设计也让我加深了对电子线路基本知识的理解，提高了我灵活运用所学知识的能力，增强了我查阅手册、图表和文献资料的自学能力。同时我也初步学习到了关于课程设计的基本方法、步骤和撰写设计论文的格式。
经过这次课程设计，我想说：为完成这次课程设计我们确实很辛苦，但苦中仍有乐。还记得做仿真那些天，我们弄到凌晨3点多，但仍无睡意。这些日子里，从设计到仿真，从仿真到面包板连接，再一直到电路检验的完成，我们经历了很多。在这期间，我们学到了很多，也收获很多。对我而言，知识上的收获固然重要，但精神上的丰收更加可喜。只要努力过，就一定有收获。

致 谢
在论文完成之际，我的内心是十分激动和喜悦的。本次课程设计历时半个月，在设计期间，我首先要感谢我的指导老师同时也是我的模电老师，戴璐平老师。在实验设计中我们遇到了很多困难，戴老师对于我们的问题无论简单还是复杂，都会给出我们相应的解决方案，也为我们讲解了相关的知识。
其次我要感谢我的小组成员黄洁和罗才胜同学，感谢你们在实验设计中提出的各种不同的想法，我很荣幸这半个月的课程设计有你们相伴。
然后我还要感谢和我们选取同一个课程设计的同学，感谢你们在实验室对我们的实际电路中存在的问题提出了你们的看法。是你们的看法才让我们的实验变得更加有趣，让实验室也增加了一丝乐趣。
另外我还要感谢院领导对我们的支持，为我们开放了实验室。最后我还要感谢我的父母，感谢你们对我无时无刻的关怀和支持。在这里请接受我诚挚的谢意，谢谢你们。

参考文献
[1] 宋卫海，杨现德，数字电子技术，北京大学出版社，
[2] 许小军，数字电子技术实验与课程设计指导，东南大学出版社，
[3] 朱勇，数字逻辑，中国铁道出版社，
[4] 林春方,数字电子技术实验实训指导教程，安徽大学出版社,
[5] 阎石，数字电子技术基础 第四版，高等教育出版社，

附录 主要芯片使用
元件序号
型号
主要参数
数量
1
TL082

1个
2
74LS192

2个
3
74LS08

1个
4
74LS04

1个
5
74LS74

1个
6
CD4511

2个
7
C1
1μF
1个
8
R1
5kΩ
1个
9
R2
10kΩ
2个
10
R3
20kΩ
4个
11
R4
1kΩ
1个
12
R5
100Ω
6个
15
发光二极管
红
2个
16
发光二极管
黄
2个
17
发光二极管
绿
2个
18
七段数码管

2个
19
面包板

1个