交通灯控制设计A课程设计样本.doc

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目录
1 选题背景······························································1
1.1 指导思想························································1
1.2 方案论证························································1
1.3 设计任务与要求··················································4
1.4 电路特点························································4
2 电路设计······························································4
2.1 总体方框图······················································4
2.2 工作原理························································4
3 各主要电路及部件工作原理··············································5
3.1 NE555构成多谐振荡器·············································5
3.2 74LS192和74HC153部分···········································6
3.3 主控制器························································6
3.4 译码电路························································7
4 相关计算······························································8
4.1限流电阻计算·····················································8
4.2时钟信号产生·····················································8
5 总原理图······························································8
6 元器件清单····························································9
7 调试过程及仿真结果····················································9
7.1未通电检查·······················································9
7.2 通电检查························································10
7.2.1 NE555单元调试·············································10
7.2.2 发光二极管单元调试········································10
7.2.3 脉冲选通信号调试··········································10
7.2.4 状态循环电路调试··········································10
7.3 结果分析························································10
7.4 小结····························································10
8 设计体会······························································11
参考文献资料····························································12

1 选题背景
随着社会的发展, 交通成了现代不可缺少的一部分。人们的日常生活中, 处处都离不开交通。交通问题能够说是人们关注的热点。那么如何控制管理交通呢? 这就用到了交通信号灯控制。如何采用合适的控制方法, 最大限度利用道路, 缓解交通拥挤的状况等, 交通灯可谓是必不可少的。本次课程设计, 需要利用所学知识来模拟出交通灯控制, 设计主干道方向45秒, 支干道方向25秒, 黄灯过度5秒的交通灯控制信号电路, 其中红灯为禁止通行, 绿灯为允许通行, 黄灯为停止通行。
1.1 指导思想
由NE555产生脉冲, 再由计数器74LS192( 异步清零) 计数产生计时信号, 分别按45秒、 5秒、 25秒、 5秒的顺序依次输入到74HC153的输入端D0～D4, 经过对74HC153的选择端置数对输入端选择输出, 依次输出D0～D4, 即依次在经过45秒、 5秒、 25秒、 5秒时产生脉冲信号, 产生的脉冲信号从74HC153的同相输出端输出作为以74LS192和74HC138构成的四个状态循环电路的脉冲信号,而74HC153的反相输出端则作为74LS192的清零信号, 即每输出一个计时信号74LS192就清零一次, 重新计时。同时利用74LS192的输出端的低两位作为74HC153的控制端的低两位信号, 而74HC153的最高为控制信号接低电平, 从而实现D0～D4的选择输出, 即实现了四个状态的倒计时循环控制。
1.2 方案论证
方案一: 由555产生5秒脉冲, 输入到74LS192的CLK端构成80s的计时器, 再经门电路译码输出45秒、 50秒、 75秒、 80秒的信号经或门作为以74LS192和74HC138构成的四个状态的循环电路的脉冲信号。
方案一特点: 门电路多易于发生竞争冒险, 译码部分复杂, 连线多, 不便于检查。
其原理图如下( 见下页) 。
图1-2( 1) 方案一原理图

方案二: 由555产生5秒脉冲, 由计数器74LS192( 1) 计数产生计时信号。从计数器的输出端输出的计时信号经门电路再经74HC153对其进行选择依次在经过45秒、 5秒、 25秒、 5秒时产生的同相输出信号作为以74LS192(2)和74HC138构成的四个状态循环电路的脉冲信号。
方案二特点: 电路所需元器件少, 连线简单, 所需门电路少, 前后联系紧密, 便于检查, 其原理图如下。

图1-2( 2) 方案二原理图

综合方案一二考虑, 方案二简单易行, 而且方案二可实现倒计时, 因此采用方案二。
1.3 设计任务与要求
设计一个交通信号灯控制器, 由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口, 在每个入口处设置红、 绿、 黄三色信号灯。红灯亮禁止通行, 绿灯亮允许通行, 黄灯亮则停止行驶( 给行驶中的车辆有时间停在禁行线以外) 。具体要求如下:
( １) 用红、 绿、 黄发光二极管作信号指示灯。
( ２) 主支干道交替允许通行。主干道每次放行45秒, 支干道每次放行25秒。
( ３) 在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中, 要亮5秒钟的黄灯作为过渡。
1.4 电路特点
本实验电路采用NE555定时器对电路输入5秒的脉冲, 所产生的脉冲信号与计数器74LS192(1)合作构成定时器。计数器选择74LS192, 是因为74LS192是同步十进制可逆计数器, 可实现倒计时。计数器的输出端经门电路再经74HC153对其进行选择依次在经过45秒、 5秒、 25秒、 5秒时产生的信号作为以74LS192(2)和74HC138构成的四个状态循环电路的脉冲信号, 从74HC138输出的信号控制LED信号灯相应状态的转换。
2 电路设计
2.1 总体方框图
根据课程设计要求, 交通灯控制系统主要由秒脉冲信号发生器、 定时电路和控制电路及译码电路组成, 原理框图如下图2-1所示, 秒脉冲发生器是该系统计数电路的标准时钟信号源。

计 时 器

支干道信号灯红 绿 黄

控制部分

时钟信号
主 控 器
译 码 电 路

主干道信号灯
红 绿 黄

图2-1 原理框图
2.2 工作原理
由555产生5秒的脉冲, 输入到74LS192( 1) 的CLK端计数, 计到10( 即45s) 时, 由门电路送到74HC153的D0端, 此时门电路的控制端对D0选通, 经过74HC153的输出端输出, 输出的信号作为第二片74LS192( 2) 的时钟信号源从而实现计数, 74LS192(2)的输出端的部分状态信号送到74HC138进行部分译码控制LED的状态。这里面所有的状态转换都是由脉冲实现, 分别是在依次经过45s、 5s、 25s、 5s这四点给脉冲。脉冲过后, 对74LS192进行异步清零。具体信号灯状态转换关系如表1所示.
( 1) 主车道绿灯亮, 支车道红灯亮。表示主车道允许通行, 支车道禁止通行。规定时间为45秒。控制器发出跳转信号ST, 转到下一工作状态。
( 2) 主车道黄灯亮, 支车道红灯亮。表示主车道上停止通行, 支车道禁止通行。规定黄灯亮5秒, 控制器发出跳转信号ST, 转到下一工作状态。
( 3) 主车道红灯亮, 支车道绿灯亮。表示主车道禁止通行, 支车道允许通行。规定时间25秒。控制器发出跳转信号ST, 转到下一工作状态。
( 4) 主车道红灯亮, 支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行, 支车道停止通行。规定黄灯亮5秒, 控制器发出状态转换信号ST, 重复运行( 1) 状态。
以上四种状态均由控制器控制。设控制器的四种状态编码为00、 01、 10、 11, 并分别用S0、 S1、 S2、 S3表示, 则控制器的工作状态及功能如下所示:
S0 主绿灯亮, 支红灯亮
S1 主黄灯亮, 支红灯亮
S2 主红灯亮, 支绿灯亮
S3 主红灯亮, 支黄灯亮
3 各主要电路及部件工作原理
3.1 NE555构成多谐振荡器
NE555能够构成一个多谐振荡器并产生一个5秒脉冲。其工作原理为: 接通电源, 由于电容电压不能突变, 因此高低电平端<1/3VCC, 触发器置1, 此时定时器内部放电三极管截止, VCC 向电容充电, Uc逐渐升高。当其上升到1/3VCC 时, 定时器输出高电平。当其上升到2/3VCC 时, 定时器输出低电平。当电容放电时, Uc按指数规律下降, 当到2/3VCC 时, 状态不变。当下降到1/3VCC 时, 定时器输出高电平, 重复上述状态。本次设计我们要的周期是5秒, 频率是0.2Hz。周期T能够由下面的公式可知:
T＝(R1+2R2)Cln2 (3-1)
其中R1=R2=47KΩ,C1=10μ,C2=0.01μ, 把数据带入T=(R1+2R2)C1ln2, 得T=5s, 即周期为5秒, 输出0.2Hz的信号, 电路如图3-1。

555_VIRTUAL
GND
DIS
OUT
RST
VCC
THR
CON
TRI
VDD
5V
R1
47kΩ
R2
47kΩ
GND
C1
10µF
C2
0.01µF

图3-1 555构成多谐振荡器连接图
3.2 74LS192和74HC153部分
我们采用异步置零的方法, 使74LS192( 1) 在经74HC153将计时信号选通输出一次就清零一次再从新开始计, 从而使74HC153实现依次在经45s、 5s、 25s、 5s输出端输出脉冲信号。其连接如图3-2所示。

VDD
5V
GND
U1
74HC161D_4V
QA
14
QB
13
QC
12
QD
11
RCO
15
A
3
B
4
C
5
D
6
ENP
7
ENT
10
~LOAD
9
~CLR
1
CLK
2
U2A
4081BT_5V
U2B
4081BT_5V
U3
74HC151D_4V
~W
6
D0
4
D1
3
D2
2
D3
1
D4
15
D5
14
D6
13
D7
12
A
11
C
9
B
10
Y
5
~G
7

图3-2 选通控制电路
3.3 主控制器
主控电路是整个的核心, 其实它是由前一部分脉冲信号的选通控制电路和后一部分四个状态循环电路的部分电路组成, 它的输出信号经译码后分别控制主干道和支干道的三个信号灯。
主干道和支干道的三种灯( 红、 黄、 绿) , 正常工作时, 只有4种状态:
1)主干道绿灯亮支干道红灯亮S0: QBQA=00 控制器等待45s时钟信号的到来。
2)主干道黄灯亮支干道红灯亮S1: QBQA=01控制器等待前一状态后5s时钟信号的到来。
3)主干道红灯亮支干道绿灯亮S2: QBQA=10 控制器等待前一状态后25s时钟信号的到来。
4)主干道红灯亮支干道黄灯亮S3: QBQA=11控制器等待前一状态后5s时钟信号的到来。
3.4 译码电路
选用计数器74LS192( 2) 来实现, 则其输出状态编码与车道状态的对应关系为S0=0000, S1=0001,S2=0010,S3=0011(输出的编码从左至右分别为QD、 QC、 QB、 QA )。经过信号灯与车道状态的关系可进一步得到, 计数器输出状态编码与信号灯状态的对应关系如下表所示。
表 1 状态编码与信号灯状态关系表
QD QC QB QA
G1
Y1
R1
G2
Y2
R2
0 0 0 0
1
0
0
0
0
1
0 0 0 1
0
1
0
0
0
1
0 0 1 0
0
0
1
1
0
0
0 0 1 1
0
0
1
0
1
0
由表1能够得出信号灯状态的逻辑表示式:
G1= QAQBQCQD Y1=QAQBQCQD R1=QBQCQD
G2= QAQBQCQD Y2= QAQBQCQD R2=QBQCQD
车道状态由S0-S1-S2-S3的逐步转换, 就是计数器74LS192( 2) 减法计数的过程。
74LS192是一个十进制计数器, 但也能够当作四进制计数器来用, 此时只看74LS192输出的低两位QBQA, 其状态从00开始计数, 加至11后又返回00重新计数, 观察74LS192的功能表, 只需对74LS192( 2) 的低两位QBQA输出, 这样就能够实现上述变化。因此, 只需将74LS192( 2) 的输出端QB、 QA经过74HC138译码和门电路实现三种LED灯的四个状态变换。

图3-4 译码电路
4 相关计算
4.1限流电阻计算
由于74HC门电路的VOL(MAX)=0.33V, IOL(MAX)=5.2 mA;LED发光二极管正常工作时的电流为ID=3～20mA, 压降为VD=1.2～2.5V。当取VOL(MAX)=0.33V、 VD=2V时, 可计算出R=(VCC－VD－VOL(MAX))/ ID=513.4Ω.因此, 取R=520Ω。
4.2 时钟信号产生
如右图所示, 时钟脉冲产生电路是由NE555搭成的多谐振荡器。能够产生5秒的时钟信号。
由T=(R1+R2)Cln2=5,q=(R1+R2)/(R1+2R2)=2/3,取C=10μF,
可计算出: R1= R2=47KΩ。
故取C2=0.01μF C1=10μF R1= R2=47KΩ则 555的输出端即可产生频率为0.2Hz的脉冲。
5 原理总图

5-1 总原理图

6 元器件清单
表6-1 元器件清单
元器件名称
数量
配件
备注
NE 555
1

74HC161
1

74HC138
1

74HC153
1

74HC08(2输入与门)
1块( 内含4个与门)

实用4个与门
74LS192
2

减法计数器
74LS126
1

三态门
共阴极数码管
2

数码显示
LED 绿色
2

模拟绿灯
LED红色
2

模拟红灯
LED黄色
2

模拟黄灯
R电阻
47KΩ×2个

330Ω×6个

220Ω×14个

C电容
10uF×1个

10nF×1个

电路板
15×20

导线

排线与排针
焊锡

7 调试过程及仿真结果
7.1 未通电检查
未通电之前, 利用万用表检查各部分线路, 是否有短路、 断路、 虚焊等现象。将一个表笔放在接地处, 用另一表笔分别接触电路中应该接地的触电, 观察是否导通。若导通则进行下一个点的测量; 若未导通, 则继续焊接。再将表笔放置高电平处, 步骤相同。最后, 根据原理图, 检查是否有漏焊, 桥连现象, 方法同上述。用万用表可快速明了地对未通电前的电路进行检查。当基本检查完毕后, 装上元器件, 进行下一步上电检查。
7.2 通电检查
7.2.1 NE555单元调试
单独给NE555单元电路加+5V电压, 并将其输出端接在示波器上。调节示波器, 观察波形, 记录波形幅值和其它参数。NE555单元电路输出波形参数: 电压+5V, 周期5s。此单元电路无较大误差。
7.2.2 发光二极管单元调试
未接电源时, 二极管的正负极判断方法: 万用表打到二极管挡上, 然后用万用表的表笔分别接到二极管的两个极上去。当红表笔接触的是二极管的正极, 黑表笔接触的是二极管的负极, 即二极管处于正向接法时, 二极管导通, 阻值较小, 此时二极管发出微弱的亮光; 当黑表笔接触的是二极管的正极, 红表笔接触的是二极管的负极, 即二极管处在反向接法时, 二极管截止, 阻值很大, 此时二极管不发光。
7.2.3 脉冲选通信号调试
单独用信号发生器给74LS192与74HC153这个系统提供5秒的脉冲信号, 参考设计原理在不同的时间段给置数端置不同的电平, 将输出端口连接到示波器上观察输出信号是否依次在经过45秒、 5秒、 25秒、 5秒有脉冲信号输出。
7.2.4 状态循环电路调试
单独用信号发生器给74LS192提供1秒的脉冲信号, 观察LED灯的状态变化是否正常( 主緑支红→主黄支红→主红支绿→主红支黄→主緑支红……) 。
7.3 结果分析
整个电路联通之后, 给电路板加上直流稳压+5V, 电路开始运行, 主干道绿灯指示灯亮, 支道红灯亮, 45s主干道变为黄灯亮。5s后主干道红灯亮, 支干道绿灯亮。25s后支道变为黄灯亮, 5秒后又恢复到初始状态。
7.4 小结
该设计原理简单易懂, 连线简单, 设计中用到的门电路较少, 避免了门电路的竞争冒险出现以及连线出错的概率, 但前后各部分联系紧密, 不但在确保各部分电路调试正确, 还应确保各部分之间的连接正确, 在此情况下方可给系统通电调试, 各部分的调试也较为简单, 但部分电路的调试不必用到设计的5秒脉冲信号源, 这时只需用信号发生器给其供给一个周期较短的信号( 如1秒的脉冲信号) , 这样能够节约调试时间; 从总体设计到调试都较为简单, 方案易行。
8 设计体会
我这次课程设计前后约六周左右, 从设计原理图﹑焊接电路﹑电路调试, 错误检查, 到完成设计报告。由于第一次做, 因此对我来说十分困难, 几乎从零开始。首先是设计电路图。我们拿到的是交通灯设计, 算是比较简单的, 但对于我们这种一窍不通的人来说, 简直是比登天还难, 刚开始时这么认为的。于是我们查阅了大量的资料, 问了许多前辈, 终于将大致的电路图搞定了。但刚开始计数是正向计数, 根本不符合交通灯的要求。于是将原先设计的电路中74HC160部分换成了74LS192部分, 实现减法计数。但仿真时问题随之而来, 元件换完之后, 不是从45开始计数, 而是从100开始的。这让我们不知所措。无奈之下, 我们请教了老师。多方探索后, 加上了另外一个元件, 终于才开始正确计数。心里总算是松了一大口气。
原理图仿真正确后, 我们开始列元件清单并着手买器材。紧接着就是焊接了。刚开始拿到焊板, 根本无从下手。什么都不会, 连螺丝都不知道怎么装, 当时觉得完成这个作品是不可能的, 这怎么能成功呢。但还是开始焊接了, 初次焊接, 导线不是剪得太长, 就是太短, 经常是拿起电烙铁手就在发抖, 不知道如何焊下去。好不容易焊好了555区域, 却发现自己完全将引脚搞错了, 无奈只好重现开始。而重新开始却也不是一件容易的事。一连焊了几天, 慢慢地也就耐心了, 细心了。在焊之前, 我都对照着原理图一遍一遍的检查, 因为一旦焊错, 重新焊就难了, 特别是发生桥连现象的时候, 特别难处理。我好几次都将焊板焊黑了。焊点都不能用了, 无奈只能引出旁边的焊点。好几天之后, 才算全部完成。
在第三阶段调试电路中, 又遇到了瓶颈。原理图是没有错误的, 仿真也是正确的, 但一上电就是不能显示正确数字和灯。只好不断对照着电路图反重复复一遍又一遍地检查。一次一次, 发现了好多好多处错误, 比如线断了, 错焊了, 断路了等等。有时候看着我的电路板真的有些绝望, 这么多错误, 怎么可能正常运行呢, 但又想着不能放弃, 毕竟交通灯算是简单的课设了。别人都能够成功, 我也能够的。一连几周, 不断重复检查, 慢慢数字正确了, 有时候又灯正确了, 但还是不能完全正确。咬牙提醒自己, 还是不能心灰意冷。
回顾课设的过程, 能够学到很多很多东西, 同时也巩固了以前学过的知识, 而且学到了很多书本上所没有学到的知识, 经过这次课程设计使我懂得了理论与实践相结合是很重要的, 只有理论知识是远远不够的, 只有把所学的理论知识与实践相结合起来, 才能达到真正的学有所用, 才能体现所学知识的重要应用, 从而提高自己的实际动手能力和独立思考能力。
以上是我完成电子技术课程设计后的一些心得体会。在此感谢在这过程中给我帮助的同学, 以及给我悉心指导的老师。

参 考 文 献 资 料
[1] 阎石.数学电子技术基础(第五版).清华大学.高等教育出版社.
[2] 党宏社.电路、 电子技术实验与电子实训.陕西科技大学.