交通灯设计报告.doc

湖南人文科技学院课程设计报告课程名称： 电子技术课程设计设计题目： 交通灯控制电路 系 别： 通信与控制工程系 专 业： 班 级： 学生姓名: 学 号: 起止日期: 指导教师: 教研室主任： 指导教师评语： 指导教师签名： 年 月 日成绩评定项 目权重成绩1、设计过程中出勤、学习态度等方面0.22、课程设计质量与答辩0.53、设计报告书写及图纸规范程度0.3总 成 绩 教研室审核意见：教研室主任签字： 年 月 日教学系审核意见： 主任签字： 年 月 日摘 要交通灯控制电路是为了解决现代社会交通拥堵及易发交通事故，规范驾驶者的行车规则而设计的。我们做交通灯控制系统电路是将所学习的理论知识用于生活实际，进一步深入理解和掌握555定时器，74LS193计数器,74LS138，等电路元器件的工作原理和作用。本文着眼于目前普遍应用在城市道路上的交通灯控制系统，从课程设计的题目要求出发，设计了一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路。首先进行交通灯状态变换的分析和交通灯总体框架的设计，接着提出了2种电路设计方案，通过优劣比较后选定了方案2：先设计让倒计时显示器按规律运行的电路，再通过倒计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换。电源采用5V的直流电。1Hz脉冲由555定时器产生，用两块74LS193实现倒计时，一块显示十位，一块显示个位，用2个D触发器74HC74实现50s，40s，5s时间的转换；利用倒计时电路控制4个状态。最后通过74LS138和相应的逻辑门实现对交通灯亮灭的控制。关键字：交通灯，控制电路，电路设计，倒计时，定时，状态变换 目 录1、设计要求与目的11.1设计要求11.2设计目的12、方案比较及电路工作原理22.1方案比较及优选22.2方案二电路图原理如下22.2.1脉冲电路42.2.2 倒计时电路52.2.3状态控制电路72.2.4 灯显示电路83、PCB版制作与调试104、电子元器件清单115、课程设计结论、心得及建议12致谢12参考文献13交通灯控制电路1、设计要求与目的1.1设计要求设计一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路。要求如下： （1）南北方向（主干道）车道和东西方向（支 干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为50s、支干道每次通行间为40s； （2）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用倒计时的方法）； （3）在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5s钟，才能变换运行车道； （4）黄灯亮时，要求每秒闪亮一次； （5）同步设置人行横道红、绿灯指示。 （6）设计相关提示：所设计的交通路口为一十字路口，不涉及左右转弯问题。1.2设计目的通过此次交通灯控制电路的设计，调制电路与PCB板的制作，了解常用电子电路设计的思路与过程，要求学会怎么通过PROTEL DXP绘制电路原理图，通过原理图导入成PCB图，以及PCB板的制作流程。同时，掌握交通灯控制电路的基本原理，其所涉及的通过555定时器产生秒脉冲信号，译码转换电路控制红绿灯的转换，利用加减计数器对时间的控制， 我们应该通过此次设计举一反三，学会了利用逻辑门电路与D触发器实行状态的转换和红绿黄交通灯的控制。2、方案比较及电路工作原理2.1方案比较及优选从交通灯控制电路功能模块框图可知在倒计时电路，状态控制电路，灯显示电路这三块电路产生设计分歧。所以实现交通灯控制电路可以有2种方案：(1)先设计出让交通灯按4种状态循环变换的灯显示电路，再通过灯的状态控制倒计时显示器的显示的功能；(2)先设计让倒计时显示器按规律运行的电路，再通过倒计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换；方案1，2均符合设计的要求，但通过具体实践和分析方案1显示电路需要比较多的芯片，其电路不是太复杂，但是过程比较繁琐。而方案2让显示电路来控制灯的发亮，这样显示电路就不受其他信号的影响，并且通过显示电路来控制交通灯的状态变换比较容易。综上所述，选择方案2来设计具体的电路。2.2方案二电路图原理如下原理方框图如下脉冲电路倒计时电路数码显示状态控制电路灯显示电路电路电源电路5V交通灯控制电路二2.2.1交通灯控制状态分析：交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，分别为： 状态0：东西方向车道的绿灯亮，车道，人行道通行；南北方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行。 状态1：东西方向车道的黄灯亮，车道，人行道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行； 状态2：东西方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道，人行道通行； 状态3：东西方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道，人行道缓行；4种状态循环往复，并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。交通灯电路的具体运行状态框图如图2.1(人行道交通灯未标明)所示：北交通灯状态图图2.2.22.2.1脉冲电路利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出1Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。定时器连接图 图2.2.3表1 555定时器功能表输入输出阀值输入()触发输入()复位()输出()放电管T00导通11截止10导通1不变不变根据功能表和电路图计算如下：取R1=47kW，R2=47 kW，C1=0.1uF。即可实现输出1Hz的矩型方波。值得注意的是，在输出端接上了一个开关，可以控制系统工作的开始和暂停。输出脉冲波形图如下图所示：脉冲输出波形图2.2.2 倒计时电路十字路口要有数字显示，作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每s减1的计数方式工作，直至减到数为5和0，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。根据题目的要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支 干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为50s、支干道每次通行时间为40s。也就是一个循环是90s，如此先显示50s后显示40s倒计时，然后再显示50s倒计时，以此类推。设计时采用两块74LS193，一块是显示十位，一块是显示个位。个位接成十进制，从9开始倒计时，当到达0时，向高位发出一个借位信号，再继续从9倒计时。一开始使十位数置数为5，二进制为0101，个位数为0，二进制为0000，此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端，十位的74LS193芯片倒计时一次，结合个位的设置，电路从50开始倒计时。当主车道绿灯亮了45s，倒计时也已经数到了5了，此时，个位显示5，十位显示0，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始倒计时闪亮5s，当倒计时到0后，个位芯片74LS193发出一个借位信号，向高位借数，但是高位已经是0了，按照要求此时十位应该是从0翻转4，即二进制0100，为了实现这功能，通过研究十位的二进制数发现，十位的二进制是从0101、0100、0011到0000计数完，翻转为二进制0010，然后从0010、0001到0000倒计时，当到0000后就结束一个循环，又从0011开始新的一个循环。从二进制0011和0010两个不同的预置数，发现可以用1个D触发器74LS74接成T触发器并把Q端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能。高位产生借位信号时将Q端的信号置入，当这个借位信号（低电平）消失后，产生一个上升沿的脉冲信号，使T触发器翻转然后保持，下一个借位信号来时就把此时的Q值置入（此时Q值为原来的非，即由0变1或由1变0），然后翻转。通过以上置数方式可实现0011和0010的交替置入。另外，通过在特定时刻（倒计时高位由0000变为0010后）对T触发器进行清零，可实现主次干道通行时间的调整。最后将电路的倒计时接到译码器74HC4511，再接到共阴极数码显示管上显示十进制数字。据此画出倒计时电路如图3.5所示：倒计时电路图图2.2.42.2.3状态控制电路如图2.1，用倒计时控制灯的变化，先将图示状态0、1、2、3编码为00、01、10、11，当倒计时为50、40、5的时候产生一个信号给状态转换的电路，而这个信号是电平信号的话就很难实现，所以又用了边沿触发，此时用计数器表示状态，取其低两位的计数态00、01、10、11为灯的状态，这样的话，来一个边沿信号就能使计数器加一，实现上述四状态转换。画出状态控制电路信号转换表如表2所示：表2 状态控制电路信号转换表高位低位状态转换信号CP（）010100000100000000000101由表得出CP（）的表达式：CP()=(Q6()+Q4() Q2()Q1()Q0()+Q6()+Q4()电路图如图：控制状态图 图2.2.52.2.4 灯显示电路首先要把控制的脉冲接入计数器74LS193的非减数的脉冲端，因为脉冲主要有四个，四个为一个循环，只取计数器的低位两位即可，除了让计数器工作的接入端需要接电平外，其他端都不用接，再将计数器的低两位接入译码器74LS138的低位两端，从译码器输出四位、信号，低电平有效，每一种低电平表示一种状态，用、表示主干道的绿灯、黄灯、红灯，用、表示支干道的绿灯、黄灯、红灯，用、表示主干道方向上的人行道，用、表示支干道上的人行道，得出状态表如表3所示。表3 灯显示电路状态表状态译码信号主车道支车道主人行道支人行道 0011101 0 00 0 11 00 10111010 1 00 0 11 00 11010110 0 11 0 00 11 01101110 0 10 1 00 11 0由表得个各个灯的表达式：=+=+=+=+=为了让黄灯能每s闪亮一次，可以在黄灯那里加入一个与门，把黄灯发亮的信号当成是与门的开通信号，与门的另一端接入时间脉冲，那么黄灯就可以实现每s闪亮一次的功能了。画出灯显示电路如图3.7所示：灯显示电路图图2.2.63、PCB版制作与调试1、PCB设计。PCB板的制作是运用Protel DXP软件来绘制，利用DXP制板的基本流程：准备原理图，设置PCB设计环境，载入网络表，并纠正网络表的宏错误，布线规则设置，布线，PCB的优化，DTC检查，保存文件与输出。准备原理图：根椐所画的电路图，在元件库中查找到所要求的元件符号，在DXP中绘制出原理图，在选择元件的时候特别要注意元件的封装是否符合所需的封装要求。布线设置主要设置线宽为40mil、孔大小为0.8mm，采用底层布线，其他为默认设置。布线采用单面板布线。布线原则：逻辑清晰、接线牢固、测试方便、美观大方。PCB的优化主要设置焊盘的大小与某些线的宽度及布线的路径。焊盘一般采用方框为78.74mil39.37mil。DTC检查的主要任务是对先前的设计规则进行检查,查看是否有违反规则的地方,如实际线宽是否比规则设置中的最大值还大或小,是否还存在没有彻底布通的网络等。保存文件与输出是保存设计中的各种文件，并打印输出，包括PCB文档、元件清单等。设计工作结束。打印时可以把孔打印成实心，可以自己控制孔的大小方便打孔。2、热转印，通过打印机PCB图打印到热转印上，然后选择大小合适的铜板，将铜板表面打磨干净之后，用带有PCB图的那一面同铜板贴紧，经过热转印机，温度约120度，转印三次，即把热转印纸上的PCB图转印到铜板上。3、腐蚀，腐蚀这一过程是电路板成功的关键，将腐蚀液倒入腐蚀机加热至75度后，将已经热转印的铜板放入腐蚀机进行腐蚀，腐蚀时间约一分钟即可。拿出洗净后如果没有发现断线、短路等情况即可。4、焊接元件，根据原理图，在PCB板上焊接元件。焊接时要特别注意不要出现在虚焊、短路等，元件的正负极反接、错接。4、电子元器件清单元器件数量开关3发光二极管（红4个，绿4个，黄2个）102位共阴极数码管214 脚管脚716 脚管脚58 脚管脚 1电阻（47K）2电阻（100K）2555 计数器174LS193374LS0414511274LS00274LS74174LS138174LS32174LS201二极管14电容（0.1uf、0.01uf）各一个导线若干5、课程设计结论、心得及建议经过近三个星期的课程设计，我们组的成员都充分认识到理论知识和实践结合的重要性。经过近两年的理论基础的学习，我们成功的将理论运用如实践，并成功的制作出PCB板，在设计中，组员之间的相互配合和分工是尤其重要的，同时整个团队的合作意识是本次设计成功的关键因素。此次设计的成功涉及的因素主要有：（1）各成员对其相关部分的知识掌握程度；（2）对实验流程的掌握及实验中可能会出现的不协调的因素的推测； （3）与老师的协商及对实验元件的了解；（4）通过仿真软件对设计电路进行仿真。此次课程设计持续的时间长，对组员的耐心是一种极大的考验，同时学校的支持力度也应该加强，而不应该对学生的提问表示不解，对有些元器件的可能的缺少要及时的给予指导，当然学生也要积极的配合老师的工作，根据学校所能提供的元件对方案进行适当的修改，努力将自己所学的知识尽可能的运用到对方案的设计中去。6、致谢致 谢感谢学校给我们锻炼的机会，感谢老师们的指导，在组员们的努力下，和同学们的互相帮助，互相启示，最终设计出电路来，非常感谢在过程中帮助过我们的每一个人！ 在电路设计和论文写作的