交通信号灯控制器设计报告

中国农业大学课程论文（20072008学年第二学期）论文题目交通灯信号控制器课程名称电子技术任课教师冯磊班级电子061学号0608140502姓名于一鸣成绩交通灯信号控制器设计报告于一鸣中国农业大学信息与电气工程学院电子061班摘要交通灯是人们生活中常常见到的一部分。不同的交通灯，变化规律会有很大差别。本项目设计的交通灯控制器规律典型，通用性好，稍加更改即可广泛应用在各大街道交叉口。它使用市面上广泛应用的40系列芯片作为主要元器件，成本低、性能优良；算法简单优化，干扰小，不易出现逻辑错误。本文主要介绍了该交通灯控制器的设计思路、原理和方法，仿真和实际测试、分析，设计心得体会以及竞争冒险现象的检测和排除等内容。关键字交通灯交通灯控制器MULTISIM竞争冒险现象一、设计任务及要求1、用两组红、绿、黄发光二极管作信号灯，分别指示主道和支道的通行状态。2、通行状态自动交替转换，主道每次通行30秒，支道每次通行20秒，通行交替间隔时间为5秒。3、通行状态转换依照“主道优先”的原则，即当主道通行30秒后，若支道无车则继续通行；当支道通行20秒后，只有当知道有车且主道无车时才允许继续通行。（用按键模拟路口是否有车）4、设计计时显示电路，计时方式尽量采用倒计时。二、总体方案设计1、系统原理该电路为时序逻辑与组合电路的结合。主控部分为时序电路，状态表示主道、支道亮灯的情况，时钟来自计时控制部分的反馈；路灯显示与计时显示部分为组合电路，由主状态经过既定逻辑控制；时基电路是基于555的多谐振荡器，作为计时控制电路的时钟。2、原理框图主控电路译码驱动电路绿黄红绿黄红置数电路计时控制电路译码驱动电路计时显示电路时基电路反馈控制电路主干道支干道三、单元电路设计1、主控电路部分1基本原理对设计要求分析后可得，电路的主状态共有四种（详见下），故选择两个状态变量，通过两个触发器控制。21状态数422变量个数22状态选择主干道支干道00绿红01黄红10红绿11红黄主状态Q1Q2主干道支干道00无车无车01无车有车10有车无车11有车有车通车情况X1X23状态转换图Q1Q2表示主状态，X1X2表示通车情况4卡诺图00011110000101010101110101100101112Q1Q2000111100000010110001110011000012212112212道路状态00011011000100010110XX0XX001001011Q1Q2X1X2道路状态Q1Q2X1X2Q1Q2X1X25芯片选择触发器个数变量个数2观察特征，决定选用双JK触发器CD4027Q1、Q2JK触发器特性方程为1212221121K216主控电路图2、交通灯控制电路部分1真值表Q1Q2主绿G主黄Y主红R支绿G支黄Y支红R001000010101000110001100110010102逻辑表达式GQ12121121213电路图3、计时电路部分1计时控制电路考虑到倒计时即便于设计又更符合大众习惯，同时又要便于控制，我们选用了两块CD40192十进制加减计数器作为计时控制芯片。它具有置数、置零等多个使能端，同步时钟，加减双向等特点，十分符合题目要求。ACD40192时序图BCD40192性质分析I置数端CLEAR低电平有效，置零端LOAD高电平有效，两者皆无视时钟，有效后计数输出立即变化。II计数输出上升沿触发，借位端BORROW下降沿触发。III借位端在上升沿一定变成高电平。2译码驱动及计时显示电路实验室提供了共阴极七段数码管和CD4511BCD7SEG译码器作为驱动芯片。注意必须添加限流电阻进行电流控制。R限55166153电路图4、反馈控制电路部分1基本原理将十位的CD40192的借位端引出作为反馈信号，控制置数与否及主控电路的时钟。反馈控制部分控制电路的正常运转，需结合整体综合考虑，因素较多，是设计难点和重点。2置数反馈逻辑由于借位端与置数端都是低电平有效端，所以只需将借位端引出直接接入置数端即构成置数反馈逻辑。3主控时钟反馈逻辑由于借位端在计数器持续置零时呈现高低电平交替输出的状态，故可引出直接接入JK触发器时钟端作为时钟信号。4电路图见附录一5、置数电路部分1基本原理四种主状态与置入计数器的数呈一一对应关系。结合反馈控制部分，我们发现，由于芯片的延时效应，当主控时钟上升沿到来，主状态发生变化时，置数信号已消失。所以需要用前一时刻的主状态给后一时刻置数。观察得，当时，主状态有可能保持不变；当时，电路黄灯，下一状态必然Q20Q21发生变化。因为，所以当时，电路将保持原状态。21J20Q20202真值表Q1Q2J2置数2D2C2B2A1D1C1B1A000000000000001500000101011200010000010000000000010150000010111130001100003逻辑表达式2D2C1D1B02BQ22121C1AQ224电路图见附录一6、时基电路部分1基本原理实验室提供了NE555芯片。所以我们用555、电阻、电容构成多谐振荡器。2电路原理图3周期计算A周期公式T1221LN2B电阻、电容参数计算选C1100F，R1112121LN211211000691675选R2684波形仿真（频率扩大1000倍）四、MULTISIM仿真及结果分析1、仿真电路图见附录一2、结果分析1定态分析指计数器不等于零，主状态不发生变化。A测试方法因为主、支路都有车时，主状态不存在保持的情况，因此令即可。121B测试结果主道亮灯支道亮灯计数器变化是否正常GR300正常YR50正常RG200正常RY50正常2动态分析指计数器由零重新置数，主状态发生变化或保持。A测试方法对不同的主状态、不同的车辆情况分别测试。B测试结果主道亮灯支道亮灯X1X2变化/保持计数器变化是否正常00/10保持保持0正常0001/11变化05正常01XX变化020正常01保持保持0正常1000/10/11变化05正常11XX变化030正常五、电路的组装和调试1、使用的主要仪器和仪表15V电源2示波器3万用表2、问题、原因、排除方法和技巧1时基电路输出信号的时基问题A原因示波器的扫描信号在低频1HZ时不准确，使频率的测试结果发生假错误。B解决方法用秒表测试高低点平变化的周期即可2计数器保持在0时刻不变化A原因焊接过程中，由于导线粘连，导致置数电路中非门来自J2的输入信号与地线短路，使得置数信号恒为零。B解决方法I接通电路，当电路出现错误计数器保持在0时刻时，用万用表逐一测试各主要端口的电压是否正确，发现置数部分的与门输出不正确为0；测试该与门的输入，发现来自J2的信号不正确；测试J2信号的源，全部正确。II断开电路，用万用表二极管端测试J2信号与其他端口的短路情况，发现与地线短路。3、测试数据及分析同仿真部分。排除错误后，测试结果全部正确六、电路所用元件功能单元功能单元数量元件/对应芯片元件/芯片数量与门7CD40812或门2CD40711非门1CD40691JK触发器2CD40271十进制加减计数器2CD401922BCD共阴极7SEG译码器2CD451125551NE5551一次性电路板1共阴极数码管2发光二极管6510电阻201K电阻168K电阻1100F电容110F电容1单刀双掷开关2各类芯片座若干导线若干总计（芯片数/总数）10/45七、心得体会1、关于电路设计方法1刚拿到题目，也许会感到无从下手。这时应该将复杂的电路分成若干相互独立的部分，形成独立模块。分别设计每个模块会简单很多。2主控部分状态变量和状态数量的选择是一个很有难度的事情，不同的主状态可能会使电路发生重大变化。我认为应该尝试不同的状态变量和状态数量，结合电路其他部分挑选出最合适的主控电路；不应该局限于一种主状态。3保证电路简单化是成败的关键。方法只有一个，不断优化。2、关于时序分析1时序分析可以说是电路设计最费时费力的部分。上升沿、下降沿这种动态变化分析起来比较困难，加上时延等复杂因素，使得大部分时间和精力都消耗这里。2信号经过每一块芯片，都会发生不同程度的时延。延时的大小在芯片资料上可以查到。电路设计到后期，应该考虑各信号尤其是主信号和反馈信号的时延情况。时延测试电路1MS/格看不出有时延100NS/格时延清晰可见3、关于竞争冒险现象1本电路的设计过程第一次使我意识到竞争冒险现象的严重性。有些电路逻辑上正确，但结果就是不对，原因很有可能是竞争冒险现象。2测试方法将怀疑有问题的结点接入多通道示波器，在主状态发生变化时暂停电路并放大示波器的X轴至100NS级，观察状态变化的先后即可发现竞争冒险现象。1MS/格竞争冒险使输出出现尖脉冲100NS/格尖脉冲放大B、C为或非门输入，A为其输出3解决方法将存在竞争冒险现象的信号接入数个门电路进行延时。200NS/格对B进行延时，成功解决竞争冒险现象八、改进意见1