电工设计说明书 红绿灯4090105205 韩业飞

1、目 录1 前言12 Multisim简介33 设计要求与电路框图43.1 设计要求43.2 电路框图54 控制模块设计64.1 电源设计64.2 秒脉冲发生模块设计64.3 计数模块设计84.4 分频模块设计94.5 逻辑控制电路设计115 交通信号灯的仿真与调试145.1 电路的仿真145.2 交通灯完整功能的实现165.3 调试方法175.4 调试中出现的问题、原因分析及解决方法176 总结20参考文献21附录 器件明细表22附录 仿真原理图231 前言交通灯的发展史：19世纪初，在英国中部的约克城，红绿装分别代表女性的不同身份。其中着红妆的女人代表我已经结婚了，而着绿装的女人则是未婚者。

2、后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车扎人的事故，于是人们受到红绿装的启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在英国伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师师德.哈特设计，制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红绿两色的提灯煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲的牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面试23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。从此，城市的交通灯被取缔了。知道1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过这时已是“电气信号灯”。稍后

3、又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯（红黄绿三种标志）于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生使城市交通大为改善。 黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电气公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一声冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到了在红绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红黄绿三

4、色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。 中国最早的马路红绿灯，是于1928年出现在上海英租界。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化，自动化上不断地更新，发展和完善。技术基础是高等学校弱电类各专业的一门重要的技术基础课程。这门课程发展电子迅速、实用性和应用性强，侧重于逻辑行为的认知和验证。随数字着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、

5、交通信号灯控，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。同时也随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大

6、限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、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。以下就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分析讨论。本系统由控制器、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，555定时器输出脉冲信号，译码器输出两组信号灯的控制信号，控制电路控制定时器和译码器的工作，驱动电路驱动六只三色LED工作。最后用电路仿真软件绘制出红绿灯的完整电路图。对电子技术的学习起到了良好的辅助作用。2 Multisim的

7、简介EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的

8、主要技术手段。美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim 9软件就是这方面很好的一个工具。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作

9、者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim 10通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路;通过交互式SPICE仿真，迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；通过一个工具链，无缝地集成电路设计和虚拟测试；通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早

10、对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。3 设计要求与电路框图交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。为了加强道路交通安全，减少事故的发生，提高道路的使用效率，交通信号灯的设计尤为必要，同时，设计交通信号灯所应用的知识涉及范围广，通过设计可以牢固掌握所学理论知识，有利于电子技术的学习，将理论与实际有机联系起来，有利于对电子器件的功能和作用有更深入，更形象的理解。交通信号灯控制系统是典型的数字电路控制系统，通过该系统的设计和仿真，我们可以得到

11、数字及系统的综合训练。3.1设计要求1 信号灯白天工作要求某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以4秒(4=4*T,)作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟（白天点亮时的工作换灯流程图如图3-1所示）。2 夜间工作方式南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t南北方向红灯亮，东

12、西方向黄灯亮 1t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。图3-1 交通灯工作换灯流程图3.2 电路框图从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。其整体电路框图如3-2图所示：东西信号灯南北信号灯组

13、合逻辑电路十二进制计数器四分频器秒脉冲产生电路系统电源工作方式控制开关关图3-2 整体电路框图4 各控制模块设计根据交通信号灯的工作方式，设计电路分为电源模块、秒脉冲发生模块、计数模块、分频模块和控制电路模块五部分，这五个模块的详细设计如下。4.1 电源设计信号灯采用三极管9031驱动，其额定电流与额定电压应满足三级管的驱动能力，电源电压采用直流5V，通过变压器将市电降压到交流约10V，在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5V电压。直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课

14、设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。直流稳压电源原理图如图4-1所示：220V图4-1 直流稳压电源原理图4.2 秒脉冲发生模块设计由于黄灯点亮时按秒闪动，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555(图4-2是555定时器的原理图，图4-3是555定时器的引脚图)和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择

15、用555定时器组成多谐振荡器（如图4-4所示）：图4-2 555定时器的原理图图4-3 555定时器的引脚图1S 图4-4 用555定时器组成多谐振荡器根据周期与频率的计算公式：电源电压，其中电路图中C3的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01uf即10nf的瓷片电容。再次课程设计中要求输出T=1S，选取电容C2=1uf，R2=560k欧姆，根据震荡周期计算，选择电阻R1=430K欧姆。当元件选取完成后，根据电路原理图连接电路即可。4.3 计数模块设计由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红的时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制

16、计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS164（其引脚图如图4-5所示，功能表如表4-1所示）：图4-5 74LS164引脚图表4-1 74LS164功能表器原理表输入输出清零时钟串入RDCPABQAQBQCQDQEQFQGQHLLLLLLLLLHLQAOQBOQCOQDOQEOQFOQGOQHOHHHHQANQBNQCNQDNQENQFNQGNHLLQANQBNQCNQDNQENQFNQGNHLLQANQBNQCNQDNQENQFNQGN应用电路：用74LS164组成的12进制扭环型计数器电路 ，其电路图如下图4-6所示

17、：图4-6 12进制扭环型计数器4.4 分频模块设计十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路，如图4-7所示：图4-7 四分频的电路原理图74LS74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发d触发器电路模块。图4-8为其引脚排列和逻辑符号:图4-8 74LS74的引脚图功能说明：74LS74内含两个独立的上升沿双D触发器，每个触发器有数据输入（D）、

18、置位输入复位输入、时钟输入（CP）和数据输出。、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。表4-2 74LS74功能表输入输出SDRDCPDQn+1Qn01101001111101100111QnQn4.5 逻辑控制电路设计逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。组合逻辑电路的真值

19、表如表4-3所示，逻辑控制原理图如图4-9所示: 计数器输出南北信号东西信号 QA QB QC QD QE QF 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0NSG NSY NSR1 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 00 1 00 0 10 0 10 0 10 0 10 0 11 0 0 EWG EWY EWR

20、 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1表4-3 组合逻辑电路的真值表根据表4-4写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得：NSG= 由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。本次课设非门选用TTL集成门74LS04，与门选用TTL集成门74LS08。在此基础上，表达式需要修改，以实现课设要求。白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74LS164停止循环工作，可通过开

21、关将74LS164的接地，使74LS164的所有端全部清零。白天为高电平，74LS164循环工作。由74LS164 组成的12进制扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。在夜间由于=0使所有的74LS164的端清零，因此会出现以下问题：(1) NSG=，由于夜间端均为低电平，则NSG为高电平，即南北绿灯点亮，不符合课设要求，所以NSG的表达式需要修改；(2) ，由于夜间端均为低电平，则EWR为高电平，即东西红灯点亮，也不符合课设要求，所以EWR的表达式需要修改；(3) , 由于夜间、均为低电平时，则NSY、EWY为低电平，即南北和东西方向的黄灯不能点亮，同样不符合课设要求，所以NSY、

22、EWY的表达式需要修改。上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下：(1) 在夜间由于=,将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间由于，则NSG0，即夜间南北绿灯不点亮；在白天由于=1，则NSG=即南北绿灯按白天工作方式点亮。(2) 在夜间由于,EWR=1的解决方法：令EWR=，即将EWR与之间的连线改为两输入的与门。那么，在夜间由于=0，则，即夜间东西红灯红灯不亮；而在白天=1，则EWR=，即东西方向红灯按白天工作方式点亮。虽然NSG=，在夜间由于=0，则，即南北红灯不亮。但为了对称也将其修改为NSG=。(3)在夜间由于=0，使NSY=均为0的解决方法：使 NSY=+，EWY=+，即将

23、原来的两输入与门改为在与门之后增加一级两输入或门，其中一个输入端为，即将经过一级非门后输出，另一个输出端为原来两输入与门的输出(的输出或的输出)。那么在夜间由于=1，=0，则，即南北和东西方向的黄灯点亮；而在白天由于=0，=1，则NWY=+，NWY=，即各方向的灯按白天工作方式点亮。经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式为： ESG= EWG=NSY=+ EWY=+ NSR= EWR=由逻辑真值表以及上述分析可得，逻辑控制原理图如图4-4所示：图4-4 逻辑控制原理图5 交通信号灯的仿真与调试5.1 电路的仿真1 直流电源电压仿真在Multisim中进行仿真测电压数值如图5-1所示： 图

24、5-1 电源仿真图2 对555定时器进行仿真图5-2 555定时器仿真图3 秒脉冲波形仿真用示波器观察555定时器产生1s脉冲的波形如图5-3上半部分的波形，经四分频器后的脉冲波形如图5-3下半部分的波形。图5-3 1S脉冲波形与经四分频器后的脉冲波形图5.2 交通灯完整功能的实现1 白天工作方式交通灯从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。图5-4 东西方向红灯亮南北方向绿灯亮图5-5 东西方向红灯亮南北方向黄灯亮图

25、5-6 东西方向绿灯亮南北方向红灯亮图5-7 东西方向黄灯亮南北方向红灯亮2 夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，如图5-8所示：图5-8 交通灯夜晚工作图5.3 调试方法1 首先调试555定时器。用示波器观察555定时器输出波形，确定555定时器是否正常工作，振荡频率是否是2Hz。调节电位器R1，使555定时器产生频 率为1Hz的方波信号。2 调试分频器。用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是0.25Hz。3 调试十二进制计数示电路，将秒信号输送各计数器观察是否工作正常。4 整体调试。各部分电路连接起来，观察交通灯是否正常工作。5.4 调试中出现的问题、原因

26、分析及解决方法1 灯不正常发光原因有可能是线路接触不良造成的，有时候我在连接电路的时候想要省事一点于是就将两个元件直接放在一块儿，但是这样却有可能没有将两个元件连接上。图5-9的方法是错误的。因此在连接时尽量将两个元件分开放，然后在连接起来才能确保线路的连接正常。图5-10的方法是正确的。 5-10 正确连接方式5-9 错误连接方式 2 555定时器形成的多谐振荡器发出的1HZ脉冲信号有误差。可能是由于元件制作误差及环境干扰，仿真与实际示波器测出的脉冲信号有误差。因此为防止误差对实验结果的影响，可以使用晶振形成1HZ的脉冲信号，LED发光时间应该能够更加准确。3 电源中用变压器降压得不到9V交

27、流电压。原因是该变压器的变比不合适早成的，改变变压器变比可以得到相应的电压。调节内容如图5-11所示：5-11 调节变压器变比窗口4 软件运行时，Tran的时间运行时过慢，按毫秒计时，因此等待时间会很长。原因应该是软件的设置问题，可通过Simulate下拉菜单中的Interactive simulation setting进行调节，将maximum time step的时间改为0.01s即可加快运行速度。主要设置步骤如图5-12、5-13所示：5-12 步骤15-13 步骤26 总结经过一个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背

28、后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。 生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。通过实习，我才真正领略到“艰苦奋斗”这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计人为我们的社会付出。我想说，设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会，但我们可以，而且设计也是一个团队的任务，一起的工作可以让我们有说有笑，相互帮助，配合默契，多少人间欢乐在这里洒下，大学里一年的相处还赶不上这十来天的合作，我感觉我和同学们之间的距离更加近了；我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋； 正所谓“三百六十行，行行出状元”。我们同样可以为社会作出我们应该做的一切，这有什么不好？我们不断的反问自己。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就