电子技术综合训练课程设计报告交通灯

1、摘 要 交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车辆的流量，提高交叉路口车辆的通行能力，减少交通事故。本交通灯设计主要由定时器、控制器、译码显示电路组成。定时器由74ls190实现，控制器由74ls73组成，译码电路采用bd4511和七段数码管来显示。控制器通过74ls32、74ls08、74ls00对定时器进行控制，从而显示红黄绿灯的转换。关键字：交通灯 控制器 定时器 译码器目 录摘 要11.1 设计任务31.2 设计要求32 系统设计42.1 系统要求42.2方案设计52.2.1 控制电路方案设计52.2.2 计数电路方案设计62.2.3 译码电路方案设计62.2.4 信号灯与数字显示方案设计

2、73 单元电路设计83.1脉冲信号发生电路的实现83.1.1电路的基本特点83.1.2电路基本原理83.1.3电路原理图93.2计数电路93.2.1 计数电路工作原理93.2.2 74ls190功能介绍103.2.3 计数电路原理图113.3控制电路123.3.1控制电路工作原理123.3.2控制电路原理图143.4译码电路153.4.1译码电路工作原理153.4.2 译码电路原理图163.5显示部分173.5.1共阴极led七段数码管173.5.2 cd4511译码器183.5.3 译码电路原理图203.6直流电源设计204 电路安装与调试224.1电路安装224.1.2安装焊接224.1.

3、2焊盘应注意的常见问题234.2电路调试23结 论24总结与体会25参考文献26附 录271 设计任务和要求1.1 设计任务设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器，控制甲、乙两条交叉道路上的车辆通行。1.2 设计要求1、 每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿三个灯组成， 绿灯绿表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已 过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行；2、每条道路上每次通行的时间为25s；3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5s，才能变换通行车道；4、黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次；5、电源：220v/50hz的工频交流电供电；（注：直流电源部分仅完成设计即

4、可，不需制作，用实验室提供的稳 压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用multisim或orcad/pspicead9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，2 系统设计 2.1 系统要求在这一方案中，系统主要由控制器、定时器、译码器等部分组成。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为25秒，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=

5、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。交通灯控制系统的原理框图如图1所示图1 系统的原理框图一般情况下，十字路口的交通信号灯工作状态如下：（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tl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ty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

6、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tl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，乙车道上位过县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ty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。2.2方案设计2.2.1 控制

7、电路方案设计选用jk触发器，设状态编码为：s0=00,s1=01,s2=11,s3=10,其输出为q1 q0 ，则其状态如表1所示：表1. 状态编码与信号灯关系现态次态输出q1nq0nq1n+1q0n+1agayarbgbybr00011000010111010001111000110010000010102.2.2 计数电路方案设计 十字路口除指示灯显示外，还有数字倒计时显示。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数字为“05”时绿灯灭，黄灯闪烁。减到“00”时此方向黄灯灭，红灯亮，而另一方向红灯灭，绿灯亮。十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束

8、，而进入下一步某方向的工作循环。在倒计时过程中计数器还向译码器提供模4的定时信号t4和模0的定时信号t0。 倒计时计数器选用集成电路74ls190进行设计。74ls190是十进制同步可逆计数器，具有异步并行置数功能、保持功能。74ls190没有专用的清零输入端，但可以借助qa、qb、qc、qd的输出数据间接实现清零功能。表2. 74ls190状态表ctend/uclkloada b c dqa qb qc qd0xx0x x x xa b c d01pos1x x x xcount down00pos1x x x xcount up1xxxx x x xqa0 qb0 qc0 qd0 选用两个

9、74ls190级联成一个六十进制倒计时计数器。将其中作为个位数的芯片的clk端接秒脉冲发生器（1hz的脉冲），rco端接在十位数芯片的clk端。个位数预置为9，即a接“1”、b接“0”、c接“0”、d接“1”。十位数预置为5，即a接“0”、b接“1”、c接“0”、d接“1”（接电源相当于接1，接地相当于接0）。工作开始时，ld为0，计数器预置数，置数完后摁动开关，ld变为1，计数器开始倒计时，并循环下去。2.2.3 译码电路方案设计 向触发器提供模4的定时信号t4和模0的定时信号t0：t0 表示倒计时减到数“00”（也即绿灯的预置时间，到00时，计数器重新置数），t0=1，此时t0给jk触发器

10、一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。接法为：把两个74ls190计数器的8个输出端用一个集成的八输入一输出或门连起来。 t4表示倒计时减到数“05”时。t4=1，此时t4给jk触发器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯的不变。接法为：当减到数为“05”（0000 0110）时，把十位计数器的输出端qa、qb、qc、qd连同个位计数器的输出端qa、qb、qd用一个或非门连起来，再把这个或非门与个位计数器的输出端qc用一个与非门连接起来。 要求黄灯每秒闪一次，用频率为1hz的脉冲连在控制黄灯的输入端即可。2.2.4 信号灯与数字显示方案设计信号灯采用了发光

11、二极管，当输出信号为“0”时二极管发光。信号灯旁用cd4511和数码管显示器显示当前秒数。3 单元电路设计3.1脉冲信号发生电路的实现3.1.1电路的基本特点 在数字电路和数字系统中，需要各种脉冲波形。例如时钟脉冲，控制过程中的定时信号等。我们可以采用脉冲信号产生电路或通过已有的信号进行变换，来获取所需要的脉冲信号以满足实际系统的要求。当然，有些电路对时钟脉冲的要求并不是很高，所以可以依据自己电路的实际需求，从性价比方面来选择脉冲发生器，例如石英振荡脉冲发生器虽然性能很高，但是价格高，有些电路不太实用，而多谐振荡器则可以满足要求。3.1.2电路基本原理我们知道，含有储能原件c或l的电路存在暂态

12、过程，即有充放电现象。脉冲波形就是利用惰性元件的充放电而形成的。脉冲电路主要有惰性电路和开关两部分。开关是用来破坏稳定，使惰性电路产生暂态的。开关可利用不同的电子器件来完成，如可以利用运算放大器，分立器件晶体三极管或场效应器，也可以逻辑门。目前利用最多的是555定时电路。本设计中，脉冲信号发生器可以用一片555定时电路构成的多谐振荡器来实现，脉冲周期为1s，其计算公式为t=(r1+2r2)cln2,以此信号作为下一步计时电路的cp脉冲。因为本电路中用到的是1s的脉冲，所以依据电阻和电容的定值表可以得，我们选r1=r2=47k，c2=10uf,c1=10nf。3.1.3电路原理图图2 555原理

13、图3.2计数电路 3.2.1 计数电路工作原理 定时器由与系统信号源同计数器构成，要求计数器在状态信号作用下，首先置数，然后在时钟脉冲下升沿作用下，计数器从30开始进行减1计数，向控制器提供模30的定时信号。倒计时计数器选用集成电路74ls190进行设计。74ls190是十进制同步可逆计数器，具有异步并行置数功能、保持功能。74ls190没有专用的清零输入端，但可以借助qa、qb、qc、qd的输出数据间接实现清零功能。3.2.2 74ls190功能介绍 74ls190 的预置是异步的。当置入控制端（ ld ）为低电平时， 不管时钟cp 的状态如何，输出端（q0q3）即可预置成与数据输入端（d0

14、d3）相一致的状态。 74ls190 的计数是同步的，靠cp 加在4 个触发器上而实现。当计数控制端（ ct ）为低电平时，在cp 上升沿作用下q0q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制（u /d）为低电平时进行加计数，当计数方式控制（u /d）为高电平时进行减计数。只有在cp 为高电平时ct 和u /d 才可以跳变74ls190 有超前进位功能。当计数溢出时，进位/错位输出端（co/bo）输出一个低电平脉冲，其宽度为cp 脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端（ rc ）输出一个宽度等于cp 低电平部分的低电平脉冲。利用 rc 端，可级联成n 位同步计数器。当采用

15、并行cp 控制时，则将rc 接到后一级ct ；当采用并行ct 控制时， 则将rc 接到后一级cp。74ls190引出端符号 co/bo 进位输出/错位输出端 clk 时钟输入端（上升沿有效） cten计数控制端（低电平有效） d0d3 并行数据输入端 load 异步并行置入控制端（低电平有效） q0q3 输出端 rco 行波时钟输出端（低电平有效） u /d 加/减计数方式控制端74ls190外引脚排列如图3所示图3 74ls190外引脚排列3.2.3 计数电路原理图 计时电路设计如图4所示 图4 交通灯计时电路 其工作原理为：由信号源产生的脉冲cp送给74ls190低位片的时钟端clk处。输

16、入端a b c d分别接地.。低位片的行波时钟输出端rco1与高位片的clk相连，实现异步置数。两个芯片的u /d端分别接高电平实现减计数控制 。 高位片输出端qa.qb接或门u1，低位片输出端qa,qb和qc,qd分别接或门u2.u3实现三十置数.当有信号脉冲时，计数器开始进行减计数.u2和u3的输出再接或门u4，u4的输出和u1的输出再接或门u5,u5的输出端送给两片74ls190的load异步并行置入控制端，只有当高位片qa qb qc qd 和低位片qa qb qc qd端全为零时，即计数器减到00时，重新置数30，实现了30进制减计数控制方式。 3.3控制电路3.3.1控制电路工作原

17、理控制电路由红绿灯控制和黄灯控制两部分组成，要了解电路的特点，首先应了解交通灯的实际工作工程。当启动交通灯系统开关后，交通灯开始工作：假设当甲方向红灯亮时，乙方向绿灯亮，led数码管从30秒开始减法计数；25秒后，甲方向红灯继续亮，乙方向的绿灯熄灭，而黄灯开始有频率的闪烁，led数码管从5秒开始减法计数；5秒后，甲方向的绿灯亮，乙方向的红灯亮，同时乙方向的黄灯熄灭，led数码管从30秒开始计数；25秒后，甲方向的绿灯熄灭，黄灯有频率的闪烁，而乙方向的红灯继续亮，led数码管从5秒开始计数；5秒后，甲方向红灯亮，黄灯熄灭，乙方向的绿灯亮，led数码管又一次从30开始减法计数。在我们所设计的电路中

18、，控制电路主要是由计数器输出端的高低电平来控制，当计数器从30s开始计数，一直到05s出现时给控制电路一个脉冲让其控制黄灯发光，而到0s出现时，再给一个脉冲，让它控制红绿灯，黄灯与红灯的反转。从而实现灯的有序控制。从上面的灯的几种状态看，一共有四种状态，也就是说一次循环共有四次变化。这四种状态如下：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下表所示，控制器应送出甲乙车道红黄绿灯的控制信号。为了简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：表3 交通灯的四种状态控制状态信号灯状态车道运行状态s0（00）甲绿，乙红甲车

19、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，乙车道缓行根据图中的状态转换，控制器有四个状态，因此可由两个触发器构成，本设计中选用两个jk触发器产生四个状态。控制器的输入为触发器的现态和控制器触发器的次态,由此可得到状态转换图如下所示：图5 状态转换图触发器采用双jk触发器74ls73，正是利用了jk的置数功能，每60s实现四次置数，而灯也正是利用了这四次的状态加上门电路来实现的。译码器电路的作用是将控制器输出构成的四种状态转换为甲乙车道上六个信号灯的控制信号。定义：甲车道绿灯亮为ag

20、=1，绿灯灭为ag=0；黄灯亮为ay=1，黄灯灭为ay=0；红灯亮为ar=1，红灯灭为ar=0。同样可以令乙车道上绿灯亮为bg=1，绿灯灭为bg=0；黄灯亮为by=1，黄灯灭为by=0；红灯亮为br=1，红灯灭为br=0。则可以得到如下关系：表4 交通灯与控制器的四种状态的关系状态agayarbgbybr00100001010100011100110010001010设计中要求黄灯亮时每秒钟闪烁一次，可将ay（by）信号与秒冲信号共同送入与门，然后用其输出信号控制黄灯即可。3.3.2控制电路原理图 控制电路设计如图6所示 图6 交通灯控制电路设3.4译码电路3.4.1译码电路工作原理译码器的主

21、要任务是将控制器的输出 q1、 q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表4所示。表中a、b代表甲、乙车道。表5 控制器状态编码与信号灯关系表q1 q0ag绿灯ay黄灯ar红灯bg绿灯by黄灯 br红灯0 01000010 10100011 00011001 10010103.4.2 译码电路原理图由信号源产生的周期性变化的clk脉冲，一部分送给了定时器的74ls190芯片，另一部分送给了控制器的或门控制黄灯闪烁。 译码电路设计如图7所示 图7 交通灯译码电路工作原理：计数器向触发器提供模4的定时信号t4和模0的定时信号t0：t0

22、 表示倒计时减到数“00”（也即绿灯的预置时间，到00时，计数器重新置数），t0=1，此时t0给jk触发器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。接法为：把两个74ls190计数器的8个输出端用一个集成的八输入一输出或门连起来。 t4表示倒计时减到数“04”时。t4=1，此时t4给jk触发器一个脉冲，使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯的不变。接法为：当减到数为“04”（0000 0100）时，把十位计数器的输出端qa、qb、qc、qd连同个位计数器的输出端qa、qb、qd用一个或非门连起来，再把这个或非门与个位计数器的输出端qc用一个与非门连接起来。要求黄灯每秒闪

23、一次，用一个频率为1hz的脉冲连在控制黄灯的输入端即可。3.5显示部分译码显示电路主要是由共阴极led七段数码管，cd4511译码器组成。3.5.1共阴极led七段数码管数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。此次设计采用的是共阴极连接如图图8 共阴极数码管引脚图3.5.2 cd4511译码器图9 cd4511管脚功能排列图1.以下介绍各引脚的功能：其功能介绍如下：bi：4脚是消隐输入控制端，当bi=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。lt：3脚是测试输入端，当bi=

24、1，lt=0 时，译码输出全为1，不管输入 dcba 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 le：锁定控制端，当le=0时，允许译码输出。 le=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在le=0时的数值。a1、a2、a3、a4、为8421bcd码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。2.数码连接译码电路。cd4511是一种bcd码输入端,其中d是高电位;a、b、c、d、e、f、g是输出端,输出高电平有效,和共阴极半导体发光数码管各发光段的阳极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，cd4511和数码管的管脚排列图:6fs电

25、子资料网3-3-6fs电子资料网图10 段数码显示器管脚接法3. 真值表共阳极数码管的数字显示真值表如下表所示表6 七段显示译码电路真值表3.5.3 译码电路原理图图11 显示电路3.6直流电源设计1. 直流稳压电源的工作原理 直流稳压电源一般由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成，其工作原理图如图12.图3.直流稳压电源各部分电路的功能（1）变压器用于把220v的交流电转换成整流电路所需要的电压u2。（2）整流电路把交流电u2转变为脉动的直流电。（3）滤波电路的作用是将脉动直流电压变为脉动较小的直流电uf。（4）稳压电路的作用是将比稳定的直流电转换成稳定的直流电压。2.直流稳压电源mul

26、tism仿真原理图如图8图12 直流稳压电源仿真原理图4 电路安装与调试4.1电路安装4.1.2安装焊接在整体电路进行和单元电路仿真充分验证后，列出元件清单，购买元器件开始安装。该设计是在万能实验板上进行安装的，根据元器件的布局，首先摆放集成电路块座，待位置合理后，焊接集成块座，然后焊接相邻的分立元件，再依照各集成电路以及分立元件引脚之间的关系，用导线焊接起来，最后再焊接电源线和接地线。1 布线方向： 从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：指在满足电路性能

27、及整机安装与面板布局要求的前提下）。 2各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。3电阻的放置方式分为平放与竖放两种： （1） 平放：当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好；对于1/4w以下的电阻平放时,两个焊盘间的距离一般取4/10英寸，1/2w的电阻平放时,两焊盘的间距一般取5/10英寸。 （2）竖放：当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放，竖放时两个焊盘的间距一般取12/10英寸。 4进出接线端布置 （1）相关联的两引线端不要距离太大，一般为23/10英寸左右较合适。 （2）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太

28、过离散。 5设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。 6在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一 定顺序要求走线，力求直观，便于安装，高度和检修。 7设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。8布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符；9设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下的顺序进行。4.1.2焊盘应注意的常见问题焊盘内孔边缘到多功能板板边的距离要大于1mm，这样可以避免以后焊盘缺损。 焊盘的开口：有些器件是在经过波峰焊后补焊的，但由于经过波峰焊后焊盘内孔被锡封住，使器件无法插下去，解决办法是在印制板

29、加工时对该焊盘开一小口，这样波峰焊时内孔就不会被封住，而且也不会影响正常的焊接。 焊盘补泪滴：当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。相邻的焊盘要避免成锐角或大面积的铜箔，成锐角会造成波峰焊困难，而且有桥接的危险，大面积铜箔因散热过快会导致不易焊接。4.2电路调试如果等到焊接完毕后再进行电路调试,由于电路连线复杂和模块多,则电路调试并不容易,因此最好分块进行调试.本电路中使用分块焊接和分块调试,即首先焊接好的是555时钟脉冲电路,用一个发光二极管和秒表测试其完好性和准确性.再焊接发光二极管群,用电源加上限流电阻进行测试

30、,如果二极管均正常发光则该模块焊接完毕.接下来焊接译码显示电路和数码管,并加先流电阻后测试所有段码能否正常工作.接下来焊接的要是计时电路,因为计时电路要通过数码管来进行检测.给计时电路加上已经测试好的时钟脉冲,数码管按照要求正确进行30秒倒计时.最后焊接的是控制电路以及和交通灯之间的逻辑电路,本块焊接完毕后电路按照要求工作则最后的模块以及整个电路是正确的,否则问题很有可能出在最后的模块上,只用对最后一块模块进行检查即可.在调试过程中如果发光二极管亮度不够，而其他电路检查无误，则一种可能就是二极管的限流电阻太大，可以依据实际调试进行修改。 结 论利用整体电路图在multisim进行仿真，从计时电路和交通灯各个方面都能够满足要求，焊接后对电路进行了调试，能够满足任务书的要求，而且电路板工作可靠性也能够达到要求。但是当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调， 多值化方向发展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。随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,而且此交通灯仅仅控制单一通道上车辆的行驶，要想使其更加实用可靠，就必须改进电路，不但能够