交通灯--数电课程设计报告.doc

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1、课程设计报告数字电子技术题 目： 交通灯模拟电路 院 系： 机电工程学院 专 业： 电子科学与技术 学 号： 学生姓名： 廖炜旭 指导教师： 陈金兰 起止日期: 2013年 3月18日2013年 3月22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、74HC160计数器、74HC153选择器、74LS47译码器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单向通行十字

2、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：先设计让计时显示器按规律运行的电路，再通过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74HC160实现计时，一块显示十位，一块显示个位，用2个D触发器74HC74实现60s，30s，4s时间的转换；利用计时电路控制4个状态。最后通过74HC153和相应的逻辑门实现对交通灯亮灭的控制。目 录1、设计要求与目的 . 4 1.1设计要求 . 4 1.2设计目的 . 4 2、方案比较及电路工作原理 .4 2.

3、1方案比较及优选 . 4 2.2方案二电路图原理如下 . 5 2.2.1脉冲电路 . 5 2.2.2 倒计时电路. 6 2.2.3状态控制电路 . 8 2.2.4 灯显示电路. 8 3、PCB版制作与调试 .9 4、电子元器件清单 . 11 5、实验、调试及测试结果与分析. 11 参考文献. 12附录一. 13附录二. 14交通灯模拟电路1、课程设计任务及要求：1.1设计要求: 设计一个东西方向和南北方向单向通行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（次干道）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60s、次干道每次通行间为30s； （2

4、）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（采用计时的方法）； （3）在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮4s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

5、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计时显示器的显示的功能； (2)先设计让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

6、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：东西方向车道绿灯亮，车道，人行道通行；南北方向车道红灯亮，车道，人行道禁止通行。 状态1：东西方向车道黄灯亮，车道，人行道

7、缓行；南北方向车道红灯亮，车道，人行道禁止通行； 状态2：东西方向车道红灯亮，车道，人行道禁止通行；南北方向车道绿灯亮，车道，人行道通行； 状态3：东西方向车道红灯亮，车道，人行道禁止通行；南北方向车道黄灯亮，车道，人行道缓行； 4种状态循环往复。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2.2.1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。555定时电路根据T=ln2（R1+2R2）*C1计算：取R1=R2=10k C1=47uF C2=0.1uF计算出较为准确的周期T=1s2.2.2计时电路十字路口要有数字显示，作为计时提示，以

8、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加1的计数方式工作，直至加到数为6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（次干道）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60s、支干道每次通行时间为30s。也就是一个循环是90s，如此先显示60s后显示30s计时，然后再显示60s计时，以此类推。 设计时采用两块74HC160，一块是显示十位，一块是显示个位。个位接成十进制，从0开始计时，当到达9时，向高位发出一个进位信号，再继续从0计时。一开始使十位数置数为0，

9、二进制为0000，个位数为0，二进制为0000，此时个位产生一个进位信号给十位的脉冲输入端，十位的74HC160芯片计时一次，结合个位的设置，电路从00开始计时。当主车道绿灯亮了56s，此时，个位显示6，十位显示5，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始计时闪亮4s，当计时到60后，个位芯片74HC160发出一个进位信号，向高位进数，但是高位已经是6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0000到0101计数完，翻转为二进制0000，然后从0000、0001到0101计时，当到0101后就结束一个循环，又从0000开始新

10、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端接至十位计时的最低位来完成这个功能。高位产生进位信号时将Q端的信号置入，当这个进位信号（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，下一个进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，再接到共阳极数码显示管上显示十进制数字

11、。计时电路2.2.3状态控制电路如图2.1，用计时控制灯的变化，先将图示状态0、1、2、3编码为00、01、10、11，当计时为60、30、4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。状态控制电路2.2.4 灯显示电路 首先要把控制的脉冲接入计数器74LS160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

12、接入译码器74HC153的低位两端，从译码器输出四位0y、1y、2y、3y信号，低电平有效，每一种低电平表示一种状态，用1G、1Y、R表示主干道的绿灯、黄灯、红灯，用2G、2Y、2R表示支干道的绿灯、黄灯、红灯，用12G、12R表示主干道方向上的人行道，用22G、22R表示支干道上的人行道，得出状态表如表3所示。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。灯显示电路3、PCB板制作与调试： 3.1 PCB设计PCB板的制作是运用Protel软件来绘制，利用Protel制板的基本流程

13、：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protel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

14、,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。3.2 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。3.3 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

15、出洗净后如果没有发现断线、短路等情况即可。3.4 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。PCB原理图4、电子元器件清单:元器件数量开关1发光二极管8（红4、黄2、绿2）16脚管脚614脚管脚68脚管脚1贴片电阻（330）5贴片电阻（10k）2贴片电阻（1k）2贴片电阻（100）1电解质电容（47uF）1贴片电容（0.01uF）1共阳数码管274LS47274LS160274LS153274HC74274LS10174HC04174HC08174LS321NE55515、实验、调试及测试结果与分析:经过近一个多星期的课程设计，充

16、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，成功的将理论运用如实践，并成功的制作出PCB板，在设计中，耐心和细心是很重要的。但最终在焊接完元器件时却出现了诸多问题，使得交通灯不能正常工作。检测下列问题：1、秒脉冲信号发生电路是否产生脉冲把万用表调到20V电压档，万用表负极接地，正极接555定时器“3”针脚，刚开始555芯片通电后，电压总是被拉低，（即将3.6V电压拉至3.1V）采取的措施是：检测555定时器的引脚是否接对，电阻和电容是否接正确，均正确时更换了芯片。且检查了电路板。最终此问题至今未搞懂。但过了些时间，自动正确。2、数码管不能正常显示数码管显示乱码，我检查了译码

17、芯片74LS47是否接线正常，然后检查各针脚对应输出是否正确，最后检查数码管接线是否正确。如果数码管中某些段一直不亮，那就检查数码管是否已坏，更换一个数码管。3、交通灯不显示或不按仿真的状态显示：检查二极管是否能发光，确保二极管接线处良好后，检查了接线按照状态方程连接。经检查正确，故一步一步往控制电路74LS74处检查。还正确。最终检查了74LS160有问题，更换后电路正确。最终交通灯实现了正常运转，但是计数频率太快，而555定时器检测频率是1Hz，可能是由于芯片有所分频，造成频率变快。此次设计的取得成功涉及的因素主要有： （1）对其相关部分的知识掌握程度足够； （2）对实验流程的掌握及实验中

18、可能会出现的不协调的因素的推测； （3）对实验元件的了解足够； （4）通过仿真软件对设计电路进行仿真，但实际与仿真是有差距的。 此次课程设计持续的时间长，对我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，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。参考文献：【1】张延琪.常用电子电路280例.北京.中国电力出版社.【2】王昊等.集成运放应用电路设计360例.北京.电子工业出版社.2007【3】阎石.数字电子技术基础.北京.高等教育出版社.2006附录一：附录二：74LS47(7段译码器)74LS160（同步十进制计数器）74LS153（4选1数据选择器）74HC74（双上升沿触发器）74LS10（三三输入与非门）74HC04（六非门）74HC08(四二输入与门)74LS32（四二输入或门）