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5.2电路调试……………………………………………………………18
5.3系统功能及性能测试………………………………………………18
5.3.1测试方法设计……………………………………………………18
6结论………………………………………………………………………19
7总结、体会和建议………………………………………………………20
8参考文献…………………………………………………………………21
附录
设计任务及其要求
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A、B两条交叉道路上的车辆通行。
2.基本要求
(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,未过停车线的车辆停止通行;
(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,制作电路,完成调试、测试,撰写设计报告。
3.发挥部分
(1)按照交通规则设计人行道指示灯;
(2)其它恰当的功能;
系统设计
1.系统要求
该系统为一个十字路口的交通灯控制电路,具体要求为:
(1)要求南北方向车道(以下称为甲车道)和东西方向车道(以下称为乙车道)两条交叉路口的车辆交替运行,每次通行时间为30s;
(2)在绿灯和红灯相互转换时,都要求黄灯先亮5s,才能变换运行车道,灯的四种变换状态为下图:
(3)黄灯亮时,要求每秒钟闪烁一次,为了实现这种状态,黄灯必须由现有的灯的转换状态和脉冲发生信号共同控制;
(4)用显示器计时。
2.系统设计
由以上设计要求知道,要实现灯的控制,则系统须由以下四部分构成:
(1)脉冲信号发生器电路;
(2)计时电路;
(3)数字显示译码驱动电路;
(4)控制电路;
3.系统工作原理
1s的脉冲信号发生器发生的信号来驱动计数器做计数运算,为了使可读性更好,一般用可逆计数器来做减法计数,并用数字显示译码驱动电路实现计数的显示。
而灯的几种变换则可利用计数中出现的特有状态来使灯进行翻转变换,并且黄灯可以用计数和秒脉冲二者共同控制,另外为了使交通灯更实用,本设计中还加了人行道灯的控制电路,而且应该充分考虑人行道和车行道的配合,做到人行的安全性。
由系统设计的要求和系统的基本结构可以得到下面的系统结构原理图:
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
上面即为产生1s的脉冲电路,仿真出的波形如下:
3.2计数电路
3.2.1电路基本特点
本设计中,我们要实现三十进制循环减法计数。
即要实现从00110000~00000000循环计数,这就要用到集成计数器。
3.2.2电路基本原理
集成计数器74ls192可实现N进制减法计数。
以六进制为例,计数从1010~0000,置数端A1A2A3A4=0101,计数至0000时,电路返回到1010开始新一轮循环,此时,置数端CR=0,立即将计数状态置为1010,电路从所置的1010开始减法计数。
如果要进行推广,两片74ls192的级联可以成为100进制加法计数器和减法计数器,适当连接0端或置数端,可实现N<
=100的任意进制计数。
下图为74ls192的引脚线。
3.2.3原理电路图
上图可以实现三十进制的减法计数。
3.3数字显示译码驱动电路
3.3.1电路的基本特点和原理
在上面我们已经实现了从00110000~00000000的循环减法计数,但仅仅是数字信号。
本设计中,要把数字信号以阿拉伯数字的形式表示出来,以方便行人。
因此,我们要用到数字显示译码器。
数字显示译码器是用来驱动数码管的MSI。
数码管根据发光段数可分为七段数码管和八段数码管,发光端可以用荧光材料(称为荧光数码管)或发光二极管(称为LED数码管)或液晶(称为LCD数码管)。
本设计中采用LED数码管。
数字显示译码驱动电路图
3.4控制电路
3.4.1电路基本特点
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,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。
下图为计数器给控制器所传输的脉冲信号:
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:
控制状态
信号灯状态
车道运行状态
S0(00)
甲绿,乙红
甲车道通行,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,由此可得到状态状态图如下所示:
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=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:
状态
AG
AY
AR
BG
BY
BR
00
1
01
11
10
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。
下图即为两路车行道灯的控制仿真图:
另外我们还设计了人行道控制灯,为了让行人更加的安全,在黄灯亮时行人就应该停止行走,从而控制器应该由绿灯向黄灯的控制信号来控制。
下图为人行道与车道的控制电路全图:
3.5稳压电源电路:
本设计中用到的集成电路全是+5V电压,所以降压变压器输出端的电压为+8V,经过整流电路,后又经过滤波电路,然后通过稳压器实现+5V输出给电路直接供电。
电路中接入电容C2,C3,C4用来实现频率补偿,防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰,C1是电解电容以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。
上面就是所有单元电路的原理及其特点,把这些单元电路经过连接可以得到系统的总控制图,如下:
电路安装、调试与测试
5.1电路安装
(1)元器件的布局
LED
在该设计中考虑到元件之间的布线合理性,本着节约用线的原则和美观性的原则其布局如下所示:
74LS192
74LS32
74LS08
CD4511
74LS00
74LS02
74LS73
555
74LS04
(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1~2/10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2~3/10英寸左右较合适。
(2)进出线端尽可能集中在1至2个侧面,不要太过离散。
6.设计布线图时要注意管脚排列顺序,元件脚间距要合理。
7.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。
8.设计布线图时走线尽量少拐弯,力求线条简单明了。
9.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;
10.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。
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。
5.2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,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,不但能够控制一条路上车辆的行驶,更能够控制换道行驶的功能。
这样将比以前电路更加复杂但是其方案将更为精确。
总结与体会
此次课程设计是我大学生活重要的一步。
从最初的选题,开题到查找资料,思考设计方案,直到完成电路的调试并完成论文。
其间,查找资料,老师指导,与同学交流,反复推敲几种方案,每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。
通过这次实践,我了解了交通信号灯控制器的用途及工作原理,熟悉了交通信号灯控制器的设计步骤,锻炼了设计实践能力,培养了自己独立设计能力。
此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固,同时也是为以后走向工作岗位前的一次热身。
课程设计收获很多,比如学会了查找相关资料相关标准,分析数据,提高了自己的制作能力,对Multisim软件有了进一步的了解,能够对简单电路进行仿真,并且能够熟练地运用。
但是课程设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。
比如缺乏综合应用专业知识的能力,对材料的不了解等等。
由于时间有限,加之对一些专业课程未能涉及,所做的电路还不够完美。
这次实践是对自己大学两年半来所学的一次大检阅,使我明白自己知识还很不全面。
大二马上就要过去了,但是自己的求学之路还很长,以后更应该在工作实践中不断学习,努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。
本设计是在杨新华老师的精心指导和鼓励下完成的。
杨新华老师深厚扎实的学识,严谨的学风和真诚谦逊的品质,使我在这次设计过程中收益匪浅。
杨新华老师在设计方面对我的指导和帮助令我终身难忘。
在此,谨向杨新华老师表示衷心的感谢!
还有所有支持和帮助过我的同学们,特别是我的搭档!
参考文献
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高等教育出版社,2000,7
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附录:
(1)元件清单
序号
名称
数量
74LS190
2
3
4
5
6
红色发光二极管
12
7
绿色发光二极管
8
黄色发光二极管
9
数码管(共阴)
13
47kΩ电阻
14
300Ω电阻
16
15
10uF电容
10nF电容
(2)部分集成电路说明
可逆计数器引脚图:
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- 关 键 词:
- 任务书