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交通灯控制电路
电子技术基础
课程设计
题目名称:
交通灯控制电路设计
姓名:
韩兴波
学号:
20114254
班级:
2011级电气3班
指导教师:
杨子康
重庆大学电气工程学院
2013年6月
引言
本学期我们学习了数字电子技术的相关基础知识,本次课程设计主要是综合运用所学的知识设计一个较为复杂的运用电路。
随着社会经济的发展,城市交通问题越来越引人关注,为了保证交通次序和行人安全,在一些重要交通地段的十字交叉路口安装有交通灯,这些交通灯是用来控制车辆的流动,以达到提高十字路口的通行效率,尽量减少交通事故的作用。
交通等的颜色有红、黄、绿三种,当红灯亮时,表示该方向道路上的车辆或行人禁止通行以及未过停车线的车辆停止通行,已经过停车线的车辆继续通行;绿灯亮时,表示该方向道路上的车辆或行人允许通行;交通灯控制电路自动控制十字交叉路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换,有序的指挥各种车辆和行人安全通行。
一、设计任务与要求
图1十字路口示意
(1)设计一个是交叉路口交通灯自动控制电路,要求主干道(甲车道)和支干道(乙车道)两条交叉路口上的车辆交替行驶通过,每次通行时间可任意设定,现规定设为25秒。
⑵.在黄灯亮过5秒钟后,才能变换车辆通行道路方向及行人允许通过道路的方向。
⑶.在黄灯亮时,每秒钟闪亮一次,同时人行通道(斑马线)旁的报警喇叭也每秒钟响鸣一声。
二、设计原理及分析
2.1分析系统逻辑功能及其框图
系统由控制器和处理器组成,控制器接收外部系统时钟信号。
处理器由定时器和译码显示器组成。
定时器能向控制器发出定时信号,译码显示器在控制器的控制下,改变交通灯信号。
系统框图如图2。
图2交通灯控制电路系统框图
AG、AY、AR分别表示甲车道绿、黄、红三色灯;
BG、BY、BR分别表示乙车道绿、黄、红三色灯;
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=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。
由它控制定时器清零并且开始下个工作状态的定时。
2.2工作流程分析
交通灯控制器的控制过程分为4阶段,对应输出有4种状态:
(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25S时(TL=1),控制器发出状态信号ST,转到下一工作状态。
(2)甲车道黄灯亮,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5S时(TL=1),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,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上的车辆允许通行。
绿灯亮足规定的时间间隔25S时(TL=1),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,乙车道上未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5S(TL=1),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1-1所示,控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见,把灯的代号和灯的驱动信号合二为一,并作如下规定:
表1控制器的工作状态及其功能表
控制状态
信号灯状态
车道运行状态
Z0(00)
甲绿,乙红
甲车道通行,行人禁止通行,乙车道禁止通行,行人通行。
Z1(01)
甲黄,乙红
甲车道缓行,乙车道禁止通行,行人准备通行。
Z3(11)
甲红,乙绿
甲车道禁止通行,行人通行,甲车道通行行人禁止通行。
Z2(10)
甲红,乙黄
甲车道禁止通行,甲车道缓行,行人准备通行。
AG=1:
甲车道绿灯亮;BG=1:
乙车道绿灯亮;
AY=1:
甲车道黄灯亮; BY=1:
乙车道黄灯亮;
AR=1:
甲车道红灯亮;BY=1:
乙车道红灯亮;
该系统的工作流程图:
设控制器的初始状态为Z0,
当Z0的持续时间小于25秒时,
TL=0,控制器保持Z0不变。
只有当Z0的持续时间等于25秒时,
TL=1,控制器发出状态转换信号ST,
并转换到下一个工作状态。
依此类推。
三、单元电路详细设计
3.1秒脉冲发生器设计
脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐震荡器,其主要电路元件有555一个、47千欧电阻两个、10UF以及10NF电容各一个,其原理是利用电路存在两个暂稳态,不需外加信号,电源通过R1、R2向放电端C1放电,是电路产生振荡。
其产生波形如图:
图4秒脉冲发生器及其波形
其周期计算T=
=0.7(R1+R2)C3;
=0.7R2C3;
T=
=0.7*(47+2*47
=1HZ;由此可实现秒脉冲发生器功能。
3.2定时器
定时器由与系统秒脉冲(由上面时钟脉冲产生器提供)同步的计数器构成,要求计数器在状态信号ST作用下,首先清零,然后在时钟脉冲上升沿作用下,计数器从零开始进行增1计数,向控制器提供5秒的黄灯定时信号TY和25秒的红灯或绿灯定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。
74LS163是4位二进制同步计数器,它具有同步清零、同步置数的功能。
74LS163的外引线排列图和时序波形图如图6所示,其功能表如表2所示。
图中,是低电平有效的同步清零输入端,是低电平有效才同步并行置数控制端,CO是进位输出端,D0~D3是并行数据输入端,Q0~Q3是数据输出端。
由两片74LS163级联组成的定时器电路如图7。
图574LS163的外引线排列图
图674LS163时序波形图
表274LS163功能表
图7定时器电路图
3.3控制器设计
控制器是交通管理的核心,它应该按照交通管理规则控制信号灯,能够满足控制系统的工作状态进行交通信号灯的状态转换。
根据交通灯的工作状态流程图,可以列出控制器的状态转换表。
选用74LS74(双D触发器)构成时序。
输入
输出
初始状态
状态转换条件
次态
状态转换信号
TL
TY
ST
0
0
0
×
0
0
0
0
0
1
×
0
1
1
0
1
×
0
0
1
0
0
1
×
1
1
1
1
1
1
0
×
1
1
0
1
1
1
×
1
0
1
1
0
×
0
1
0
0
1
0
×
1
0
0
1
表3交通灯控制器状态图
寄存器,它们的输出作为控制器的状态转换的4种状态;控制器状态转换的条件为TL和TY,当控制器的输出状态处于
状态时,如果TL=0,则控制器保持在00状态;如果TL=1,则控制器转换到
状态。
但这两种情况与条件TY无关,所以用无关项“”表示。
同理可以推出其他几种情况的关系状态。
同时根据交通灯的控制器状态转换表,可以推出方程和转换信号方程;即将控制器的输出状态
、
和ST为1的项所对应的输入或状态条件变量相与,其中“1”用原变量表示,“0”用反变量表示,然后将各与的项再相或,既有:
根据以上三个方程,我们选用4选一数据选择器(74LS153)来实现74LS74中两个D触发器的输入函数,将触发器的初始状态值
、
加到74LS153的数据选择端作为控制信号,这样即可实现控制器的功能。
通过以上分析可得控制器逻辑图如下:
图8控制器逻辑图
3.4译码器计数显示电路设计
译码器定时显示电路由两个74ls48和、两个共阴极数码管组成,作用是在电路运行过程中显示25秒和5秒信息,直观的看到电路的运行状况。
其multism仿真图如图9所示。
(在实际的焊接中数码管不用接电阻。
)
图9译码器显示电路
3.5译码器设计交通灯电路
交通等共有两组6个显示灯,分别位于甲路(A主干道)的红(AR)黄(AY)绿(AG)三个交通灯与位于乙路(B支干道)的红(BR)黄(BY)绿(BG)三个交通灯,其控制信号主要是有触发器输出信号
,以及CP时钟信号。
其控制状态编码与信号灯关系如表4所示。
状态
AGAYAR
BGBYBR
00
100
001
01
010
001
10
001
100
11
001
010
表4控制器状态编码与信号灯关系表
由关系表列些表达式如下:
AR=
;AY=
;AG=
;BR=
BY=
;BG=
;
从表达式出发设计译码器电路,A干道与B干道的红灯有相反信号,同时两条路上的黄灯在5秒信号到来时都会是闪烁的,所以在两个黄灯的表示要加入时钟信号,从而让黄灯在每个时钟周期内闪烁一次。
在设计中采用2输入与门和3输入与门时电路较为简单,没有与门时可以用与非门替代(每两个与非门替代一个与门)。
具体multisim电路如图10所示;
图10译码器显示灯电路
3.6报警电路设计
报警电路是在黄灯亮起并闪烁是,人行道路旁(斑马线)的报警电路每一秒鸣响一声。
在设计中,声响电路由控制器的工作四种状态中的Z1、Z3两种状态时的灯驱动信号提供信号;因此,用一片74LS68来构成选取“01”或“10”信号到来时,它的输出能够提供一个脉冲信号给声响驱动电路。
驱动电路可用555时基电路构成。
其具体电路如图11所示;
图11报警电路
四整体电路布局(如图12所示)
五.焊接技术
在实际电路的焊接过程中一点要注意焊接的规范性与正确性,以保证在焊接过程中的自身安全以及对焊接器材、电路原件的保护。
在焊接中应该注意的方面有:
5.1.焊接操作姿势与卫生
焊剂挥发出的化学物质对人体有害的,如果操作时鼻子距烙铁头太近,则很容易将有害气体吸入。
一般烙头距鼻子至少不少于30cm,通常400cm以上为宜。
5.2焊接的基本操作
(1)焊件表面处理
手工烙铁焊接中遇到的焊件是各种各样的电子元件和导线,除非在规模生产条件下使用“保鲜期”内的电子元件,一般情况下遇到的焊件往往都需要进行表面清理工作,去除焊接面上的锈迹、油污、灰尘等影响焊接质量的杂质。
手工操作常用机械刮磨和酒精、丙酮擦洗等简单易行的方法。
(2)预焊
预焊就是将要锡焊的元器件引线或导线的焊接部位预先用焊锡润湿,一般也称为镀锡,上锡,搪锡等。
称此过程为“预焊”是准确的,因为其过程和机理都是锡焊的全过程──焊料润湿焊件表面,靠金属的扩散形成结合层后而使焊件表面“镀”上一层焊锡。
(3)要用适量的焊剂
适量的焊剂是必不可少的,但绝不是越多越好。
过量的松香不仅造成焊后焊点周围难以清洁,而且延长了焊接时间。
所以焊剂要适量。
(4)持烙铁头的清洁
因为焊接时烙铁长期处于高温状态,又接触焊剂等受热分解的物质,其表面很容易氧化而形成一层黑色杂质,这些杂志几乎形成隔热层,使烙铁头失去加热作用。
因此要随时在烙铁架上蹭去杂质。
(5)焊锡量要合适
过量的焊锡不但毫无必要地消耗了较贵的焊锡,而且增加了焊接时间,相应降低了工作速度。
更为严重的是在高密度的电路中,过量的锡很容易造成不易觉察的短路。
但是焊锡过少不能形成牢固的结合,降低焊点强度,所以焊锡量要适宜。
(6)元件要固定
在焊锡凝固之前不要使焊件移动或震动,特别是用镊子夹住焊件时一定要等焊锡凝固再移去镊子,保证焊接牢固。
5.3焊后处理
(1)剪去多余引线,注意不要对焊点施加剪切力以外的其他力。
(2)检查印制板上所有元器件引线焊点,修补缺陷。
(3)根据工艺要求选择清洗液清洗印制板。
一般情况下使用松香焊剂后印制板不用清洗。
六焊接测试过程及结果
6.1电路焊接前准备
(1)对电路进行焊接前最后检查,确定没有问题后到老师处确认签字并领取元件、工具(详细见附页-原件清单)。
(2)领取元件及工具后,首先根据各个元件特性检查元件好坏,确定没有问题后按照电路全图进行全体电路布局,大体确定每部分功能元件大致在电路板上的排布。
6.2电路焊接过程
焊接按照功能模块分别焊接,大致分为计时电路及其显示部分、交通灯部分、555脉冲发生器部分、控制部分和与非门电路部分。
每一部分焊接结束后进行测试,确认无误后进行下一部分的焊接。
最后所有模块都完成后,对每一部分进行连接,总体结束后再做整体功能测试及修改。
6.3电路测试过程
(1)计时显示电路测试:
我们首先完成计时显示电路的焊接,包括两个数码管和两个译码器74ls48,在测试中用正负两根导线分别接到电路板的布局正负电源线路中,连接试验箱上+5V直流电源,发现数码管的正常发光,两个数码管显示为两个零,表示正常。
(2)计时电路测试:
计时器电路包括两个74ls163,其输出分别接到两个74ls48上,由于没有反馈信号,所以在测试中只需测试其可正常计数功能,连接主体后用临时导线将两个74ls163的R,load以及ENP,ENT端都接到实验箱的5V高电平上,脉冲信号也采用实验箱的模拟脉冲。
测试中发现两个74ls163正常计数,和74ls48、数码管衔接良好。
(3)控制电路测试:
控制电路主体是两个数据选择器74ls153以及一个双D触发器,焊接好后在数据选择器的输入端分别提供不同高低电平信号组合,用万用表测其输出,得到其输出也成规律性变化,证明没有问题。
对于双D触发器,其输出与输入一一对应,变化相同,同样用万用表测试后没有发现问题。
(4)发光二极管显示电路测试:
焊接好由六个发光二极管,六个三极管以及六个1K电阻组成的显示电路后,接通高低电平后,用一根导线一头接到高电平出,一头分别触碰每个三极管的基极,如果二极管发光为正常。
如果不发光则用接低电平的导线直接触碰不发光二极管的负极,检测是否是发光二极管的问题,坏的二极管将不发光,如果其正常发光则说明是三极管元件损坏或是连接错误。
在实际测试中,我们小组检查出有一个黄色发光二极管和两个三极管元件有问题,通过找老师更换元件后重新焊接了这部分电路并最终测试正确。
(5)门电路的焊接与测试:
在本次电路中,由于领取的实验元件中门电路全为74ls00,门电路在电路中担任连接各个功能模块的作用,因此必须保证其正常工作,在领取的元件中5个左右的元件插座,全部用于74ls00。
没焊接完一个74ls00,用万用表测试其每一个与非门的输入和输出,只连接VCC和地的74ls00的与非门输入全为高电平,输出全为低电平。
没有问题后,将其连接到各个功能模块间。
在两个74ls163间完成进位以及向控制电路输出TL、TY信号;在双D触发器输出与6个发光二极管显示电路间组合为译码器。
(6)555秒脉冲电路测试:
提供秒脉冲的555电路由555及两个电阻,2个电容,在焊接完后的测试中,我们首先用示波器测试其输出信号波形,发现示波器上始终显示没有信号输入,于是,我们换用万用表测试其输出端得到同样的结果,最后测试555的每一个我们发现其接地端为高电平,而其VCC端为低电平,原来由于实际的电路板在下面半截的地方其高低通路是反过来的,导致焊接错误。
改正后,测试得到正常的秒脉冲波形。
(7)整体电路焊接完后的测试:
电路最后的焊接是把555电路产生的时钟信号接到两个74ls163、双D触发器的两个时钟端以及两个黄灯所需闪烁信号输入端。
完成后,接通整个电路的VCC级接地。
最后可得到电路正常实现功能。
6.4结果描述
接通电源(分别连根导线接到实验箱的5VVCC和接地端),计数器开始计数,数码管由零开始显示计数,此时甲路红灯亮,乙路绿灯亮;计数到24秒后,下一秒计数器归零重新计时,乙路红灯亮,甲路黄灯闪烁4秒,下一秒计数器归零重新计时,甲路绿灯亮。
计数到24秒后,下一秒计数器归零重新计时,甲路红灯亮,乙路黄灯闪烁4秒,之后进入下一个循环。
七总结体会
本次课程设计,我们小组三人总共用了5天时间,其中2天用于电路仿真,3天用于电路板的焊接及调试。
最后顺利完成了任务并通过老师的验收。
在本次课程设计中,我们小组团结一致,互相合作,配合密切,共同解决了许多问题。
结果得来不易,我也从中学到了很多,认识体会得到了许多。
首先,本次课程设计加深了我对数字电子逻辑电路的学习和认识,电路仿真也让我对许多电路元件功能的有了深入的了解,第一次进行这样较为总和的电路仿真,有许多地方不能一次性考虑周全,本次实验让我懂得怎样分模块进行电路设计,我很享受在其间开动脑筋,通过实践自己的许多设想实现电路功能的过程。
尤其是接触到有些我们原来很少了解的原件,必须通过自己找资料学习其功能,大大提高了我们独立思考自己解决问题的能力,当然,在解决问题后,我们自己也会获得发至内心的喜悦感,也让我们逐渐学会怎样运用自己所学的知识而不是仅仅停留在课本上。
其次,给我印象和感受最深的还要算电路板的焊接过程了,因为没有多少经验,第一次遇到这么多元件,这么多管脚要焊接,大家心里都没底。
大概都认为焊接成功的希望较小。
焊接过程中我与小组其余两个成员相互合作,一个人专门负责焊接,一个人负责在一旁看电路图,对应管脚。
还有一个人负责准备焊接材料和导线,大家在一起一焊接就是好几个小时,虽然有些辛苦,但都不敢马虎,每一个焊点都小心翼翼。
在焊接中,我们也遇到许多问题,焊接点间短路,焊接错误等等。
不管怎样,在此过程小组成员的合作才是最重要的。
最后,在电路焊接完成后,或多或少会有一些问题,这就需要我们耐心对电路每一部分做检查,遇到元件本身问题时一般不易发现,还要耐心的分析。
最后的调试修改也决定整个电路板的成败。
在此过程中,我们每一个人的动手能力都得到了提高,对一个错误解决激发了我们浓厚的兴趣。
尽管最后得到的是一个普通电路正确的运行结果,但这个过程却是意义非凡的!
八参考文献
《数值电子技术试验》夏鸣凤编
《交通灯控制电路ppt》杨子康
附页.元件工具清单
元件
集成电路:
74LS005片;
74LS1632片;
74LS1532片;
74LS741片;
N5551片;
电容:
10μF,0.01μF各1个;
电阻:
47KΩ1个39KΩ1个1KΩ6个;
发光二极管6个(红黄绿各两个);三极管S90136个;
芯片座5个
导线焊丝若干
工具
剪刀一把、螺丝刀一把、镊子一把、电烙铁一个
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