交通燈-數(shù)電課程設(shè)計報告

1、課程設(shè)計報告數(shù)字電子技術(shù)題 目： 交通燈模擬電路 院 系： 機電工程學院 專 業(yè)： 電子科學與技術(shù) 學 號： 學生姓名： 廖煒旭 指導教師： 陳金蘭 起止日期: 2013年 3月18日2013年 3月22日摘 要交通燈控制電路是為了解決現(xiàn)代社會交通擁堵及易發(fā)交通事故，規(guī)范駕駛者的行車規(guī)則而設(shè)計的。我們做交通燈控制系統(tǒng)電路是將所學習的理論知識用于生活實際，進一步深入理解和掌握555定時器、74HC160計數(shù)器、74HC153選擇器、74LS47譯碼器等電路元器件的工作原理和作用。本文著眼于目前普遍應用在城市道路上的交通燈控制系統(tǒng)，從課程設(shè)計的題目要求出發(fā)，設(shè)計了一個東西方向和南北方向單向通行十字

2、路口的交通燈控制電路。 首先進行交通燈狀態(tài)變換的分析和交通燈總體框架的設(shè)計，接著提出了2種電路設(shè)計方案，通過優(yōu)劣比較后選定了方案2：先設(shè)計讓計時顯示器按規(guī)律運行的電路，再通過計時電路的信號來控制交通燈按4種狀態(tài)循環(huán)變換。 電源采用5V的直流電。1Hz脈沖由555定時器產(chǎn)生，用兩塊74HC160實現(xiàn)計時，一塊顯示十位，一塊顯示個位，用2個D觸發(fā)器74HC74實現(xiàn)60s，30s，4s時間的轉(zhuǎn)換；利用計時電路控制4個狀態(tài)。最后通過74HC153和相應的邏輯門實現(xiàn)對交通燈亮滅的控制。目 錄1、設(shè)計要求與目的 . 4 1.1設(shè)計要求 . 4 1.2設(shè)計目的 . 4 2、方案比較及電路工作原理 .4 2.

3、1方案比較及優(yōu)選 . 4 2.2方案二電路圖原理如下 . 5 2.2.1脈沖電路 . 5 2.2.2 倒計時電路. 6 2.2.3狀態(tài)控制電路 . 8 2.2.4 燈顯示電路. 8 3、PCB版制作與調(diào)試 .9 4、電子元器件清單 . 11 5、實驗、調(diào)試及測試結(jié)果與分析. 11 參考文獻. 12附錄一. 13附錄二. 14交通燈模擬電路1、課程設(shè)計任務及要求：1.1設(shè)計要求: 設(shè)計一個東西方向和南北方向單向通行十字路口的交通燈控制電路。要求如下： （1）南北方向（主干道）車道和東西方向（次干道）車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，主干道每次通行時間都設(shè)為60s、次干道每次通行間為30s； （2

4、）東西方向、南北方向車道除了有紅、黃、綠燈指示外，每一種燈亮的時間都用顯示器進行顯示（采用計時的方法）； （3）在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時，要求黃燈先亮4s鐘，才能變換運行車道； （4）黃燈亮時，要求每秒閃亮一次； （5）同步設(shè)置人行橫道紅、綠燈指示。 （6）設(shè)計相關(guān)提示：所設(shè)計的交通路口為一十字路口，不涉及左右轉(zhuǎn)彎問題。 1.2設(shè)計目的:通過此次交通燈控制電路的設(shè)計，調(diào)制電路與PCB板的制作，了解常用電子電路設(shè)計的思路與過程，要求學會怎么通過PROTEL繪制電路原理圖，通過原理圖導入成PCB圖，以及PCB板的制作流程。同時，掌握交通燈控制電路的基本原理，其所涉及的通過555定時器產(chǎn)生秒脈沖信號，譯碼轉(zhuǎn)

5、換電路控制紅綠燈的轉(zhuǎn)換，利用加減計數(shù)器對時間的控制， 我們應該通過此次設(shè)計舉一反三，學會了利用邏輯門電路與D觸發(fā)器實行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和紅綠黃交通燈的控制。2、方案比較及電路工作原理:2.1方案比較及優(yōu)選從交通燈控制電路功能模塊框圖可知在倒計時電路，狀態(tài)控制電路，燈顯示電路這三塊電路產(chǎn)生設(shè)計分歧。所以實現(xiàn)交通燈控制電路可以有2種方案： (1)先設(shè)計出讓交通燈按4種狀態(tài)循環(huán)變換的燈顯示電路，再通過燈的狀態(tài)控制計時顯示器的顯示的功能； (2)先設(shè)計讓計時顯示器按規(guī)律運行的電路，再通過倒計時電路的信號來控制交通燈按4種狀態(tài)循環(huán)變換； 方案1，2均符合設(shè)計的要求，但通過具體實踐和分析方案1顯示電路需要比較多

6、的芯片，其電路不是太復雜，但是過程比較繁瑣。而方案2讓顯示電路來控制燈的發(fā)亮，這樣顯示電路就不受其他信號的影響，并且通過顯示電路來控制交通燈的狀態(tài)變換比較容易。綜上所述，選擇方案2來設(shè)計具體的電路。2.2方案二電路圖原理如下交通燈控制狀態(tài)分析：交通燈控制電路，要求每個方向有三盞燈，分別為紅、黃、綠，配以紅、黃、綠三組時間到計時顯示。一個方向綠燈、黃燈亮時，另一個方向紅燈亮。每盞燈順序點亮，循環(huán)往復，每個方向順序為綠燈、黃燈、紅燈。交通燈的運行狀態(tài)共有四種，分別為： 狀態(tài)0：東西方向車道綠燈亮，車道，人行道通行；南北方向車道紅燈亮，車道，人行道禁止通行。 狀態(tài)1：東西方向車道黃燈亮，車道，人行道

7、緩行；南北方向車道紅燈亮，車道，人行道禁止通行； 狀態(tài)2：東西方向車道紅燈亮，車道，人行道禁止通行；南北方向車道綠燈亮，車道，人行道通行； 狀態(tài)3：東西方向車道紅燈亮，車道，人行道禁止通行；南北方向車道黃燈亮，車道，人行道緩行； 4種狀態(tài)循環(huán)往復。交通燈電路的具體運行狀態(tài)框圖如圖2.1(人行道交通燈未標明)所示2.2.1脈沖電路利用555定時器為主組成多諧振蕩器，輸出1Hz的矩型方波，實現(xiàn)脈沖電路功能。555定時電路根據(jù)T=ln2（R1+2R2）*C1計算：取R1=R2=10k C1=47uF C2=0.1uF計算出較為準確的周期T=1s2.2.2計時電路十字路口要有數(shù)字顯示，作為計時提示，以

8、便人們更直觀地把握時間。具體為：當某方向綠燈亮時，置顯示器為某值，然后以每s加1的計數(shù)方式工作，直至加到數(shù)為6和0，十字路口綠、黃、紅燈變換，一次工作循環(huán)結(jié)束，而進入下一步某方向的工作循環(huán)。根據(jù)題目的要求南北方向（主干道）車道和東西方向（次干道）車道兩條交叉道路上的車輛交替運行，主干道每次通行時間都設(shè)為60s、支干道每次通行時間為30s。也就是一個循環(huán)是90s，如此先顯示60s后顯示30s計時，然后再顯示60s計時，以此類推。 設(shè)計時采用兩塊74HC160，一塊是顯示十位，一塊是顯示個位。個位接成十進制，從0開始計時，當?shù)竭_9時，向高位發(fā)出一個進位信號，再繼續(xù)從0計時。一開始使十位數(shù)置數(shù)為0，

9、二進制為0000，個位數(shù)為0，二進制為0000，此時個位產(chǎn)生一個進位信號給十位的脈沖輸入端，十位的74HC160芯片計時一次，結(jié)合個位的設(shè)置，電路從00開始計時。當主車道綠燈亮了56s，此時，個位顯示6，十位顯示5，主車道的綠燈熄滅，主車道的黃燈開始計時閃亮4s，當計時到60后，個位芯片74HC160發(fā)出一個進位信號，向高位進數(shù)，但是高位已經(jīng)是6了，按照要求此時十位應該是從0翻轉(zhuǎn)4，即二進制0100，為了實現(xiàn)這功能，通過研究十位的二進制數(shù)發(fā)現(xiàn)，十位的二進制是從0000到0101計數(shù)完，翻轉(zhuǎn)為二進制0000，然后從0000、0001到0101計時，當?shù)?101后就結(jié)束一個循環(huán)，又從0000開始新

10、的一個循環(huán)。從二進制0011和0010兩個不同的預置數(shù)，發(fā)現(xiàn)可以用1個D觸發(fā)器74LS74接成T觸發(fā)器并把Q端接至十位計時的最低位來完成這個功能。高位產(chǎn)生進位信號時將Q端的信號置入，當這個進位信號（低電平）消失后，產(chǎn)生一個上升沿的脈沖信號，使T觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)然后保持，下一個進位信號來時就把此時的Q值置入（此時Q值為原來的非，即由0變1或由1變0），然后翻轉(zhuǎn)。通過以上置數(shù)方式可實現(xiàn)0011和0010的交替置入。另外，通過在特定時刻（倒計時高位由0000變?yōu)?010后）對T觸發(fā)器進行清零，可實現(xiàn)主次干道通行時間的調(diào)整。最后將電路的倒計時接到譯碼器74HC4511，再接到共陽極數(shù)碼顯示管上顯示十進制數(shù)字

11、。計時電路2.2.3狀態(tài)控制電路如圖2.1，用計時控制燈的變化，先將圖示狀態(tài)0、1、2、3編碼為00、01、10、11，當計時為60、30、4的時候產(chǎn)生一個信號給狀態(tài)轉(zhuǎn)換的電路，而這個信號是電平信號的話就很難實現(xiàn)，所以又用了邊沿觸發(fā)，此時用計數(shù)器表示狀態(tài)，取其低兩位的計數(shù)態(tài)00、01、10、11為燈的狀態(tài)，這樣的話，來一個邊沿信號就能使計數(shù)器加一，實現(xiàn)上述四狀態(tài)轉(zhuǎn)換。狀態(tài)控制電路2.2.4 燈顯示電路 首先要把控制的脈沖接入計數(shù)器74LS160的非減數(shù)的脈沖端，因為脈沖主要有四個，四個為一個循環(huán)，只取計數(shù)器的低位兩位即可，除了讓計數(shù)器工作的接入端需要接電平外，其他端都不用接，再將計數(shù)器的低兩位

12、接入譯碼器74HC153的低位兩端，從譯碼器輸出四位0y、1y、2y、3y信號，低電平有效，每一種低電平表示一種狀態(tài)，用1G、1Y、R表示主干道的綠燈、黃燈、紅燈，用2G、2Y、2R表示支干道的綠燈、黃燈、紅燈，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，得出狀態(tài)表如表3所示。為了讓黃燈能每s閃亮一次，可以在黃燈那里加入一個與門，把黃燈發(fā)亮的信號當成是與門的開通信號，與門的另一端接入時間脈沖，那么黃燈就可以實現(xiàn)每s閃亮一次的功能了。燈顯示電路3、PCB板制作與調(diào)試： 3.1 PCB設(shè)計PCB板的制作是運用Protel軟件來繪制，利用Protel制板的基本流程

13、：準備原理圖，設(shè)置PCB設(shè)計環(huán)境，載入網(wǎng)絡(luò)表，并糾正網(wǎng)絡(luò)表的宏錯誤，布線規(guī)則設(shè)置，布線，PCB的優(yōu)化，DTC檢查，保存文件與輸出。 準備原理圖：根椐所畫的電路圖，在元件庫中查找到所要求的元件符號，在protel中繪制出原理圖，在選擇元件的時候特別要注意元件的封裝是否符合所需的封裝要求。布線設(shè)置主要設(shè)置線寬為40mil、孔大小為0.8mm，采用底層布線，其他為默認設(shè)置。布線采用單面板布線。布線原則：邏輯清晰、接線牢固、測試方便、美觀大方。 PCB的優(yōu)化主要設(shè)置焊盤的大小與某些線的寬度及布線的路徑。焊盤一般采用方框為78.74mil39.37mil。 DTC檢查的主要任務是對先前的設(shè)計規(guī)則進行檢查

14、,查看是否有違反規(guī)則的地方,如實際線寬是否比規(guī)則設(shè)置中的最大值還大或小,是否還存在沒有徹底布通的網(wǎng)絡(luò)等。保存文件與輸出是保存設(shè)計中的各種文件，并打印輸出，包括PCB文檔、元件清單等。設(shè)計工作結(jié)束。打印時可以把孔打印成實心，可以自己控制孔的大小方便打孔。3.2 熱轉(zhuǎn)印通過打印機PCB圖打印到熱轉(zhuǎn)印上，然后選擇大小合適的銅板，將銅板表面打磨干凈之后，用帶有PCB圖的那一面同銅板貼緊，經(jīng)過熱轉(zhuǎn)印機，溫度約120度，轉(zhuǎn)印三次，即把熱轉(zhuǎn)印紙上的PCB圖轉(zhuǎn)印到銅板上。3.3 腐蝕腐蝕這一過程是電路板成功的關(guān)鍵，將腐蝕液倒入腐蝕機加熱至75度后，將已經(jīng)熱轉(zhuǎn)印的銅板放入腐蝕機進行腐蝕，腐蝕時間約一分鐘即可。拿

15、出洗凈后如果沒有發(fā)現(xiàn)斷線、短路等情況即可。3.4 焊接元件根據(jù)原理圖，在PCB板上焊接元件。焊接時要特別注意不要出現(xiàn)在虛焊、短路等，元件的正負極反接、錯接。PCB原理圖4、電子元器件清單:元器件數(shù)量開關(guān)1發(fā)光二極管8（紅4、黃2、綠2）16腳管腳614腳管腳68腳管腳1貼片電阻（330）5貼片電阻（10k）2貼片電阻（1k）2貼片電阻（100）1電解質(zhì)電容（47uF）1貼片電容（0.01uF）1共陽數(shù)碼管274LS47274LS160274LS153274HC74274LS10174HC04174HC08174LS321NE55515、實驗、調(diào)試及測試結(jié)果與分析:經(jīng)過近一個多星期的課程設(shè)計，充

16、分認識到理論知識和實踐結(jié)合的重要性。經(jīng)過近兩年的理論基礎(chǔ)的學習，成功的將理論運用如實踐，并成功的制作出PCB板，在設(shè)計中，耐心和細心是很重要的。但最終在焊接完元器件時卻出現(xiàn)了諸多問題，使得交通燈不能正常工作。檢測下列問題：1、秒脈沖信號發(fā)生電路是否產(chǎn)生脈沖把萬用表調(diào)到20V電壓檔，萬用表負極接地，正極接555定時器“3”針腳，剛開始555芯片通電后，電壓總是被拉低，（即將3.6V電壓拉至3.1V）采取的措施是：檢測555定時器的引腳是否接對，電阻和電容是否接正確，均正確時更換了芯片。且檢查了電路板。最終此問題至今未搞懂。但過了些時間，自動正確。2、數(shù)碼管不能正常顯示數(shù)碼管顯示亂碼，我檢查了譯碼

17、芯片74LS47是否接線正常，然后檢查各針腳對應輸出是否正確，最后檢查數(shù)碼管接線是否正確。如果數(shù)碼管中某些段一直不亮，那就檢查數(shù)碼管是否已壞，更換一個數(shù)碼管。3、交通燈不顯示或不按仿真的狀態(tài)顯示：檢查二極管是否能發(fā)光，確保二極管接線處良好后，檢查了接線按照狀態(tài)方程連接。經(jīng)檢查正確，故一步一步往控制電路74LS74處檢查。還正確。最終檢查了74LS160有問題，更換后電路正確。最終交通燈實現(xiàn)了正常運轉(zhuǎn)，但是計數(shù)頻率太快，而555定時器檢測頻率是1Hz，可能是由于芯片有所分頻，造成頻率變快。此次設(shè)計的取得成功涉及的因素主要有： （1）對其相關(guān)部分的知識掌握程度足夠； （2）對實驗流程的掌握及實驗中可能會出現(xiàn)的不協(xié)調(diào)的因素的推測； （3）對實驗元件的了解足夠； （4）通過仿真軟件對設(shè)計電路進行仿真，但實際與仿真是有差距的。 此次課程設(shè)計持續(xù)的時間長，對我的耐心是一種極大的考驗，同時學校的支持力度也應該加強，對有些元器件的可能的缺少要及時的給予指導，當然學生也要積極的配合老師的工