交通燈控制電路設(shè)計(6)

1、交通燈控制電路設(shè)計一、 設(shè)計任務(wù)和要求隨著社會的進(jìn)步和發(fā)展，交通工具日趨增多。這就給我們的道路交通帶來了混亂， 特別是十字路口的交通管理問題。為了確保十字路口的車輛順利、暢通得通過，往往都采用自動控制的交通信號燈來進(jìn)行指揮。本次實驗就是要設(shè)計一個交通邏輯控制電路，來實現(xiàn)十字路口的自動交通控制。實現(xiàn)功能如下：一個具有主、支路的路口。主路通行時間40秒、支路通行時間20秒、黃燈各為5秒。二、 實驗設(shè)備及器件1. 實驗設(shè)備及工具：仿真計算機、數(shù)字萬用表、鉗子、鑷子等2. 實驗器件1555脈沖產(chǎn)生器1 274ls161計數(shù)器 2 374ls74d觸發(fā)器1474ls04非門2574ls08與門26 74

2、ls47數(shù)碼管驅(qū)動27七段led數(shù)碼管用于顯示28發(fā)光二極管紅綠黃模擬交通燈 各29電阻150、4.7、限流各110電阻100限流311電容 4.7、10 整流 各112實驗板安裝電路113導(dǎo)線連接電路若干三、 設(shè)計原理及實現(xiàn)方案i.工作狀態(tài)如下一個十字路口主道方向的紅、黃、綠燈分別用g、r、y；支道方向的紅、黃、綠燈分別為g、r、y.表示。十字路口要有數(shù)字顯示裝置，作為時間提示，以便人們更直觀地把握時間。具體要求為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，置計數(shù)器為某一個數(shù)值，然后以每秒減1的計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為“0”。狀態(tài)圖：整個流程為：（1）主車道綠燈亮，支道紅燈亮。表示主道上的車輛允許通行，支道禁止通

3、行。綠燈時間到時，控制器發(fā)出狀態(tài)信號st，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（2）主車道黃燈亮，支車道紅燈亮。表示主車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，支車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔ty時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號st，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （3）主車道紅燈亮，支車道黃燈亮。表示主車道禁止通行，支車道上的車輛允許通行綠燈亮足規(guī)定的時間間隔tl時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號st，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （4）主車道紅燈亮，支車道黃燈亮。表示主車道禁止通行，支車道上位過縣停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔ty時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號s

4、t，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。 ii.實現(xiàn)方案 （1）.方案一 根據(jù)狀態(tài)圖，得到交通燈的設(shè)計原理圖 實現(xiàn)原理：如圖，通過一個驅(qū)動三個計時電路。這時譯碼電路和數(shù)碼管只有一個對應(yīng)同步顯示計時內(nèi)容。當(dāng)這個時間段計完后，給狀態(tài)控制電路輸出格的脈沖。這時狀態(tài)向后變化一個。同時又通過控制器的輸出端控制紅綠燈電路，又根據(jù)狀態(tài)確定那個計時器工作。這樣就完成了一計數(shù)單位的工作周期。方案總結(jié)：優(yōu)點就是原理上易于實現(xiàn)，因為計數(shù)器分為3個，在原理邏輯上更直接。但缺點也很明顯，就是浪費了大量的元器件，來重復(fù)實現(xiàn)一個模塊功能，這是一種浪費。在工程上是絕不允許的。而切元器件多了，連接電路時易發(fā)生錯誤。（2）方案二根據(jù)

5、狀態(tài)圖，得到交通燈的設(shè)計原理圖如圖：秒脈沖提供電源讓計時電路工作。計時電路的作用是實現(xiàn)40秒、20秒、和5秒等三個計時，同時用譯碼器和數(shù)碼管組成的顯示電路來顯示時間。在計完一個時段后計時器發(fā)出一個脈沖，驅(qū)動狀態(tài)控制電路，使之狀態(tài)發(fā)生改變。進(jìn)而紅、綠、黃燈亮暗改變，又完成了對計數(shù)器的置數(shù)。從而進(jìn)行40秒、20秒、和5秒的自動切換。到此一個工作狀態(tài)結(jié)束。進(jìn)入下一個狀態(tài)。方案總結(jié)：這是對方案一的優(yōu)化：把三個計數(shù)器合為了一個，換句話就是用一個計數(shù)器實現(xiàn)三個計數(shù)功能。這是利用置數(shù)智能的對電路進(jìn)行計數(shù)選擇。尤其是在主模塊的設(shè)計上，更多的利用了計數(shù)模塊。如下：這樣做的好處就是能更好的利用原有電路的元器件和設(shè)

6、計模塊。使系統(tǒng)高度集成化。如此既能節(jié)約成本，又可降低連接時的錯誤概率。在置數(shù)方面是利用燈的亮暗，會更直接。這完全符合設(shè)計思想和工程的設(shè)計原則。所以我們選擇這種方案。（3）方案三還有一種方案就是利用循環(huán)一個周期的時間。如本實驗是70秒，做一個計數(shù)器。把它截為4個時間段：40秒、20秒和兩個5秒。這樣在整個周期上單獨的分離每個狀態(tài)所需的時間、狀態(tài)以及紅綠燈的變化。進(jìn)而完成一個周期，而循環(huán)工作。方案總結(jié)：這種方案雖然原理上更簡單。但是在實現(xiàn)起來會使用很多的器件來實現(xiàn)其工作。因為在整個時間段上截取，就必須加上狀態(tài)判斷部分。所以這種方案就沒有過多的考慮。四、單元電路的設(shè)計. 秒脈沖電路它是整個電路的動力

7、輸入，設(shè)計如下：參數(shù)由老師提供。.狀態(tài)控制部分該電路共有4個狀態(tài)，具體如下：控制狀態(tài)信號燈狀態(tài)紅綠燈顯示s0（00）主綠，支紅主道綠燈40秒s1（01）主黃，支紅主道黃燈5秒s3（11）主紅，支綠支道綠燈20秒s2（10）主紅，支黃支道黃燈5秒因為電路只有4個狀態(tài)：00、01、11、10。所以我選擇用d觸發(fā)器來實現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。電路如下：狀態(tài)控制電路是整個設(shè)計的核心部分。它是控制紅、綠、黃燈的樞紐部分。而的工作順序直接決定了整個電路的工作順序。但它需要計時電路的反饋信號來驅(qū)動。.計時和顯示電路 它負(fù)責(zé)了整個電路的計時和狀態(tài)控制是整個電路用的最多的部分。它采用兩塊74ls161實現(xiàn)，譯碼電路采用7

8、4ls47實現(xiàn)。具體如下： .紅、綠、黃燈的亮暗控制及置數(shù)電路：a.利用燈的真值表：q2q1主紅(r)主黃(y)主綠(g)支紅(r)支黃(y)支綠(g)0000 1100010101001010000111100010得到各個燈的如下關(guān)系： 轉(zhuǎn)換位電路圖為：b.置數(shù)電路是控制計時時間的電路，實現(xiàn)40秒、20秒、和5秒的自動轉(zhuǎn)換。利用燈的亮暗代表的1、0.來實現(xiàn)對計數(shù)器的控制。由于，要求的是倒計時，所以在置數(shù)時，置進(jìn)去的是反碼。這樣經(jīng)過161和47后出來的數(shù)字是倒計時的。但實際上161的計數(shù)器還是相加的，即161是逐加而非逐減的。實現(xiàn)電路如下：.選作部分 要求在出現(xiàn)緊急情況時，能保持主、支路的狀

9、態(tài)不變，計時也停止。 方案：可以在秒脈沖的輸入電路上，接入一個開關(guān)。當(dāng)一個道，例如支道出現(xiàn)意外時，直接斷開這個開關(guān)，系統(tǒng)循環(huán)就會停止。對于燈的亮暗，如果不能等到主道的綠燈亮，支道的紅燈暗時，可以直接給燈狀態(tài)控制電路置數(shù)，強制變?yōu)檫@個狀態(tài)。這個方法也的道老師的認(rèn)可。 五、 設(shè)計的總體電路圖 整個電路連接圖設(shè)計原理圖六、 實驗結(jié)果及分析 1. 實際測量的各個單元電路的輸入、輸出信號波形（每個矩形脈沖周期是10秒）： 2.高位片輸出波形（部分）（每個矩形脈沖周期為1秒）：3.低位片輸出波形（部分）（每個矩形脈沖周期為1秒）： 實驗板插好后，可以直觀地觀察到結(jié)果：狀態(tài)穩(wěn)定，顯示正確。4. 時間上： 主

10、道方向的時間變化為：405254052540； 支道方向的時間變化為：451954519545； 5. 燈的變化： 主道方向的燈的狀態(tài)為：綠黃紅黃綠； 支道方向的燈的狀態(tài)為：紅黃綠黃紅； 結(jié)果分析：結(jié)果完全符合設(shè)計要求，達(dá)到了實驗?zāi)康摹Ｕf明實驗分析正確，設(shè)計思路無誤。七、 實驗中遇到的問題、解決方法及注意事項i. 實驗中遇到的一些問題及其解決方法：1.在從555接出脈沖時，發(fā)現(xiàn)顯示燈一直在亮，也就是電路并不原來預(yù)計的那樣產(chǎn)生秒脈沖，多次檢查了電路，并沒發(fā)現(xiàn)沒有錯誤。斷定是元件位置有錯位，于是把兩個4.7微法的電容和0.1微法的電容給對換了，秒脈沖就出現(xiàn)了，顯示燈一閃一閃的。而且對于4.7微法的

11、電容若政府接錯了也出不來脈沖。2.把555接出的脈沖接到74ls74時，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)變化正確，但不穩(wěn)定。斷定接線不牢，重新插接后，故障排除3.當(dāng)把交通燈部分接上時，發(fā)現(xiàn)顯示不正常。燈顯示的順序沒有錯，但是顯示的時間并不按設(shè)計的那樣，紅燈偏長，黃燈偏短，檢查了電路多遍，完全正確。請教了老師斷定是那個74ls161接入電路可能接觸不好，結(jié)果把那部分先拔了再接，一切都回復(fù)正常。4.最后的問題就是計數(shù)器出現(xiàn)亂碼，很明顯這是復(fù)位問題。把控制部分用脈沖復(fù)位一下計數(shù)就正常了。最重要的一個也是最難解決的問題，就是在整個電路搭建好后。老是循環(huán)主道綠燈的40秒，而且狀態(tài)變化也不對。開始認(rèn)為是亂碼，但經(jīng)測試長時間也不能

12、進(jìn)入循環(huán)。所以檢查電路，發(fā)現(xiàn)是高位片的co端在計完數(shù)后沒發(fā)出進(jìn)位脈沖。這樣置數(shù)端低點位有效，當(dāng)然不能重新置數(shù)了。而控制74的脈沖連接如下：我們清楚看到高、低位片的co端，在經(jīng)過一個與門后仍為“0”低電位，所以狀態(tài)不發(fā)生變化。懷疑是實驗板壞了，造成短路，所以就把47拔下來，直接在管腳上直接連，發(fā)現(xiàn)好了。似乎問題找到了，但我老感覺這不是問題的根源。待74插回原來的地方后，也沒問題了。這就更堅信了我的想法，但問題出在哪呢？最后想到高位片的輸入d3、d4接的高電位，而對應(yīng)的輸出q3、q4接地了。會不會是這兩個狀態(tài)的對應(yīng)狀態(tài)都強制置數(shù)。影響161的工作呢，于是將q3、q4接在了47上。這樣改變后，經(jīng)測試

13、沒有出錯，為防意外。對整個電路斷電又加電反復(fù)測試，一切都正常了。在接下來的時間里，很多同學(xué)也出現(xiàn)了這個問題。我如法炮制，問題也得解決，但每個人的進(jìn)入正常循環(huán)的時間還是不一樣?？磥韱栴}出在了161上，低位片的正常工作更印證了這一點。也讓我對電路理論與實際的關(guān)系上理解更深刻了。ii. 注意事項：為防止集成電路芯片受損，在插入和拔出芯片時要非常小心。插入時應(yīng)使器件的方向一致，使所有引腳均對準(zhǔn)插座板上的小孔，均勻用力按下；拔出時，須用小起子對撬，以免使其引腳因受力不勻而彎曲或斷裂。正確合理布線:在電子電路中，由于布線錯誤而引起的故障占有很大比例。 1.器件和連線要排列整齊，一般按電路順序直線排列，輸入

14、與輸出線要遠(yuǎn)離。元器件插腳和連線要盡量短而直，以防止分布參數(shù)影響電路性能。2.布線時要注意在器件周圍走線，不從導(dǎo)線在集成塊上方跨過，以免妨礙排除故障或調(diào)換器件，而且漂亮、整潔。3.布線的時候先布電源線和地線，再布固定使用的規(guī)劃線(如固定接地線或接高電平、或接時鐘脈沖的連線等)，最后再逐級連接控制線及各種邏輯線。必要時可以邊接線邊測試，逐級進(jìn)行。走線應(yīng)盡可能少遮蓋其它插孔，以免影響其它導(dǎo)線的插入。這樣避免漏插和錯差。八、 實驗分析和總結(jié)本次實驗，讓我學(xué)到很多，也懂得很多。一切都是在自我摸索中學(xué)習(xí)進(jìn)步。雖然我們有事先準(zhǔn)備，但不夠充分。比如說，我們都在設(shè)計中使用了74ls161，而實際學(xué)習(xí)中是以74

15、ls163居多的，因為實驗室只有74ls161而沒有74ls163，所以我們就沒有74ls161的管腳圖。也就無法檢查其功能，和連接電路圖，還的在實驗時間上花時間去找，造成實驗時間的浪費。按以上步驟設(shè)計好電路以后，在實驗中也出現(xiàn)很多問題，如把電容調(diào)換了導(dǎo)致不能產(chǎn)生秒脈沖。線路沒接牢導(dǎo)致的接觸不良，出現(xiàn)了兩次。而復(fù)位沒做好使得計數(shù)不是從零開始等。但由于我們實驗還算相對小心以及認(rèn)真的思考，所以出現(xiàn)的問題也能及時的解決，使得實驗及時的完成。本次實驗最大的感觸是，做實驗遇到問題要耐心，有毅力，冷靜沉著的思考，才會發(fā)現(xiàn)問題的根源以及找到解決的途徑。特別是我們做計數(shù)部分時，出現(xiàn)的計數(shù)不正常的時候，很容易出現(xiàn)浮躁。但是那是解決不了問題的，認(rèn)真的盯著計數(shù)器看，還真讓我找到了規(guī)律。也幸虧老師鼓勵我們堅持到底，不要放棄，不