交通信號(hào)燈控制器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)成績(jī)中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)課程論文（2007-2008學(xué)年 第二 學(xué)期）論文題目： 交通燈信號(hào)控制器 課程名稱： 電子技術(shù) 任課教師： 馮磊 班級(jí)： 電子061 學(xué)號(hào)： 0608140502 姓名： 于一鳴 交通燈信號(hào)控制器 設(shè)計(jì)報(bào)告于一鳴(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院 電子061班)摘要：交通燈是人們生活中常常見(jiàn)到的一部分。不同的交通燈，變化規(guī)律會(huì)有很大差別。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的交通燈控制器規(guī)律典型，通用性好，稍加更改即可廣泛應(yīng)用在各大街道交叉口。它使用市面上廣泛應(yīng)用的40系列芯片作為主要元器件，成本低、性能優(yōu)良；算法簡(jiǎn)單優(yōu)化，干擾小，不易出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤。本文主要介紹了該交通燈控制器的設(shè)計(jì)思

2、路、原理和方法，仿真和實(shí)際測(cè)試、分析，設(shè)計(jì)心得體會(huì)以及競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)象的檢測(cè)和排除等內(nèi)容。關(guān)鍵字：交通燈 交通燈控制器 Multisim 競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)象一、 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1、 用兩組紅、綠、黃發(fā)光二極管作信號(hào)燈，分別指示主道和支道的通行狀態(tài)。2、 通行狀態(tài)自動(dòng)交替轉(zhuǎn)換，主道每次通行30秒，支道每次通行20秒，通行交替間隔時(shí)間為5秒。3、 通行狀態(tài)轉(zhuǎn)換依照“主道優(yōu)先”的原則，即：當(dāng)主道通行30秒后，若支道無(wú)車則繼續(xù)通行；當(dāng)支道通行20秒后，只有當(dāng)知道有車且主道無(wú)車時(shí)才允許繼續(xù)通行。（用按鍵模擬路口是否有車）4、 設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)顯示電路，計(jì)時(shí)方式盡量采用倒計(jì)時(shí)。二、 總體方案設(shè)計(jì)1、 系統(tǒng)原理該電路為時(shí)

3、序邏輯與組合電路的結(jié)合。主控部分為時(shí)序電路，狀態(tài)表示主道、支道亮燈的情況，時(shí)鐘來(lái)自計(jì)時(shí)控制部分的反饋；路燈顯示與計(jì)時(shí)顯示部分為組合電路，由主狀態(tài)經(jīng)過(guò)既定邏輯控制；時(shí)基電路是基于555的多諧振蕩器，作為計(jì)時(shí)控制電路的時(shí)鐘。綠 黃 紅譯碼驅(qū)動(dòng)電路反饋控制電路時(shí)基電路主 控 電 路計(jì)時(shí)顯示電路譯碼驅(qū)動(dòng)電路置數(shù)電路支干道主干道計(jì)時(shí)控制電路綠 黃 紅2、 原理框圖三、 單元電路設(shè)計(jì)1、 主控電路部分1) 基本原理對(duì)設(shè)計(jì)要求分析后可得，電路的主狀態(tài)共有四種（詳見(jiàn)下），故選擇兩個(gè)狀態(tài)變量，通過(guò)兩個(gè)觸發(fā)器控制。21狀態(tài)數(shù)=422 = 變量個(gè)數(shù)=22) 狀態(tài)選擇17道路狀態(tài)主干道支干道00綠紅01黃紅10紅綠1

4、1紅黃主狀態(tài)(Q1Q2)道路狀態(tài)主干道支干道00無(wú)車無(wú)車01無(wú)車有車10有車無(wú)車11有車有車通車情況(X1X2)3) 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(Q1Q2表示主狀態(tài)，X1X2表示通車情況)Q1Q21111001XX00100000010XX0X1X2011000010114) 卡諾圖Q1Q2X1X200011110000101010101110101100101Q1*=Q1Q2+Q1Q2Q1Q2X1X200011110000001011000111001100001Q2*=X2Q1Q2+X1Q1Q2+X2Q1Q25) 芯片選擇觸發(fā)器個(gè)數(shù)=變量個(gè)數(shù)=2觀察Q1*、Q2*特征，決定選用雙JK觸發(fā)器CD4027JK

5、觸發(fā)器特性方程為：Q*=JQ+KQJ1=Q2K1=Q2 J2=X2Q1+(X1+X2)Q1K2=16) 主控電路圖2、 交通燈控制電路部分1) 真值表Q1Q2主綠(G)主黃(Y)主紅(R)支綠(g)支黃(y)支紅(r)001000010101000110001100110010102) 邏輯表達(dá)式G=Q1Q2 Y=Q1Q2 R=Q1g=Q1Q2 y=Q1Q2 r=Q13) 電路圖3、 計(jì)時(shí)電路部分1) 計(jì)時(shí)控制電路考慮到倒計(jì)時(shí)即便于設(shè)計(jì)又更符合大眾習(xí)慣，同時(shí)又要便于控制，我們選用了兩塊CD40192-十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器作為計(jì)時(shí)控制芯片。它具有置數(shù)、置零等多個(gè)使能端，同步時(shí)鐘，加減雙向等特點(diǎn)，十分

6、符合題目要求。a) CD40192時(shí)序圖b) CD40192性質(zhì)分析i. 置數(shù)端(CLEAR)低電平有效，置零端(LOAD)高電平有效，兩者皆無(wú)視時(shí)鐘，有效后計(jì)數(shù)輸出立即變化。ii. 計(jì)數(shù)輸出上升沿觸發(fā)，借位端(BORROW)下降沿觸發(fā)。iii. 借位端在上升沿一定變成高電平。2) 譯碼驅(qū)動(dòng)及計(jì)時(shí)顯示電路實(shí)驗(yàn)室提供了共陰極七段數(shù)碼管和CD4511-BCD-7SEG譯碼器作為驅(qū)動(dòng)芯片。注意必須添加限流電阻進(jìn)行電流控制。R限5mA5V-1.66V1.5k3) 電路圖4、 反饋控制電路部分1) 基本原理將十位的CD40192的借位端引出作為反饋信號(hào)，控制置數(shù)與否及主控電路的時(shí)鐘。反饋控制部分控制電路

7、的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需結(jié)合整體綜合考慮，因素較多，是設(shè)計(jì)難點(diǎn)和重點(diǎn)。2) 置數(shù)反饋邏輯由于借位端與置數(shù)端都是低電平有效端，所以只需將借位端引出直接接入置數(shù)端即構(gòu)成置數(shù)反饋邏輯。3) 主控時(shí)鐘反饋邏輯由于借位端在計(jì)數(shù)器持續(xù)置零時(shí)呈現(xiàn)高低電平交替輸出的狀態(tài)，故可引出直接接入JK觸發(fā)器時(shí)鐘端作為時(shí)鐘信號(hào)。4) 電路圖：見(jiàn)附錄一5、 置數(shù)電路部分1) 基本原理四種主狀態(tài)與置入計(jì)數(shù)器的數(shù)呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)合反饋控制部分，我們發(fā)現(xiàn)，由于芯片的延時(shí)效應(yīng)，當(dāng)主控時(shí)鐘上升沿到來(lái)，主狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，置數(shù)信號(hào)已消失。所以需要用前一時(shí)刻的主狀態(tài)給后一時(shí)刻置數(shù)。觀察得，當(dāng)Q2=0時(shí)，主狀態(tài)有可能保持不變；當(dāng)Q2=1時(shí)，電路黃燈

8、，下一狀態(tài)必然發(fā)生變化。因?yàn)镵2=1，所以當(dāng)J2=0時(shí)，Q2=0;Q2*=0，電路將保持原狀態(tài)。2) 真值表Q1Q2J2置數(shù)2D2C2B2A1D1C1B1A000000000000001500000101011200010000010000000000010150000010111130001100003) 邏輯表達(dá)式2D=2C=1D=1B=02B=Q22A=Q1Q21C=1A=Q2J24) 電路圖：見(jiàn)附錄一6、 時(shí)基電路部分1) 基本原理實(shí)驗(yàn)室提供了NE555芯片。所以我們用555、電阻、電容構(gòu)成多諧振蕩器。2) 電路原理圖3) 周期計(jì)算a) 周期公式：T=(R1+2R2)C1ln2b) 電

9、阻、電容參數(shù)計(jì)算選C1=100F，R1=1kT=1sR2=12TC1ln2-R112(1s100F0.69-1k)6.75k選R2=6.8k4) 波形仿真（頻率擴(kuò)大1000倍）四、 Multisim仿真及結(jié)果分析1、 仿真電路圖：見(jiàn)附錄一2、 結(jié)果分析1) 定態(tài)分析：指計(jì)數(shù)器不等于零，主狀態(tài)不發(fā)生變化。a) 測(cè)試方法：因?yàn)橹?、支路都有車時(shí)，主狀態(tài)不存在保持的情況，因此令X1=X2=1即可。b) 測(cè)試結(jié)果：主道亮燈支道亮燈計(jì)數(shù)器變化是否正常GR300正常YR50正常RG200正常RY50正常2) 動(dòng)態(tài)分析：指計(jì)數(shù)器由零重新置數(shù)，主狀態(tài)發(fā)生變化或保持。a) 測(cè)試方法：對(duì)不同的主狀態(tài)、不同的車輛情況

10、分別測(cè)試。b) 測(cè)試結(jié)果：主道亮燈支道亮燈X1X2變化/保持計(jì)數(shù)器變化是否正常0000/10保持保持0正常01/11變化0-5正常01XX變化0-20正常1001保持保持0正常00/10/11變化0-5正常11XX變化0-30正常五、 電路的組裝和調(diào)試1、 使用的主要儀器和儀表1) 5V電源2) 示波器3) 萬(wàn)用表2、 問(wèn)題、原因、排除方法和技巧1) 時(shí)基電路輸出信號(hào)的時(shí)基問(wèn)題a) 原因：示波器的掃描信號(hào)在低頻(1Hz)時(shí)不準(zhǔn)確，使頻率的測(cè)試結(jié)果發(fā)生假錯(cuò)誤。b) 解決方法：用秒表測(cè)試高低點(diǎn)平變化的周期即可2) 計(jì)數(shù)器保持在0時(shí)刻不變化a) 原因：焊接過(guò)程中，由于導(dǎo)線粘連，導(dǎo)致置數(shù)電路中非門來(lái)自

11、J2的輸入信號(hào)與地線短路，使得置數(shù)信號(hào)恒為零。b) 解決方法：i. 接通電路，當(dāng)電路出現(xiàn)錯(cuò)誤(計(jì)數(shù)器保持在0時(shí)刻)時(shí)，用萬(wàn)用表逐一測(cè)試各主要端口的電壓是否正確，發(fā)現(xiàn)置數(shù)部分的與門輸出不正確(為0)；測(cè)試該與門的輸入，發(fā)現(xiàn)來(lái)自J2的信號(hào)不正確；測(cè)試J2信號(hào)的源，全部正確。ii. 斷開(kāi)電路，用萬(wàn)用表二極管端測(cè)試J2信號(hào)與其他端口的短路情況，發(fā)現(xiàn)與地線短路。3、 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析(同仿真部分。排除錯(cuò)誤后，測(cè)試結(jié)果全部正確)六、 電路所用元件功能單元功能單元數(shù)量元件/對(duì)應(yīng)芯片元件/芯片數(shù)量與門7CD40812或門2CD40711非門1CD40691JK觸發(fā)器2CD40271十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器2CD4019

12、22BCD-共陰極7SEG譯碼器2CD451125551NE5551-一次性電路板1-共陰極數(shù)碼管2-發(fā)光二極管6-510電阻20-1K電阻1-6.8K電阻1-100F電容1-10nF電容1-單刀雙擲開(kāi)關(guān)2-各類芯片座若干-導(dǎo)線若干總計(jì)（芯片數(shù)/總數(shù)）10/45七、 心得體會(huì)1、 關(guān)于電路設(shè)計(jì)方法1) 剛拿到題目，也許會(huì)感到無(wú)從下手。這時(shí)應(yīng)該將復(fù)雜的電路分成若干相互獨(dú)立的部分，形成獨(dú)立模塊。分別設(shè)計(jì)每個(gè)模塊會(huì)簡(jiǎn)單很多。2) 主控部分狀態(tài)變量和狀態(tài)數(shù)量的選擇是一個(gè)很有難度的事情，不同的主狀態(tài)可能會(huì)使電路發(fā)生重大變化。我認(rèn)為應(yīng)該嘗試不同的狀態(tài)變量和狀態(tài)數(shù)量，結(jié)合電路其他部分挑選出最合適的主控電路；

13、不應(yīng)該局限于一種主狀態(tài)。3) 保證電路簡(jiǎn)單化是成敗的關(guān)鍵。方法只有一個(gè)，不斷優(yōu)化。2、 關(guān)于時(shí)序分析1) 時(shí)序分析可以說(shuō)是電路設(shè)計(jì)最費(fèi)時(shí)費(fèi)力的部分。上升沿、下降沿這種動(dòng)態(tài)變化分析起來(lái)比較困難，加上時(shí)延等復(fù)雜因素，使得大部分時(shí)間和精力都消耗這里。2) 信號(hào)經(jīng)過(guò)每一塊芯片，都會(huì)發(fā)生不同程度的時(shí)延。延時(shí)的大小在芯片資料上可以查到。電路設(shè)計(jì)到后期，應(yīng)該考慮各信號(hào)尤其是主信號(hào)和反饋信號(hào)的時(shí)延情況。時(shí)延測(cè)試電路1ms/格 看不出有時(shí)延100ns/格 時(shí)延清晰可見(jiàn)3、 關(guān)于競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)象1) 本電路的設(shè)計(jì)過(guò)程第一次使我意識(shí)到競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)象的嚴(yán)重性。有些電路邏輯上正確，但結(jié)果就是不對(duì)，原因很有可能是競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)象。2) 測(cè)試方法：將懷疑有問(wèn)題的結(jié)點(diǎn)接入多通道示波器，在主狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)暫停電路并放大示波器的X軸至100ns級(jí)，觀察狀態(tài)變化的先后即可發(fā)現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)象。1ms/格 競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)使輸出出現(xiàn)尖脈沖100ns/格 尖脈沖放大B、C為或非門輸入，A為其輸出3) 解決方法：將存在競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)象的信號(hào)接入數(shù)個(gè)門電路進(jìn)行延時(shí)。200ns/格 對(duì)B進(jìn)行延時(shí)，成功解決競(jìng)爭(zhēng)-冒險(xiǎn)現(xiàn)