電子線路綜合設計交通燈控制電路設計

1、華 南 農(nóng) 業(yè) 大 學電子線路綜合設計 交通燈控制電路設計容光宗 胡添開 黃琳清09班級：電氣工程及其自動化5班 組別：6指導教師： 李繼宇2011年5月摘 要隨著當今社會交通業(yè)的迅速發(fā)展，交通指示燈成為安全交通必不可少的保障。本文通過數(shù)字電路的設計模擬仿真具有南北方向和東西方向的十字路口交通燈控制。通過對交通燈顯示狀態(tài)和倒計時的分析，制定出交通燈電路控制的總體結(jié)構(gòu)框架。分別從交通燈倒計時控制電路和狀態(tài)顯示兩方面出發(fā)，設計兩個方案。通過多方面的分析比較，最終確定采用倒計時控制顯示狀態(tài)的方案。交通燈控制電路采用9v電池通過7805三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)生5v電源供電。由555定時器組成多諧振蕩器產(chǎn)生時

2、鐘脈沖，經(jīng)74ls193進行二分頻，最終輸出1hz的脈沖信號：用74ls193和74ls74組成倒計時電路控制，一塊74ls193顯示十位，一塊74ls193顯示個位,d觸發(fā)器則用于倒計時的清零；通過對30s、20s、5s的二進制代碼分析，用門電路組成控制電路；控制電路產(chǎn)生的脈沖信號觸發(fā)74ls193組成的加法器；通過74ls138譯碼器將74ls193的輸出信號轉(zhuǎn)換為顯示燈的狀態(tài)選擇；通過分析，選擇合適的門電路實現(xiàn)交通燈的指示功能。關鍵詞 交通燈 控制電路 數(shù)字電路設計目 錄1設計任務及指標32交通燈控制電路分析42.1交通燈運行狀態(tài)分析.42.2控制電路總體框架圖.42.3方案設計及比較.

3、43交通燈控制電路設計.63.1電源電路設計.63.2脈沖產(chǎn)生電路設計.63.3脈沖分頻電路設計.7 3.4倒計時電路設計.8 3.5交通燈狀態(tài)控制電路設計.9 3.6顯示電路設計.10 3.7總體電路原理圖與焊接布線圖.124實驗誤差和故障分析.145課程設計的收獲、體會和建議15致謝參考文獻附錄1 設計任務及指標（1）要求南北方向（主干道）車道和東西方向（支干道）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為30秒、支干道每次通行間為20秒；（2）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（采用倒計時的方法）；（3）在綠燈轉(zhuǎn)為紅燈時，要求

4、黃燈先亮5秒鐘，才能變換運行車道；（4）黃燈亮時，要求每秒閃亮一次；（5）同步設置人行橫道紅、綠燈指示。2 交通燈控制電路分析2.1 交通燈運行狀態(tài)分析交通燈控制電路要求主干道綠燈或黃燈點亮時，主干道人行道紅燈點亮，支干道紅燈點亮且其人行道綠燈點亮；支干道綠燈或黃燈點亮時，支干道人行道紅燈點亮，主干道紅燈點亮且其人行道綠燈點亮；各干道綠燈黃燈紅燈循環(huán)點亮。經(jīng)分析，交通燈運行狀態(tài)可以歸納為以下四種情況：狀態(tài)0：主干道綠燈點亮，其人行道紅燈點亮，支干道紅燈點亮且其人行道綠燈點亮；狀態(tài)1：主干道黃燈點亮，其人行道紅燈點亮，支干道紅燈點亮且其人行道綠燈點亮；狀態(tài)2：主干道紅燈點亮，其人行道綠燈點亮，支

5、干道綠燈點亮且其人行道紅燈點亮；狀態(tài)3：主干道紅燈點亮，其人行道綠燈點亮，支干道黃燈點亮且其人行道紅燈點亮。狀態(tài)0的時間為25s，然后轉(zhuǎn)換為狀態(tài)1，持續(xù)5s后，狀態(tài)3開始并持續(xù)15s，切換狀態(tài)4并持續(xù)5s；至此，完成一個周期。2.2 控制電路總體框架圖交通燈控制電路由電源電路、脈沖產(chǎn)生電路、分頻電路、減法器構(gòu)成的倒計時電路、燈狀態(tài)變換電路、燈顯示電路?？蚣軋D如下：脈沖電路分頻電路倒計時電路顯示器狀態(tài)控制電路燈顯示電路電路電源電路供電圖1 控制電路總體框架圖2.3 方案設計及比較經(jīng)過交通燈狀態(tài)顯示分析，可以分別從倒計時控制和燈轉(zhuǎn)換控制兩方面出發(fā)，設計兩種方案：（1） 先設計倒計時電路，從倒計時電

6、路中分析得出僅在30s、5s、20s產(chǎn)生有效信號進行交通燈顯示狀態(tài)選擇的數(shù)字電路，即燈控制電路在30s、5s、20s切換燈的點亮信號，其他時刻不產(chǎn)生使燈變換的有效電平。（2） 先設計燈顯示狀態(tài)變換的控制電路，再從各燈的控制信號中分離出有效信號使計數(shù)器開始和停止工作，即主干道紅綠點亮信號使計時器倒數(shù)30s，黃燈點亮信號使計時器倒數(shù)5s，紅燈點亮信號使計時器倒數(shù)20s?？紤]到方案二所需元器件較多，并且從燈控制信號到控制計數(shù)器工作可能產(chǎn)生較大的延時，我們選擇較容易實現(xiàn)交通燈功能的方案一進行設計。3 交通燈電路設計3.1 電源電路設計 設計采用9v電池經(jīng)7805三端集成穩(wěn)壓器產(chǎn)生5v電壓供電，從1端輸

7、入9v電壓，3端輸出5v電壓，c1與c2為穩(wěn)壓作用。電路原理圖如下：圖2 電源電路3.2 脈沖產(chǎn)生電路設計 采用555定時器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生脈沖信號。由公式：可以確定某頻率下、的值。輸出頻率為2hz，選=4.7uf，計算得出=75k，=39k。電路原理圖與輸出脈沖仿真圖如下：圖3 脈沖產(chǎn)生電路圖4 輸出波形3.3 脈沖分頻電路設計 由555定時器產(chǎn)生的脈沖波高低電平的脈寬不一樣，而且產(chǎn)生的頻率為2hz，不符合需求。用74ls193進行二分頻，最終得到1hz的脈沖波。二分頻電路原理圖如下：圖5 分頻電路3.4 倒計時電路設計倒計時電路用到的芯片有74ls193、74ls74、cd4511。電路

8、設計由30s開始倒數(shù)，倒數(shù)至零時轉(zhuǎn)換為20s倒數(shù)，然后再進行30s倒數(shù)，如此不斷循環(huán)。用一塊74ls193實現(xiàn)十位倒數(shù)，用一塊74ls193進行個位倒數(shù)。預置30時減法器不能實現(xiàn)倒數(shù)，當個位從零減一，產(chǎn)生減位信號低電平使芯片恢復到預置數(shù)狀態(tài)，然后再進行倒數(shù)，不斷循環(huán)，這樣倒計時只能產(chǎn)生這樣狀態(tài)：3020100030。因此采用預置29進行倒數(shù)。在一塊74ls193預置9進行個位倒數(shù)，遇到輸入脈沖上升沿，進行減法計數(shù)，當減至零時，輸出減位信號觸發(fā)表示十位的74ls193進行減法計數(shù)，同時減位信號也輸送到觸發(fā)器74ls74。74ls74是上升沿觸發(fā)，利用觸發(fā)器能填補個位倒計時從0變到9的那一秒時間空

9、缺，避免了缺失0變化到9那一秒的缺失。當十位減為零時，輸出減位信號給觸發(fā)器，觸發(fā)其翻轉(zhuǎn)功能，從而實現(xiàn)從111011的變化，即通過控制二進制低位來控制74ls193的預置數(shù)來實現(xiàn)十位30203的變換。二進制的倒計時信號通過cd4511在數(shù)碼管上顯示十進制數(shù)字。電路原理圖如下：圖6 倒計時電路3.5 交通燈狀態(tài)控制電路設計交通燈控制要求僅在30s、5s、 20s（30s倒數(shù)為零后的20s）選擇燈的亮滅，轉(zhuǎn)為二進制即：110000、000101、100000。若狀態(tài)轉(zhuǎn)換采用電平觸發(fā)，則在30s倒數(shù)了十秒后出現(xiàn)顯示燈的狀態(tài)選擇，不符合設計要求；考慮用上升沿觸發(fā)74ls193。狀態(tài)控制信號轉(zhuǎn)換表如下表：

10、表1 狀態(tài)控制信號轉(zhuǎn)換表 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1經(jīng)分析與歸納，可以得出：根據(jù)以上表達式，利用邏輯門電路可以產(chǎn)生cp信號?？刂齐娐穲D如下(門電路部分)：圖7 顯示狀態(tài)變換控制電路3.6 顯示電路設計以控制電路產(chǎn)生的上升沿信號cp觸發(fā)74ls193并經(jīng)74ls138譯碼器進行顯示燈的選擇。通過proteus仿真，可以得出：在30s6s，74ls193低兩位輸出為10；在5s0s, 74ls193低兩位輸出為11；在20s6s，74ls193低兩位輸出為00；在5s0s，74ls193低兩位輸出為01。這四種狀態(tài)可以通過譯碼器74ls138

11、進行燈顯示的選擇。以g表示綠燈，y表示黃燈，r表示紅燈，則顯示燈狀態(tài)電路表如下：表2 顯示燈狀態(tài)電路表74ls193輸出信號譯碼器信號 主干道 主人行道 支干道支人行道 10 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 11 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 00 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 01 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1由上表可以看出： 交通燈控制電路需要黃燈為閃亮狀態(tài)，則黃燈還需要一個脈沖信號輸入。由以上表達式結(jié)合邏輯門電路設計知識可以設計出燈狀態(tài)顯示電路如圖8：圖8 燈狀態(tài)顯示電路3.7 總體電路

12、原理圖與焊接布線圖經(jīng)proteus仿真能實現(xiàn)交通燈功能的電路原理圖：圖9 總體電路圖proteus畫焊接布線圖：圖10 焊接布線圖4 實驗誤差和故障分析1交通燈倒計時過快，實驗值與標準值對比如表：表3 倒計時性能指標測試測試值（s） 1020304050標準值（s） 12 24 36.5 49 61誤差 （%） 20 20 22 23 22經(jīng)示波器檢測，脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的脈沖波頻率過大，調(diào)整合適電阻后，倒計時誤差減小至允許范圍。2倒計時個位從0變化到9期間會出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象：數(shù)碼管為全滅狀態(tài)持續(xù)大約23秒。分析：是否脈沖波周期性延時？經(jīng)檢測，脈沖波輸出正常；是否74ls193接法出現(xiàn)錯誤？檢查接

13、線后，發(fā)現(xiàn)無錯誤；檢查74ls74工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)與個位相關的觸發(fā)器工作狀態(tài)與仿真狀態(tài)不一樣，猜測可能脈沖波輸入觸發(fā)器產(chǎn)生電平延時，為調(diào)整波形，在脈沖波加非門電路，最終倒計時電路恢復正常工作。3交通燈顯示狀態(tài)混亂。從狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路開始排查，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路出現(xiàn)接線錯誤，糾正后，電路恢復正常工作。4倒計時個位顯示在8、9時為全滅狀態(tài)，從7倒數(shù)到4，然后自動跳轉(zhuǎn)到7。分析二進制數(shù)發(fā)現(xiàn)從4到3剛好高第二位從1變?yōu)?。經(jīng)檢測硬件，發(fā)現(xiàn)74ls193的6腳與9腳相接短路。改正線路后，倒計時電路恢復正常。5在硬件調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)有不少短接和斷路現(xiàn)象。例如倒計時電路不會倒數(shù)，用萬用表檢測脈沖波輸入端，發(fā)現(xiàn)無脈沖

14、輸入，認真檢查焊接電路，發(fā)現(xiàn)某跳線漏接；支干道紅燈一直不亮，而主干道運行正常，出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，排除狀態(tài)轉(zhuǎn)換電路出現(xiàn)故障，最可能出現(xiàn)問題是紅燈接地出現(xiàn)錯誤，用萬用表檢測，發(fā)現(xiàn)紅燈正極與地線短接，糾正后，紅燈工作正常。6經(jīng)以上排查和糾錯，再次測試電路，交通燈轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)如下表（分別用g1、y1、r1、g2、y2、r2表示主干道綠、黃、紅燈和支干道綠、黃、紅燈）：表4 干道交通燈數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換表g1y1r1g2y2r230s6s1000015s0s01000120s6s0011005s0s001010以g12、r12、g22、r22分別表示主人行道綠、紅燈和支人行道綠、紅燈，實驗數(shù)據(jù)如下表：表5 人行道交通燈

15、轉(zhuǎn)換表g12r12g22r2230s6s01105s0s011020s6s10015s0s1001 從表4表5可以得，交通燈控制電路可以實現(xiàn)要求。5 課程設計的收獲、體會和建議 在這次課程設計中，學會了使用仿真軟件和焊接布線軟件，掌握了數(shù)字電路的設計方法和技巧。在課程設計過程，體會到團隊合作的重要性和樂趣。從最初的狀態(tài)分析，到圖書館和網(wǎng)上查找資料，設計原理圖，原理圖改錯，焊接布線，到最后的實驗室電路調(diào)試與解決故障，焊接電路和硬件檢錯與分析校正，組員都很認真去做，因此也經(jīng)常熬夜，但每完成一個步驟都很有成就感。致 謝 感謝學校和老師安排的這次課程設計，讓我們有機會體驗到數(shù)字電路設計的樂趣。感謝組員們的相互配合，使電路最終能設計出來并成功焊接。感謝老師的指導，使我們能順利的完成電路的檢錯和完善。 衷心感謝幫助過我們的老師和同學。參 考 文 獻1康華光.電子技術基礎模擬部分.第5版.北京：高等教育出版社，2006.500-5062康華光.電子技術基礎數(shù)字部分.第5版.北京：高等教育出版社，2006.1-4303呂思忠 施齊云.數(shù)字電路實驗與課程設計.第1版.哈爾濱：工程大學出版社，2001.185-199附錄一 總體電路圖附錄二 電子元器件清單器件名稱規(guī)格數(shù)量備注cd451