蘭州理工大學電信院數(shù)電課設交通燈

1、電子技術(shù)綜合訓練設計報告題目： 交通信號燈控制器制作 摘 要 交通信號燈常用于交叉路口，用來控制車輛的流量，提高交叉路口車輛的通行能力，減少交通事故。本交通燈設計主要由定時器、控制器、譯碼顯示電路組成。定時器由74ls160實現(xiàn)，控制器由74ls74組成，譯碼電路采用bd4511和七段數(shù)碼管來顯示?？刂破魍ㄟ^74ls74、74ls08、74ls04對定時器進行控制，從而顯示紅黃綠燈的轉(zhuǎn)換。關鍵字：交通燈 控制器 定時器 譯碼器 目 錄摘 要21.1 設計任務41.2 設計要求52 系統(tǒng)設計52.1 系統(tǒng)要求52.2方案設計62.2.1 控制電路方案設計62.2.2 計數(shù)電路方案設計62.2.3

2、 譯碼電路方案設計72.2.4 信號燈與數(shù)字顯示方案設計73 單元電路設計83.1脈沖信號發(fā)生電路的實現(xiàn)83.1.1電路的基本特點83.1.2電路基本原理83.1.3電路原理圖93.2計數(shù)電路10 3.2.1 74ls160功能介紹103.2.2 計數(shù)電路原理圖113.3控制電路123.3.1控制電路工作原理123.3.2控制電路原理圖133.4譯碼電路143.4.1譯碼電路工作原理143.4.2 譯碼電路原理圖143.5顯示部分153.5.1共陰極led七段數(shù)碼管153.5.2 cd4511譯碼器163.5.3 譯碼電路原理圖193.6直流電源設計204 電路仿真.225 電路安裝與調(diào)試24

3、5.1電路安裝245.1.2安裝焊接245.1.2焊盤應注意的常見問題255.2電路調(diào)試25結(jié) 論26總結(jié)與體會27參考文獻28附 錄291 設計任務和要求1.1 設計任務設計并制作一個十字路口的交通信號燈控制器，控制甲、乙兩條交叉道路上的車輛通行。1.2 設計要求1、 每條道路設一組信號燈，每組信號燈由紅、黃、綠三個燈組成， 綠燈綠表示允許通行，紅燈表示禁止通行，黃燈表示該車道上已 過停車線的車輛繼續(xù)通行，未過停車線的車輛禁止通行；2、每條道路上每次通行的時間為25s；3、每次變換通行車道之前，要求黃燈先亮5s，才能變換通行車道；4、黃燈亮時，要求每秒鐘閃爍一次；5、電源：220v/50hz

4、的工頻交流電供電；（注：直流電源部分僅完成設計即可，不需制作，用實驗室提供的穩(wěn) 壓電源調(diào)試，但要求設計的直流電源能夠滿足電路要求）6、按照以上技術(shù)要求設計電路，繪制電路圖，對設計的電路用multisim或orcad/pspicead9.2進行仿真，用萬用板焊接元器件，2 系統(tǒng)設計 2.1 系統(tǒng)要求在這一方案中，系統(tǒng)主要由控制器、定時器、譯碼器等部分組成。譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時器和譯碼器的工作。圖中： tl: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到，tl=1，否則，tl=0。 ty

5、：表示黃燈亮的時間間隔為5秒。定時時間到，ty=1，否則，ty=0。 st：表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。由它控制定時器開始下個工作狀態(tài)的定時。交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示 圖1 系統(tǒng)的原理框圖一般情況下，十字路口的交通信號燈工作狀態(tài)如下：（1） 甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時間隔tl時，控制器發(fā)出狀態(tài)信號st，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。（2）乙車道黃燈亮，乙車道黃燈亮。表示車輛緩行。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）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。表示甲車道禁止

6、通行，乙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)。 交通燈以上3種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器器進行控制的。2.2方案設計2.2.1 控制電路方案設計控制電路根據(jù)圖中的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，控制器有三個狀態(tài)，因此可由兩個觸發(fā)器構(gòu)成，本設計中選用兩個d觸發(fā)器產(chǎn)生三個狀態(tài)，該設計選用四選一的數(shù)據(jù)選擇器74ls153來實現(xiàn)，觸發(fā)器采用雙d觸發(fā)器74ls74。第一個觸發(fā)器控制黃燈和第二個觸發(fā)器控制紅綠燈，由于d觸發(fā)器是上升沿觸發(fā)，所以第一個在5進制計時后改變狀態(tài)，黃燈滅，紅綠燈工作，進入25進制計數(shù)。2.2.2 計數(shù)電路方案設計 十字路口除指示燈顯示外，還有數(shù)字倒

7、計時顯示。具體為：當某方向綠燈亮時，另一方向紅燈亮，然后以每秒加1的計數(shù)方式工作，直至減到數(shù)字為“25”時綠燈滅，黃燈從“00”開始工作直到“05”后，紅燈亮，而另一方向紅燈滅，綠燈亮。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)。 倒計時計數(shù)器選用集成電路74ls160進行設計。74ls160是十進制同步可逆計數(shù)器。 選用兩個74ls160級聯(lián)成一個二十五進制計數(shù)器和一個五進制計數(shù)器。將其中作為個位數(shù)的芯片的clk端接秒脈沖發(fā)生器（1hz的脈沖），rco端接在十位數(shù)芯片的clk端。當啟用五進制計數(shù)器時，個位數(shù)預置為5，即a接“1”、b接“0”、c接“1”、d接“0

8、”。當啟用二十五進制計數(shù)器時，個位數(shù)預置為5，即a接“1”、b接“0”、c接“1”、d接“0”。十位數(shù)預置為2，即a接“0”、b接“1”、c接“0”、d接“0”。2.2.3 譯碼電路方案設計 譯碼器電路的作用是將控制器輸出構(gòu)成的三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為ab車道上六個信號燈的控制信號。定義：a車道綠燈亮為ag=1，綠燈滅為ag=0；黃燈亮為ay=1，黃燈滅為ay=0；紅燈亮為ar=1，紅燈滅為ar=0。同樣可以令b車道上綠燈亮為bg=1，綠燈滅為bg=0；黃燈亮為by=1，黃燈滅為by=0；紅燈亮為br=1，紅燈滅為br=0。 要求黃燈每秒閃一次，用頻率為1hz的脈沖連在控制黃燈的輸入端即可。2.2.4

9、信號燈與數(shù)字顯示方案設計信號燈采用了發(fā)光二極管。信號燈旁用cd4511和數(shù)碼管顯示器顯示當前秒數(shù)。3 單元電路設計3.1脈沖信號發(fā)生電路的實現(xiàn)3.1.1電路的基本特點 在數(shù)字電路和數(shù)字系統(tǒng)中，需要各種脈沖波形。例如時鐘脈沖，控制過程中的定時信號等。我們可以采用脈沖信號產(chǎn)生電路或通過已有的信號進行變換，來獲取所需要的脈沖信號以滿足實際系統(tǒng)的要求。當然，有些電路對時鐘脈沖的要求并不是很高，所以可以依據(jù)自己電路的實際需求，從性價比方面來選擇脈沖發(fā)生器，3.1.2電路基本原理原本構(gòu)思中，脈沖信號發(fā)生器可以用一片555定時電路構(gòu)成的多諧振蕩器來實現(xiàn)，但是在實際電路中由于是振蕩電路，很難滿足要求，因此設計

10、用了晶振。脈沖周期為1s。圖中左邊部分用來產(chǎn)生32768hz的頻率，經(jīng)過4060bd分頻 為2hz，在經(jīng)過d觸發(fā)器實現(xiàn)1hz。因為本電路中用到的是1s的脈沖，所以依據(jù)電阻和電容的定值表可以得，我們選r15=10k，r23=10m,r22=470k,c1=c2=15pf。3.1.3電路原理圖上面即為產(chǎn)生1s的脈沖電路，仿真出的波形如下：3.2計數(shù)電路 3.2.174ls160功能介紹 這種同步可預置十進計數(shù)器是由四個d 型觸發(fā)器和若干個門電路構(gòu)成，內(nèi)部有超前進位，具有計數(shù)、置數(shù)、禁止、直接（異步）清零等功能。對所有觸發(fā)器同時加上時鐘，使得當計數(shù)使能輸入和內(nèi)部門發(fā)出指令時輸出變化彼此協(xié)調(diào)一致而實現(xiàn)

11、同步工作。這種工作方式消除了非同步（脈沖時鐘）計數(shù)器中常有的輸出計數(shù)尖峰。緩沖時鐘輸入將在時鐘輸入上升沿觸發(fā)四個觸發(fā)器。這種計數(shù)器是可全編程的，即輸出可預置到任何電平。當預置是同步時，在置數(shù)輸入上將建立一低電平，禁止計數(shù)，并在下一個時鐘之后不管使能輸入是何電平，輸出都與建立數(shù)據(jù)一致。清除是異步的（直接清零），不管時鐘輸入、置數(shù)輸入、使能輸入為何電平，清除輸入端的低電平把所有四個觸發(fā)器的輸出直接置為低電平。超前進位電路無須另加門，即可級聯(lián)出n 位同步應用的計數(shù)器。它是借助于兩個計數(shù)使能輸入和一個動態(tài)進位輸出來實現(xiàn)的。兩個計數(shù)使能輸入（enp 和ent）計數(shù)時必須是高電平，且輸入ent 必須正反饋

12、，以便使能動態(tài)進位輸出。因而被使能的動態(tài)進位輸出將產(chǎn)生一個高電平輸出脈沖，其寬度近似等于qa 輸出高電平。此高電平溢出進位脈沖可用來使能其后的各個串聯(lián)級。使能enp 和ent 輸入的跳變不受時鐘輸入的影響。電路有全獨立的時鐘電路。改變工作模式的控制輸入（使能enp、ent 或清零）縱使發(fā)生變化，直到時鐘發(fā)生為止，都沒有什么影響。計數(shù)器的功能（不管使能、不使能、置數(shù)或計數(shù)）完全由穩(wěn)態(tài)建立時間和保持時間所要求的條件來決定。 特點·用于快速計數(shù)的內(nèi)部超前進位·用于n 位級聯(lián)的進位輸出·同步可編程序·有置數(shù)控制線·二極管箝位輸入·直接清零&#

13、183;同步計數(shù)圖3 74ls160外引腳排列3.2.2 計數(shù)電路原理圖 計時電路設計如圖4所示 圖4 交通燈計時電路 其工作原理為：由信號源產(chǎn)生的脈沖cp送給74ls160低位片的時鐘端clk處。輸入端a b c d分別接地.。低位片的行波時鐘輸出端rco1與高位片的clk相連，實現(xiàn)異步置數(shù)。兩個芯片的u /d端分別接高電平實現(xiàn)減計數(shù)控制 。 設計要求綠燈和紅燈的持續(xù)時間為25s，黃燈持續(xù)時間為5s，所以計數(shù)電路包括二十五進制和五進制的計數(shù)部分.3.3控制電路3.3.1控制電路工作原理控制電路由紅綠燈控制和黃燈控制兩部分組成，要了解電路的特點，首先應了解交通燈的實際工作工程。當啟動交通燈系統(tǒng)

14、開關后，交通燈開始工作：假設當甲方向紅燈亮時，乙方向綠燈亮，led數(shù)碼管從00秒開始加法計數(shù)；25秒后，黃燈開始有頻率的閃爍，led數(shù)碼管從00秒開始加法計數(shù)；5秒后，甲方向的綠燈亮，乙方向的紅燈亮，同時乙方向的黃燈熄滅，led數(shù)碼管從00秒開始計數(shù)；25秒后，甲方向的綠燈熄滅，黃燈有頻率的閃爍，led數(shù)碼管從00秒開始計數(shù)；5秒后，甲方向紅燈亮，黃燈熄滅，乙方向的綠燈亮，led數(shù)碼管又一次從00開始加法計數(shù)。在我們所設計的電路中，控制電路主要是由計數(shù)器輸出端的高低電平來控制，當計數(shù)器從00s開始計數(shù)，一直到05s黃燈發(fā)光，而到0s出現(xiàn)時，再給一個脈沖，讓它控制紅綠燈，紅燈發(fā)光。從而實現(xiàn)燈的有

15、序控制。譯碼器電路的作用是將控制器輸出構(gòu)成的四種狀態(tài)轉(zhuǎn)換為甲乙車道上六個信號燈的控制信號。定義：甲車道綠燈亮為ag=1，綠燈滅為ag=0；黃燈亮為ay=1，黃燈滅為ay=0；紅燈亮為ar=1，紅燈滅為ar=0。同樣可以令乙車道上綠燈亮為bg=1，綠燈滅為bg=0；黃燈亮為by=1，黃燈滅為by=0；紅燈亮為br=1，紅燈滅為br=0。則可以得到如下關系：表4 交通燈與控制器的四種狀態(tài)的關系狀態(tài)agayarbgbybr00100001010100101100110010010010設計中要求黃燈亮時每秒鐘閃爍一次，可將ay（by）信號與秒沖信號共同送入與門，然后用其輸出信號控制黃燈即可。3.3.

16、2控制電路原理圖 控制電路設計如圖6所示 圖6 交通燈控制電路設3.4譯碼電路3.4.1譯碼電路工作原理譯碼器的主要任務是將控制器的輸出 q1、 q0的4種工作狀態(tài)，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態(tài)?？刂破鞯臓顟B(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關系如表4所示。表中a、b代表甲、乙車道。表5 控制器狀態(tài)編碼與信號燈關系表q1 q0ag綠燈ay黃燈ar紅燈bg綠燈by黃燈 br紅燈0 01000010 10100101 00011001 10100103.4.2 譯碼電路原理圖 譯碼電路設計如圖7所示 譯碼器的作用是將控制器輸出q1、q0構(gòu)成的四種狀態(tài)裝換成為a、b車道上六個信號燈的控制信號。3.

17、5顯示部分譯碼顯示電路主要是由共陰極led七段數(shù)碼管，cd4511譯碼器組成。3.5.1共陰極led七段數(shù)碼管數(shù)碼管分為共陽極結(jié)構(gòu)和共陰極結(jié)構(gòu)。若顯示器共陽極連接，則對應陽極接高電平的字段發(fā)光；而顯示器共陰極連接，則接低電平的字段發(fā)光。此次設計采用的是共陰極連接如圖圖8 共陰極數(shù)碼管引腳圖3.5.2 cd4511譯碼器圖9 cd4511管腳功能排列圖1.以下介紹各引腳的功能：其功能介紹如下：bi：4腳是消隱輸入控制端，當bi=0 時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。lt：3腳是測試輸入端，當bi=1，lt=0 時，譯碼輸出全為1，不管輸入 dcba 狀態(tài)如

18、何，七段均發(fā)亮，顯示“8”。它主要用來檢測數(shù)碼管是否損壞。 le：鎖定控制端，當le=0時，允許譯碼輸出。 le=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在le=0時的數(shù)值。a1、a2、a3、a4、為8421bcd碼輸入端。 a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。2.數(shù)碼連接譯碼電路。cd4511是一種bcd碼輸入端,其中d是高電位;a、b、c、d、e、f、g是輸出端,輸出高電平有效,和共陰極半導體發(fā)光數(shù)碼管各發(fā)光段的陽極引出線相互連接，下面是七段數(shù)碼顯示器管腳接法，cd4511和數(shù)碼管的管腳排列圖:6fs電子資料網(wǎng)6fs電子資料網(wǎng)3-3-6fs電子資料網(wǎng)圖10 段數(shù)

19、碼顯示器管腳接法3. 真值表共陽極數(shù)碼管的數(shù)字顯示真值表如下表所示表6 七段顯示譯碼電路真值表3.5.3 譯碼電路原理圖圖11 顯示電路3.6直流電源設計1. 直流穩(wěn)壓電源的工作原理 直流穩(wěn)壓電源一般由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成，其工作原理圖如圖12.圖3.直流穩(wěn)壓電源各部分電路的功能（1）變壓器用于把220v的交流電轉(zhuǎn)換成整流電路所需要的電壓u2。（2）整流電路把交流電u2轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動的直流電。（3）濾波電路的作用是將脈動直流電壓變?yōu)槊}動較小的直流電uf。（4）穩(wěn)壓電路的作用是將比穩(wěn)定的直流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓。2.直流穩(wěn)壓電源multism仿真原理圖如圖8圖12 直流穩(wěn)壓電源

20、仿真原理圖 4 電路仿真4.1黃燈先亮5秒仿真4.2紅綠燈亮25秒仿真5 電路安裝與調(diào)試5.1電路安裝5.1.2安裝焊接在整體電路進行和單元電路仿真充分驗證后，列出元件清單，購買元器件開始安裝。該設計是在萬能實驗板上進行安裝的，根據(jù)元器件的布局，首先擺放集成電路塊座，待位置合理后，焊接集成塊座，然后焊接相鄰的分立元件，再依照各集成電路以及分立元件引腳之間的關系，用導線焊接起來，最后再焊接電源線和接地線。1 布線方向： 從焊接面看，元件的排列方位盡可能保持與原理圖相一致，布線方向最好與電路圖走線方向相一致，因生產(chǎn)過程中通常需要在焊接面進行各種參數(shù)的檢測，故這樣做便于生產(chǎn)中的檢查，調(diào)試及檢修（注：

21、指在滿足電路性能及整機安裝與面板布局要求的前提下）。 2各元件排列，分布要合理和均勻，力求整齊，美觀，結(jié)構(gòu)嚴謹?shù)墓に囈蟆?電阻的放置方式分為平放與豎放兩種： （1） 平放：當電路元件數(shù)量不多，而且電路板尺寸較大的情況下，一般是采用平放較好；對于1/4w以下的電阻平放時,兩個焊盤間的距離一般取4/10英寸，1/2w的電阻平放時,兩焊盤的間距一般取5/10英寸。 （2）豎放：當電路元件數(shù)較多，而且電路板尺寸不大的情況下，一般是采用豎放，豎放時兩個焊盤的間距一般取12/10英寸。 4進出接線端布置 （1）相關聯(lián)的兩引線端不要距離太大，一般為23/10英寸左右較合適。 （2）進出線端盡可能集中在1至

22、2個側(cè)面，不要太過離散。 5設計布線圖時要注意管腳排列順序，元件腳間距要合理。 6在保證電路性能要求的前提下，設計時應力求走線合理，少用外接跨線，并按一 定順序要求走線，力求直觀，便于安裝，高度和檢修。 7設計布線圖時走線盡量少拐彎，力求線條簡單明了。8布線條寬窄和線條間距要適中，電容器兩焊盤間距應盡可能與電容引線腳的間距相符；9設計應按一定順序方向進行，例如可以由左往右和由上而下的順序進行。5.1.2焊盤應注意的常見問題焊盤內(nèi)孔邊緣到多功能板板邊的距離要大于1mm，這樣可以避免以后焊盤缺損。 焊盤的開口：有些器件是在經(jīng)過波峰焊后補焊的，但由于經(jīng)過波峰焊后焊盤內(nèi)孔被錫封住，使器件無法插下去，解

23、決辦法是在印制板加工時對該焊盤開一小口，這樣波峰焊時內(nèi)孔就不會被封住，而且也不會影響正常的焊接。 焊盤補淚滴：當與焊盤連接的走線較細時，要將焊盤與走線之間的連接設計成水滴狀，這樣的好處是焊盤不容易起皮，而是走線與焊盤不易斷開。相鄰的焊盤要避免成銳角或大面積的銅箔，成銳角會造成波峰焊困難，而且有橋接的危險，大面積銅箔因散熱過快會導致不易焊接。5.2電路調(diào)試如果等到焊接完畢后再進行電路調(diào)試,由于電路連線復雜和模塊多,則電路調(diào)試并不容易,因此最好分塊進行調(diào)試.本電路中使用分塊焊接和分塊調(diào)試,即首先焊接好的是晶振脈沖電路,用一個發(fā)光二極管和秒表測試其完好性和準確性.再焊接發(fā)光二極管群,用電源加上限流電

24、阻進行測試,如果二極管均正常發(fā)光則該模塊焊接完畢.接下來焊接譯碼顯示電路和數(shù)碼管,并加先流電阻后測試所有段碼能否正常工作.接下來焊接的要是計時電路,因為計時電路要通過數(shù)碼管來進行檢測.給計時電路加上已經(jīng)測試好的時鐘脈沖,數(shù)碼管按照要求正確進行30秒倒計時.最后焊接的是控制電路以及和交通燈之間的邏輯電路,本塊焊接完畢后電路按照要求工作則最后的模塊以及整個電路是正確的,否則問題很有可能出在最后的模塊上,只用對最后一塊模塊進行檢查即可.在調(diào)試過程中如果發(fā)光二極管亮度不夠，而其他電路檢查無誤，則一種可能就是二極管的限流電阻太大，可以依據(jù)實際調(diào)試進行修改。 結(jié) 論利用整體電路圖在multisim進行仿真

25、，從計時電路和交通燈各個方面都能夠滿足要求，焊接后對電路進行了調(diào)試，能夠滿足任務書的要求，而且電路板工作可靠性也能夠達到要求。但是當前，大量的信號燈電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者關系的協(xié)調(diào)， 多值化方向發(fā)展隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關注。隨著社會的發(fā)展,城市規(guī)模的不斷擴大,城市交通成為制約城市發(fā)展的一大因素,因此,有許多設計工作者為改善城市交通環(huán)境設計了許多方案,而大多數(shù)都為交通指揮燈,而且此交通燈僅僅控制單一通道上車輛的行駛，要想使其更加實用可靠，就必須改進電路，不但能夠控制一條路上車輛的行駛，更能夠控制換道行駛的功能。這樣將比以前電路更加復雜但是其方案將更為精確。總結(jié)與體會 開始拿到題目的時候，不知道怎么去做,因為只是了解課本上的理論知識，實際運用很少，對很多的芯片的功能都不是很清楚，所以剛開始的設計很困難。從收集資料到仿真在到做實物一共用了2天的時間。在焊接時由于芯片太多，線布的很亂，一共用了一周的時間才做好。 通過這次課程設計，加強