交通灯控制电路设计.doc

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1、!-交通灯控制电路设计一、 设计任务和要求随着社会的进步和发展，交通工具日趋增多。这就给我们的道路交通带来了混乱， 特别是十字路口的交通管理问题。为了确保十字路口的车辆顺利、畅通得通过，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。本次实验就是要设计一个交通逻辑控制电路，来实现十字路口的自动交通控制。实现功能如下：一个具有主、支路的路口。主路通行时间40秒、支路通行时间20秒、黄灯各为5秒。二、 实验设备及器件1. 实验设备及工具：仿真计算机、数字万用表、钳子、镊子等2. 实验器件1555脉冲产生器1 274LS161计数器 2 374LS74D触发器1474LS04非门2574LS08与门26

2、74LS47数码管驱动27七段LED数码管用于显示28发光二极管红绿黄模拟交通灯 各29电阻150、4.7、限流各110电阻100限流311电容 4.7、10 整流 各112实验板安装电路113导线连接电路若干三、 设计原理及实现方案I.工作状态如下一个十字路口主道方向的红、黄、绿灯分别用G、R、Y；支道方向的红、黄、绿灯分别为g、r、y.表示。十字路口要有数字显示装置，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体要求为：当某方向绿灯亮时，置计数器为某一个数值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为“0”。状态图：整个流程为：（1）主车道绿灯亮，支道红灯亮。表示主道上的车辆允许通行，支道禁

3、止通行。绿灯时间到时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。（2）主车道黄灯亮，支车道红灯亮。表示主车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，支车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （3）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行，支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （4）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行，支车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信

4、号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。 II.实现方案 （1）.方案一 根据状态图，得到交通灯的设计原理图 实现原理：如图，通过一个驱动三个计时电路。这时译码电路和数码管只有一个对应同步显示计时内容。当这个时间段计完后，给状态控制电路输出格的脉冲。这时状态向后变化一个。同时又通过控制器的输出端控制红绿灯电路，又根据状态确定那个计时器工作。这样就完成了一计数单位的工作周期。方案总结：优点就是原理上易于实现，因为计数器分为3个，在原理逻辑上更直接。但缺点也很明显，就是浪费了大量的元器件，来重复实现一个模块功能，这是一种浪费。在工程上是绝不允许的。而切元器件多了，连接电路时易发生错误。（2）方案二

5、根据状态图，得到交通灯的设计原理图如图：秒脉冲提供电源让计时电路工作。计时电路的作用是实现40秒、20秒、和5秒等三个计时，同时用译码器和数码管组成的显示电路来显示时间。在计完一个时段后计时器发出一个脉冲，驱动状态控制电路，使之状态发生改变。进而红、绿、黄灯亮暗改变，又完成了对计数器的置数。从而进行40秒、20秒、和5秒的自动切换。到此一个工作状态结束。进入下一个状态。方案总结：这是对方案一的优化：把三个计数器合为了一个，换句话就是用一个计数器实现三个计数功能。这是利用置数智能的对电路进行计数选择。尤其是在主模块的设计上，更多的利用了计数模块。如下：这样做的好处就是能更好的利用原有电路的元器件

6、和设计模块。使系统高度集成化。如此既能节约成本，又可降低连接时的错误概率。在置数方面是利用灯的亮暗，会更直接。这完全符合设计思想和工程的设计原则。所以我们选择这种方案。（3）方案三还有一种方案就是利用循环一个周期的时间。如本实验是70秒，做一个计数器。把它截为4个时间段：40秒、20秒和两个5秒。这样在整个周期上单独的分离每个状态所需的时间、状态以及红绿灯的变化。进而完成一个周期，而循环工作。方案总结：这种方案虽然原理上更简单。但是在实现起来会使用很多的器件来实现其工作。因为在整个时间段上截取，就必须加上状态判断部分。所以这种方案就没有过多的考虑。四、单元电路的设计. 秒脉冲电路它是整个电路的

7、动力输入，设计如下：参数由老师提供。.状态控制部分该电路共有4个状态，具体如下：控制状态信号灯状态红绿灯显示S0（00）主绿，支红主道绿灯40秒S1（01）主黄，支红主道黄灯5秒S3（11）主红，支绿支道绿灯20秒S2（10）主红，支黄支道黄灯5秒因为电路只有4个状态：00、01、11、10。所以我选择用D触发器来实现状态的转换。电路如下：状态控制电路是整个设计的核心部分。它是控制红、绿、黄灯的枢纽部分。而的工作顺序直接决定了整个电路的工作顺序。但它需要计时电路的反馈信号来驱动。.计时和显示电路 它负责了整个电路的计时和状态控制是整个电路用的最多的部分。它采用两块74LS161实现，译码电路采

8、用74LS47实现。具体如下： .红、绿、黄灯的亮暗控制及置数电路：a.利用灯的真值表：Q2Q1主红(R)主黄(Y)主绿(G)支红(r)支黄(y)支绿(g)0000 1100010101001010000111100010得到各个灯的如下关系： 转换位电路图为：b.置数电路是控制计时时间的电路，实现40秒、20秒、和5秒的自动转换。利用灯的亮暗代表的1、0.来实现对计数器的控制。由于，要求的是倒计时，所以在置数时，置进去的是反码。这样经过161和47后出来的数字是倒计时的。但实际上161的计数器还是相加的，即161是逐加而非逐减的。实现电路如下：.选作部分 要求在出现紧急情况时，能保持主、支路

9、的状态不变，计时也停止。 方案：可以在秒脉冲的输入电路上，接入一个开关。当一个道，例如支道出现意外时，直接断开这个开关，系统循环就会停止。对于灯的亮暗，如果不能等到主道的绿灯亮，支道的红灯暗时，可以直接给灯状态控制电路置数，强制变为这个状态。这个方法也的道老师的认可。 五、 设计的总体电路图 整个电路连接图设计原理图六、 实验结果及分析 1. 实际测量的各个单元电路的输入、输出信号波形（每个矩形脉冲周期是10秒）： 2.高位片输出波形（部分）（每个矩形脉冲周期为1秒）：3.低位片输出波形（部分）（每个矩形脉冲周期为1秒）： 实验板插好后，可以直观地观察到结果：状态稳定，显示正确。4. 时间上：

10、 主道方向的时间变化为：405254052540； 支道方向的时间变化为：451954519545； 5. 灯的变化： 主道方向的灯的状态为：绿黄红黄绿； 支道方向的灯的状态为：红黄绿黄红； 结果分析：结果完全符合设计要求，达到了实验目的。说明实验分析正确，设计思路无误。七、 实验中遇到的问题、解决方法及注意事项I. 实验中遇到的一些问题及其解决方法：1.在从555接出脉冲时，发现显示灯一直在亮，也就是电路并不原来预计的那样产生秒脉冲，多次检查了电路，并没发现没有错误。断定是元件位置有错位，于是把两个4.7微法的电容和0.1微法的电容给对换了，秒脉冲就出现了，显示灯一闪一闪的。而且对于4.7微

11、法的电容若政府接错了也出不来脉冲。2.把555接出的脉冲接到74LS74时，发现状态变化正确，但不稳定。断定接线不牢，重新插接后，故障排除3.当把交通灯部分接上时，发现显示不正常。灯显示的顺序没有错，但是显示的时间并不按设计的那样，红灯偏长，黄灯偏短，检查了电路多遍，完全正确。请教了老师断定是那个74LS161接入电路可能接触不好，结果把那部分先拔了再接，一切都回复正常。4.最后的问题就是计数器出现乱码，很明显这是复位问题。把控制部分用脉冲复位一下计数就正常了。最重要的一个也是最难解决的问题，就是在整个电路搭建好后。老是循环主道绿灯的40秒，而且状态变化也不对。开始认为是乱码，但经测试长时间也

12、不能进入循环。所以检查电路，发现是高位片的CO端在计完数后没发出进位脉冲。这样置数端低点位有效，当然不能重新置数了。而控制74的脉冲连接如下：我们清楚看到高、低位片的CO端，在经过一个与门后仍为“0”低电位，所以状态不发生变化。怀疑是实验板坏了，造成短路，所以就把47拔下来，直接在管脚上直接连，发现好了。似乎问题找到了，但我老感觉这不是问题的根源。待74插回原来的地方后，也没问题了。这就更坚信了我的想法，但问题出在哪呢？最后想到高位片的输入D3、D4接的高电位，而对应的输出Q3、Q4接地了。会不会是这两个状态的对应状态都强制置数。影响161的工作呢，于是将Q3、Q4接在了47上。这样改变后，经

13、测试没有出错，为防意外。对整个电路断电又加电反复测试，一切都正常了。在接下来的时间里，很多同学也出现了这个问题。我如法炮制，问题也得解决，但每个人的进入正常循环的时间还是不一样。看来问题出在了161上，低位片的正常工作更印证了这一点。也让我对电路理论与实际的关系上理解更深刻了。II. 注意事项：为防止集成电路芯片受损，在插入和拔出芯片时要非常小心。插入时应使器件的方向一致，使所有引脚均对准插座板上的小孔，均匀用力按下；拔出时，须用小起子对撬，以免使其引脚因受力不匀而弯曲或断裂。正确合理布线:在电子电路中，由于布线错误而引起的故障占有很大比例。 1.器件和连线要排列整齐，一般按电路顺序直线排列，

14、输入与输出线要远离。元器件插脚和连线要尽量短而直，以防止分布参数影响电路性能。2.布线时要注意在器件周围走线，不从导线在集成块上方跨过，以免妨碍排除故障或调换器件，而且漂亮、整洁。3.布线的时候先布电源线和地线，再布固定使用的规划线(如固定接地线或接高电平、或接时钟脉冲的连线等)，最后再逐级连接控制线及各种逻辑线。必要时可以边接线边测试，逐级进行。走线应尽可能少遮盖其它插孔，以免影响其它导线的插入。这样避免漏插和错差。八、 实验分析和总结本次实验，让我学到很多，也懂得很多。一切都是在自我摸索中学习进步。虽然我们有事先准备，但不够充分。比如说，我们都在设计中使用了74LS161，而实际学习中是以

15、74LS163居多的，因为实验室只有74LS161而没有74LS163，所以我们就没有74LS161的管脚图。也就无法检查其功能，和连接电路图，还的在实验时间上花时间去找，造成实验时间的浪费。按以上步骤设计好电路以后，在实验中也出现很多问题，如把电容调换了导致不能产生秒脉冲。线路没接牢导致的接触不良，出现了两次。而复位没做好使得计数不是从零开始等。但由于我们实验还算相对小心以及认真的思考，所以出现的问题也能及时的解决，使得实验及时的完成。本次实验最大的感触是，做实验遇到问题要耐心，有毅力，冷静沉着的思考，才会发现问题的根源以及找到解决的途径。特别是我们做计数部分时，出现的计数不正常的时候，很容易出现浮躁。但是那是解决不了问题的，认真的盯着计数器看，还真让我找到了规律。也幸亏老师鼓励我们坚持到底，不要放弃，不然的话，我们就会停留不前，不去思考。由于努力，提前完成了实验，比较圆满，甚为欣慰，也更加明白成果是靠努力的、靠思考和及时请教老师而获得帮助，而解决问题是靠冷静思考的。九、参考文献1、数字电路逻辑设计（脉冲与数字电路 第三版） 王疏银 主编 高等教育出版社2、数字电路实验指导书 张亚婷 王利 杨乐 周丽娟 郭华编 （西安邮电学院电子与信息工程系）3数字系统设计-数字电路课程设计指南 高书莉 编著 北京邮电出版社4.数字逻辑电路设计与实验 绳广基编著上海交通大学出版社 1989