电子技术综合设计报告

            ——交通灯设计

目  录

一、设计背景········································ 3

二、设计任务及要求·································· 3

三、设计原理········································ 3

四、实物图·········································· 9

五、主要仪器和调试方法·······························9

六、实验过程中的问题以及心得·························10

七、附录·············································11

交通灯定时控制系统的设计、制作报告

一、设计背景

在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。

二、设计任务及要求

设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下：

（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒。

（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。

（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。

选做扩展功能：

（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；

（5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。

三、设计原理

（一）分析系统的逻辑功能，画出其框图

交通灯定时控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中：

TL ：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则TL=0。

TY ：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。

ST ：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号，由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。

       

图1 交通灯控制系统原理框图

（二）画出交通灯控制系统的ASM（算法状态机）图

一般十字路口的交通灯控制系统的工作状态及其功能如表1：

表1

控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：

AG=1：甲车道绿灯亮；BG=1：乙车道绿灯亮；

AY=1：甲车道黄灯亮；BY=1：乙车道黄灯亮；

AR=1：甲车道红灯亮；BR=1：乙车道红灯亮。

由此得到交通灯的ASM图，如图2所示：

图2 交通灯控制系统的ASM图

   （三）单元电路的设计

1、脉冲发生器的设计

根据已学的知识可以知，脉冲发生器可以用555定时器接成多谢振荡器来设计。

555定时器引脚图如图3。

 

图3  555定时器引脚以及内部结构图    图4  555定时器构成的多谐振荡器

由设计要求知脉冲发生的频率为f=1Hz，依据公式周期T=（R1+2R2）Cln2，由于实验室只有56kΩ和47kΩ的大电阻，所以取R1=47kΩ，R2=47kΩ，由计算得C1=10μF，C2=10μF满足条件。所连接成的电路图4所示。

2、定时器设计

定时器由与系统秒脉冲同步的计数器构成，要求计数器在状态转换信号ST作用下，先清零，然后在时钟上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，用两片74LS163芯片做为计数器，芯片引脚如图5，一片接成10进制做为各位，另一片接成3进制做为十位，连接方式如图6，在30状态时即第一片状态为0000第二片状态为0011时通过与门和非门向计数器提供清零信号。由于本实验是用的加法计数器，则向控制器提供模25的定时信号TY和模30的定时信号TL。

 

图5 74LS163引脚图

 

图6计数器连接方式（图中引脚2和9需要对调位置）

3、控制器设计

控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表2所示：

                              表2

根据转换表可得：

Q1*=Q1’Q0Ty+Q1Q0+Q1Q0’Ty’           

Q0*=Q1’Q0’Tl+Q1’Q0+Q1Q0Tl’

ST=Q1’Q0’Tl+Q1’Q0Ty+Q1Q0Tl+Q1Q0’Ty

控制器需要用到触发器，可以用74LS74双上升沿D触发器实现，其引脚图如图7

 

图7  74LS74引脚图

将两个D触发器的Q’输出连接各自的输入D。使得每增加一个时钟信号，输出翻转。将第一个D触发器的CLK端接TY输出，输出即为Q0；将第二个D触发器的CLK端接TL输出，输出即为Q1。这样就可以用简单的方法实现逻辑功能，也就是采用了异步的方式对两个D触发器其进行了控制。其连接方式如图8

 

图8控制器连接方式

4、译码器设计

译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态翻译成甲、乙车道上的6个信号灯的工作状态。控制器的状态编号与信号灯控制信号之间的关系如表3所示。黄灯闪烁可以通过黄灯亮的信号和脉冲信号用与门连接来实现。

               表3

由表3可以得：

AG=Q1’Q0’     AY=Q1’Q0      AR=Q1

BG=Q1Q0         BY=Q1Q0’      BR=Q1’

两个控制器输出信号对应四种状态，由此可以用2线－4 线译码器实现，选择芯片为74LS139，其引脚图如图9所示。

 

图9  74LS139引脚图

其与灯连接方式如图10所示

图10  译码器连接

5、显示部分设计

显示部分可以用七段显示数码管和74LS48连接组成，如图11。

 

图11  显示部分连接

6、总体仿真图

把以上部分综合起来就可以得到总体的仿真图，如图12所示。

图12 总体仿真图

四、实物图

五、主要仪器和调试方法。

主要仪器有：5v直流电源，剥线钳，剪线钳，数字万用表，通用版电路板，电烙铁，镊子。

其中5v电源可以从电脑的USB接口引出，也可以用手机充电器提供；使用电烙铁时注意不要手直接触摸。

调试电路的方法和技巧：

（1）目测：检查外部的各种元件或者是电路是否有断点，有无虚焊

（2）用万用表测试：先用万用表符合目测中有疑问的点，再检查各种电源线与地线之间是否有短路现象

（3）加电检测：给板子加电，检测所有的插座或是器件的电源端的电压是否符合要求的值

（4）注意事项：在通电检查前，一定要确保电路板没有短路

六、实验过程中的问题以及心得

一、实验中出现的有关问题

1、工欲善其事必先利其器，工具的好坏在焊板子的过程中具有很大的影响。比如烙铁，如果选的不好，不是不正常工作，就是加热不均匀又或者焊出的点会显得特别大，很容易出现虚焊或者短路的情况。我的烙铁首先就是不工作，后来就是截面不平，加热不是很好，焊出来都是一坨一坨的锡。好在我很刻意的去注意避免虚焊和短路，所以这些问题在调试中最终没有出现，但是，这样需要更细心，很耽误时间。最后总结出圆锥形焊尖的烙铁最好用，省时又漂亮。

2、良好的芯片布局。这个是不和好的比不知道，一比吓一跳。等我焊到一半的时候和别人对比才发现我自己的有多丑惨不忍睹。在老师强调要先布局好芯片的时候我觉得这个是个很简单的问题，所以很自信地照着仿真图凭着感觉固定好芯片底座而没有去考虑最终线的布局。所以最终接线的时候才发现线交叉很多，影响美观。而布局好的同学的线都是有条不紊的，即方便接线也方便检查。省时省力。

3、正确的芯片引脚图的重要性。我是加班加点，晚上焊到很晚，白天在实验室焊着可以不去吃饭然后第一个完成的，但是调试的结果却很令人失望。红灯和绿灯一起亮，而且黄灯还一直闪。一遍遍的检查连线，焊接点等等，三天时间里面一直没有检查出来。后来盛老师在实验室的时候也一直细心帮我一步一步检查，排除故障。但是花了很多时间都没有结果。最后同学的一句话点醒了我：仿真图里面74LS163芯片的引脚9和2反过来了。我豁然开朗，然后把线换过来，瞬间就出现了结果！我注意了其他芯片的引脚唯独忽略了这个，偏偏出问题的也就是这个。太相信仿真图导致白白花了好几天的冤枉时间。就像一句话说的尽信书不如无书。

4、焊接要一步一个“脚印”，也就是说要先保证好焊接每一步的正确性，才能避免很多在最后调试的时候可能出现的问题。节省检查的时间。比如焊接的第一个重要部分555定时器构成的脉冲发生器。我是先焊接完就去调试以保证其正确性，所以我焊了两遍，并且调试好。所以在最终调试电路中即时有问题也不用去怀疑这一部分的正确性。

5、芯片的好坏会直接影响实验结果。因为芯片问题不容易检查出来，所以导致运气不好的同学最终坏在这一点上。所以实验室有芯片的测试机就好了。

6、注意工具的正确使用。举个例子，因为仿真图在电脑上，所以会开着电脑焊板子，结果是在没有注意的情况下我室友的电脑触摸板上多了四个洞，我的也多了一个。而且我不止一次闻到了我手指烧焦的气味。为了避免电脑再遭殃，以后还是先把仿真打印出来好。

7、接线的技巧，一个好的方法是一根线一根线的来，然后接完一根就在仿真上面删掉一根。如果怕电脑再遭殃的话，就勤在图纸上做标记，不然到最后因为焊多了乱了最后自己都不知道焊哪里然后就出现不该出现的错误。

二、心得体会

1、在课程设计前很多东西我都忘记了，而为了设计，我又重新翻阅了书上相关的内容以及在网上查了相关芯片的引脚图和功能表。很多知识都融会贯通起来，感觉巩固了知识，又重新学到了很多东西。

2、在仿真过程中重新认识了Multisim，对熟练掌握它的使用有很大的帮助。

3、个人比较喜欢弄这些东西，感觉出结果的时候很有成就感。所以我焊板子会焊到晚上一两点，然后在实验室的时候可以忘记吃饭的时间，所以我是第一个完成焊接的，虽然不是第一 个出结果的。这个过程给我带来了很多乐趣。

4、感谢老师在我板子出不了结果的时候牺牲自己的时间很耐心很耐心的一步一步的帮我检查。在大学能遇到这样耐心的老师实在是莫大的荣幸。

七、附录

1、所用芯片及其参数：

2、参考资料

[1] 康华光.电子技术基础：数字部分.5版.北京：高等教育出版社.2007

[2] 阎石.数字电子技术基础 高等教育出版社 2006.5

[3] 郑家龙.集成电子技术基础教程.北京：高等教育出版社2002.