(绝对给力的)数电交通灯控制实验报告-(若资料好的话.doc

第一部分 序 言
随着社会的飞速发展，城市交通问题日益凸显严重，尤其在城市街道的十字叉路口，频繁发生交通问题，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条街上都有一组红、黄、绿交通信号灯。其中红灯亮，表示道路禁止通行；黄灯亮表示该道路上未过停车线的车辆禁止通行，已经过停车线的的车辆继续通行；绿灯亮表示道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口的红、黄、绿交通灯。交通灯通过的状态转换，指挥车辆行人通行，保证车辆行人的安全，实现十字路口交通管理自动化。
第二部分 实验设计任务书
一、实验设计题目：交通灯控制电路
二、实验设计要求：
1.设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉路上的车辆交替运行，每次通行的时间都设置为25秒。
2.要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道。
3.时钟指示灯每秒亮一次。
4.设计交通灯控制电路逻辑图。
三、实验设计目的
1. 加强对复杂时序电路的理解，认知。
2. 锻炼我们自主设计，动手实践的能力。
第三部分 实验设计器件清单
元件名
型号
数量
集成电路
74LS74D
1
74LS08四2输入
2
74LS163
2
74LS04六反相器
2
74LS139
1
NE555
1
电阻
47kΩ
2
510Ω
1
200Ω
6
电容
10 uF
1
10nF
1
发光二极管
红色
2
黄色
2
绿色
2
开关
单刀单掷
1
导线
————
若干

第四部分 实验电路设计内容
根据设计任务要求可拟出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。
NE555
定时器

甲车道信号灯
秒脉冲
发生器
TL TY ST
译码器
控制器

乙车道信号灯

实验的最终电路图：

1.秒脉冲发生器（NE555）
由NE555产生秒脉冲。经过LS163计数器，得到所要的25秒绿灯、5秒黄灯、30秒红灯，然后通过一个双四选一选择器也就是LS153，输出端连接双D触发器，并控制双D触发器使其输入连接红、黄、绿灯，得到输出的结果。下面是我所用到的芯片的功能的介绍。
Pin 1 (接地)，通常被连接到电路共同接地。
Pin 2 (触发)，触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。
Pin 3 (输出)，当周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。
Pin 4 (复位) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin 6 (阀值) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。
Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin 8 (电源) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。

方法一：本实验采用555定时器组成秒脉冲信号发生器。因为该电路的输出脉冲的周期T≈0.7(R1+2R2)·C,若T=1s，令C=10μf，R1=39KΩ,那么R2≈51KΩ。取一固定电阻47KΩ与一个5KΩ的电位器想串联代替电阻R2。在调试电路时，调节电位器RP ,使输出脉冲周期为1s。如下图：

NE555

方案二：用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器,如下图。先用石英晶体振荡器和若干电阻电容组成频率为32768Hz的信号发生器，再用十四位二进制计数器CD4060 14进行14分频使其成为2Hz的信号，最后用D触发器进行2分频，使其成为频率为1Hz的秒脉冲信号。
石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器

方案选择：
本设计中由于用秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度会影响计数器的精度，进而影响控制系统的精度，因此要求秒脉冲信号具有比较高的精度，为提高精度可先做一个频率比较高的矩形波振荡器，然后将其输出信号分频，就可以得到频率较低而精度比较高的脉冲信号发生器。用石英晶体构成秒脉冲信号发生器不需要外加输入信号，而且其脉冲频率很稳定，起振快、时基精度高，它的工作频率仅决定于石英晶体的振荡频率，而与电路中的R、C的数值无关。
综上考虑，在实际应用中秒脉冲信号发生器的设计选用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器。但由于本次设计是基于multisim10.1软件的，而multisim10.1上不支持石英晶体振荡器，所以在仿真过程中可以使用555定时器构成的秒脉冲触发器代替。在仿真精度不高的前提下，也可以使用RC多谐振荡器构成的电路来提供秒脉冲。
2.定时器（74LS163）
定时器要求向控制器提供5秒的定时信号TY和25秒的定时信号TL，并能由控制器的状态转换信号ST作用下复位。由此可见定时器的设计就是设计一个在秒脉冲作用下的模为5和25的计数器。该计数器由控制器的状态转换信号ST清零。
计数器选用4位二进制同步集成计数器74LS163，很容易实现25和5进制计数。
方案一：用74LS193直接构成减计数器，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST的作用下，计数器以减计数向控制器提供M5、M25的信号，即TY、TL的时间信号。
方案二：定时器由与系统秒脉冲同步的计数器74LS163构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST作用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供M5、M25信号，即TY、TL的时间信号。
方案选择：74LS193是双时钟同步二进制可逆计数器，用它进行减计数与数字显示倒计时相符合。然而必须在输入端输入数字，因此向控制器提供M5、M25的信号需要5片74LS193。而用74163可以级联，只需要2片即可向控制器提供M5、M25的信号，倒计数可在数字显示电路中实现。用74163节省材料，节约成本，而且由于经常应用，因而使用起来较方便。
当系统处于S0状态为满足支干道绿灯亮够25秒，要将M25的输出端反馈到使能端EP、ET，使它记到24时停止计数，然后转换到S1状态。而且要求计数器在状态转换信号ST的作用下，首先清零，然后开始计数。
74LS163原理：4 位二进制同步计数器（同步清除）,当清除端（CLR）为低电平时，在时钟端（CLK）上升沿作用下,才可完成清除功能。163 的预置是同步的。当置入控制端（LOAD）为低电平时，在CLK上升沿作用下，输出端（QA-QD）与数据输入端（A－B）相一致。对于 54/74163，当CLK由低至高跳变或跳变前，如果计数控制端（ENP、ENT）为高电平，则LOAD应避免由低至高电平的跳变，而其它两种结构形式无此种限制。163 的置数是同步的，靠CLK同时加在 4 个触发器上而实现。当ENP和ENT均为高电平时，在CLK上升沿作用下QA-QD同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于 54/74163，只有当CLK为高电平时ENP、ENT才允许由高至低电平的跳变，而 54S163/74S163，54LS163/74LS163 的ENP、ENT跳变与CLK无关。
163 有超前进位功能。当计数溢出时，进位端（RCO）输出一个高电平脉冲，其宽度为 Q0 的高电平部分。在不外加门电路的情况下，可级联成 N 位同步计数器。对于 54/74S163，54/74LS163，在CLK出现前，即使ENP、ENT、CLR发生变化，电路的功能也不受影响。引出端符号RCO 进位输出端CLK 时钟输入端（上升沿有效）CLR同步清除输入端（低电平有效）ENP 计数控制端ENT 计数控制端A－B 并行数据输入端LOAD同步并行置入控制端（低电平有效）QA-QD 输出端。

74LS163功能表
输 入
输 出
CR LD CTP CPT CP D0 D1 D2 D3
Q0 Q1 Q2 Q3
0 × × × ↑ × × × ×
1 0 × × ↑ d0 d1 d2 d3
1 1 1 1 ↑ × × × ×
1 1 0 × ↑ × × × ×
1 1 × 0 × × × × ×
0 0 0 0
d0 d1 d2 d3
计 数
保 持
保 持

时序图如下：
截取部分电路图如下所示：
TY
TL

3.控制器
①控制器功能分析
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。
一般十字路口的交通灯控制系统的工作状态及其功能如下表：

控制器状态
信号灯状态
车道运行状态
S0(00)
S1(01)
S3(11)
S2(10)
甲绿，乙红
甲黄，乙红
甲红，乙绿
甲红，乙黄
甲车道通行，乙车道禁止通行
甲车道缓行，乙车道禁止通行
甲车道禁止通行，乙车道通行
甲车道禁止通行，乙车道缓行

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3所示：
1
0
1
1
0
0
1
AG BR
ST
TL
AR BY
AR BG
AY BR
TY
TL
TY
ST
ST
ST
0

图3交通灯控制系统的ASM图
从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如下表：

输 入
输 出
现 态
状态转换条件
次 态
状态转换信号

TL TY

ST
0 0
0 0
0 1
0 1
1 1
1 1
1 0
1 0
0 X
1 X
X 0
X 1
0 X
1 X
X 0
X 1
0 0
0 1
0 1
1 1
1 1
1 0
1 0
0 0
0
1
0
1
0
1
0
1

②控制器元器件选择
记忆器件采用D触发器（74LS74题给），又控制器有4个状态，故需2个D触发器。
组合电路部分采用数据选择器（题给74LS153）。
③电路设计
由状态转换表可通过卡诺图化简得状态方程。

4.译码器
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。
表3
Q1Q0
AG AY AR
BG BY BR
00
01
11
10
1 0 0
0 1 0
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
1 0 0
0 1 0

由上表可得：
AG=Q1’Q0’ BG=Q1Q0
AR=Q1 BR=Q1’
AY=Q1’Q0 BY=Q1’Q0
截取部分电路图如下所示：

第五部分 实验检测
当我把试验箱时，只发现我的灯只亮了个红灯还有绿灯且闪烁了一下然后就灭了，然后下面开始讲述我的测试过程：
1. 测试并查看电路是否短路
当我把电路板接通电源的时候，我发现我的电路板不能亮灯，而且接触的时候红灯闪烁一下，这时候我想到是电路板焊接的时候有短路的地方。然后我把电路板翻过来自习看了一圈，认真查看电路板的每一个焊接点的锡是否和其他的结点焊到了一块。经过仔细的检查我查出了短路的地方，用烙铁把附到其他结点上的锡去掉，然后在接通电源测试一下，这时候灯可以亮起来了，

2. 测试脉冲发生器
检查脉冲发生器的时候，用另外一根导线接通CE555的3脚，然后在把其他集成电路的芯片拔掉，只接通CE555的芯片，并且把导线接到试验箱上的发光二极管上，结果可以显示出我的发光二极管可以闪烁，由此可以证明我的秒脉冲信号发生器是完好，并且把3脚引出来的线把实验电路板上的发光二极管都测试了一下，结果显示发光二极管是好的，都能每隔一秒闪烁一次。

3. 测试74LS163计数器
检查第一块74LS163计数器时，我用了5根导线插到第一块74LS163底座上的CLK、Q1、Q2、Q3、Q4上，然后把导线相应的另一端插到试验箱上的发光二极管上，接通电源后发现二极管只有CLK闪烁，其他的灯不闪烁，这个时候我怀疑是这块163的芯片焊接点有虚焊或者线路接错的地方，或者线路短路的地方等。检查第一块163的时候，我耐心的测试每一个结果，而且还在适当的时候增加导线插在第一块163的底座上，以便更直观的观察出我的测试结果并可以清楚的判定。最后检查出有一根导线接错了一个孔，还有导线的10脚结点没有接稳，用手拔的时候可以轻轻的拔动。最后在做好每个修改后的工作后，可以清楚的看到在试验箱上第一块163计数的范围从0到15，所以可以证实此时的163已经没有问题了。
检查第二块74LS163计数器时，我用两根导线接到 TL 、TY的地方，然后从试验箱上的发光二极管上可以读出计数的范围，当计数到29时又跳回到00，此时可以证实第二块163芯片是完好的。
4. 测试双D触发器、测试二-四译码器
同上面的检查方法一样，一个一个慢慢的检查，我们在检查的时候还要做好标记，哪些地方检测了，哪些地方没有检测，以便我们不要浪费过多的时间在看哪些地方还没有检测。
5. 最后检测电路
接通电源后，我可以明显的看到起始状态为甲红灯和乙绿灯亮，接下来甲黄灯闪烁5次，然后甲绿灯亮，乙红灯亮。随之而来的是重复的周期状态。当按下开关键钮后，复位回到甲红灯亮乙绿灯亮的状态。最终证实此电路板可以工作，实验成功。

第六部分 实验心得
经过一天的课程设计预习后，我们又迎来了另一个新的挑战——电路电子课程设计。 这次设计我们选的课题是交通灯，由于先前学过PLC交通灯的程序，以为这个会比较类似，就选了这个，后来发现完全不能借鉴……
这次的交通灯是用数字电路来实现。学数字电路还是在我们大二的时候，里现在已经比较遥远了，现在要重新上手，还是需要花一点时间了温故一下的。经过查阅资料和反复研究，我们大致了解了这个系统的结构，可以把交通灯分为秒脉冲发生模块、倒计时模块和红绿灯模块。设计中我们用555定时器来实现一秒脉冲的发生，它的原理简单，只需用555定时器构成一个多些振荡器就可以发生矩形波，再调解一下电阻和电容的值就可以得到所需周期的脉冲。唯一的缺憾就是在仿真软件上操作的时候，电容用1个10uf的时候软件不能启动显示灯的跳动变化，但是把两个电容改成10nf的时候，电路就能启动并且能显示灯的跳转，这样势必也会影响到它的精度。计数我们用的是74LS163计数器和74LS139译码器来驱动发光二极管显示器或者用LED显示计数。
这个设计思路比较清晰，结构也比较简单。不过由于74LS74D芯片的管脚比较混乱，还不是很清楚熟悉，电路的实际焊接还是有一定难度的，导致了犹如下水管道一般的导线在电路板上乱窜……比较不幸的是由于我在课程设计这段时间内还有多门课要考试，所以不能话费全部的精力去设计这个交通灯，这个系统也只含有基本功能，没有扩展功能，电路板也是经过一个通宵焊出来的，布局没有做到简洁美观，甚憾之。
这次的课程设计也让我深刻的体会到理论与实际的差别，很多东西理论上能实现，在仿真软件中也能仿真出来，在实际电路版中可能并如人所愿。总得来说，这次经历很大地锻炼了我分析问题、解决问题的能力，也提高了动手能力，让我们受益匪浅。

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