交通信号灯控制器设计方案一.doc

课程设计(综合实验)报告
( 2012 —2013 年度第 一 学期)

名 称： 电子技术综合实验
题 目： 交通信号灯控制器
院 系： 电气与电子工程学院
班 级：
学 号：
学生姓名：
指导教师： 刘春颖
设计周数： 一周

成 绩：

日期：2013年 1 月 15 日

《电子技术》综合实验
任 务 书
一、 目的与要求
1.目的
1.1课程设计是教学中必不可少的重要环节，通过课程设计巩固、深化和扩展学生的理论知识与初步的专业技能，提高综合运用知识的能力，逐步增强实际工程训练。
1.2注重培养学生正确的设计思想，掌握课程设计的主要内容、步骤和方法。
1.3培养学生获取信息和综合处理信息的能力、文字和语言表达能力以及协作工作能力。
1.4提高学生运用所学的理论知识和技能解决实际问题的能力及其基本工程素质。
2.要求
2.1 能够根据设计任务和指标要求，综合运用电子技术课程中所学到的理论知识与实践技能独立完成一个设计课题。
2.2根据课题需要选择参考书籍，查阅手册、图表等有关文献资料。要求通过独立思考、深入钻研课程设计中所遇到的问题，培养自己分析、解决问题的能力。
2.3进一步熟悉常用电子器件的类型和特性，掌握合理选用的原则。
2.4学会电子电路的安装与调试技能，掌握常用仪器设备的正确使用方法。利用“观察、判断、实验、再判断”的基本方法，解决实验中出现的问题。
2.5学会撰写课程设计总结报告。
2.6通过课程设计，逐步形成严肃认真、一丝不苟、实事求是的工作作风和科学态度，培养学生树立一定的生产观点、经济观点和全局观点。要求学生在设计过程中，坚持勤俭节约的原则，从现有条件出发，力争少损坏元件。
2.7在课程设计过程中，要做到爱护公物、遵守纪律、团结协作、注意安全。
二、 主要内容
共有8个既有学习价值又有一定的实用性和趣味性的设计课题，学生根据自身情况自由选择其中之一。
1.移位寄存器型彩灯控制器
2.智力竞赛抢答器
3.电子拔河游戏机
4.交通信号灯控制器
5.数字电子钟
6.电子密码锁

7.电子秒表
8. 数字电子钟（硬件）
三、 进度计划
序号
设计(实验)内容
完成时间
备注
1
设计内容讲解、学习资料查找方法
半天

2
发放材料、清点材料、熟悉各种元器件
半天

3
查找资料、设计电路、绘制总体电路草图
1天

4
电路组装并调试或在Multisim上绘制电路图、仿真并调试
2天

5
验收、撰写实验报告
1天

四、 设计（实验）成果要求
1.学生根据所选课题的任务、要求和条件进行总体方案的设计，通过论证与选择，确定总体方案；然后对方案中单元电路进行选择和设计计算；最后画出总体电路图。
2.预设计经指导教师审查通过后，学生即可向实验室领取所需元器件等材料，在面包板上组装、调试电路，使之达到设计指标要求。
3.在Multisim软件平台上学生可直接设计、仿真和实现，直至达到设计要求。
五、 考核方式
综合以下指标评定课程设计总成绩：优、良、中、及格和不及格。
1.设计方案的正确性与合理性；
2.实验动手能力(安装工艺水平、调试中分析解决问题的能力以及创新精神等)；
3.总结报告；
4.答辩情况(课题的论述和回答问题的情况)；
5.设计过程中的学习态度、工作作风和科学精神。

学生姓名：罗晨芳
指导教师：刘春颖
2013 年 1 月 14 日

一、课程设计(综合实验)的目的与要求
1、目的
随着社会的进步和发展，交通工具日益增多，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、畅通地通过，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。
2、要求
在一个具有主、支干道的十字路口，设计一个交通灯自动控制装置。红灯(R)亮表示该条道路禁止通行，黄灯(Y)亮作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外，绿灯(G)亮表示该条道路允许通行。具体要求如下：
2.1、主干道经常通行。
2.2、支干道有车才通行。
2.3、主、支干道均有车时，两者交替通行，并要求主干道每次至少放行30秒，支干道每次最多放行20秒；采用传感器分别监测主、支干道是否有车，有车时向主控制器发出信号，实验中用逻辑开关代替。
2.4、每次绿灯变红灯时，要求黄灯先亮5秒，此时原红灯不变；
2.5、设计5秒、20秒、30秒计时的译码显示电路，每秒改变一次显示数字，可以采用正计时，也可倒计时。
2.6、当任意一条路上出现特殊情况，如消防车、救护车或其它需要优先放行的车辆时，各方向上均为红灯，计时停止。当特殊运行状态结束后，控制器恢复原来状态，继续正常运行。用逻辑开关模拟有无特殊情况

二、设计（实验）正文
1.实验设备及器件
1.1实验设备及工具：计算机仿真软件Multisim
1.2 实验器件

1
电源
脉冲产生器
1
2
74LS161

计数器
1 
3
74LS160
技术器
1
4
74LS74
D触发器
2
5
74LS04
非门
2
6
74LS00
与非门
8
7
74LS47
数码管驱动
2
8
七段LED数码管
用于显示
2
9
发光二极管红绿黄
模拟交通灯
各2

2.设计原理及设计方案
2.1 工作状态如下

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，支车道绿灯亮。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，支车道上未过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号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。

2.2 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
根据状态图，得到交通灯的设计原理图

实现原理：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30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30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。这样做的好处就是能更好的利用原有电路的元器件和设计模块。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60秒，做一个计数器。把它截为4个时间段：30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。

3.单元电路的设计
3.1 秒脉冲电路
它是整个电路的动力输入，多次试验后设定如下

3.2 状态控制部分
该电路有四个状态，具体情况如下：

控制状态
信号灯状态
红绿灯显示
S0（00）
主绿，支红
主道绿灯30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。
3.3 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。它采用一块74LS161和一块74LS160实现，74LS161负责高位的计数，74LS160负责低位的计数，并完成进位指数等过程。
显示电路采用的是两块74LS74和两块七段数码显示管实现，将高位计数芯片的输出端与第一块的译码器输入端连接，由于十位显示管只用显示0-3，所以只用到其A、B两个接口，个位显示管要显示0-9的跳变，所以与低位计数器芯片的输出端一一对应相连。经译码器后将译码器的输出端与显示管的接口一一对应相连。实验过程中，由于粗心把与计数器高位片的A、B口与译码器的输入口节反了，导致显示管出现了乱码情况，经仔细反复检查后找到了错误并改正了错误，之后运行正常。

3.4 红、绿、黄灯的亮暗控制及置数电路：
（1）利用灯的真值表：

Q2
Q1
主红(R)
主黄(Y)
主绿(G)
支红(r)
支黄(y)
支绿(g)
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
1
0
得到各个灯的如下关系：

转换位电路图为：

（2）置数电路是控制计时时间的电路，实现30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。
3.5 紧急情况时
当任意一条路上出现特殊情况，如消防车、救护车或其它需要优先放行的车辆时，各方向上均为红灯，计时停止。当特殊运行状态结束后，控制器恢复原来状态，继续正常运行。用逻辑开关模拟有无特殊情况。
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。

三、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）：

4. 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
。
四、课程设计（综合实验）总结或结论
开始拿到题目的时候，因为数点已经考完很久了，所以关于译码驱动和计时器的知识刚开始也不是特别能回想起来，通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力，复习了之前的只是，让自己的思维得到了扩展，同时在与同学的交流中我们交流了思想，收获颇多。现在设计已经做好了,自己感觉还是比较好的，虽然花了很多的时间，但学到了很多东西。在课程设计的过程中，我想了很多种方案，对同一个问题(像计数器的接法)都想了很多种不同的接法，运用不同的芯片进行了比较，和同学一起讨论最优方案，最后还是采取了上面的方法进行连接.
在这次设计中也遇到了很多问题：
一、容易接错线,无意中删除了一些线。
二、心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了。

三、设计中用的的有些片子在课上没有详细讲解过，只能自己查阅资料得知，运用不熟。
四、电路图设计好后运行后发现交通灯和计时器有运行着一半就停止了，后来在不断的在各个线路中加灯泡检测中发现原来是给定脉冲的频率不同导致的。
五、灯泡有的时候老是不管用，当不管用的时候就换个灯泡。
通过这为期一周的课程设计之后,我明白了,做任何事情都要认真仔细,不然的话,你会花更多的时间才会做好.课程设计有利于提高我们的动手能力,能把我们所学的书本知识运用到实际生活中去.同时也丰富了我们的业余生活,提高我们对知识的理解能力
认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。故一个小小的课程设计，对我们的作用是如此之大。
五、参考文献
[1] 李月乔主编 数字电子技术基础----北京，中国电力出版社，2008
[2] 阎石.数字电子技术基础 高等教育出版社 2006.5
[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