交通信号灯控制器报告.docx

课程设计(综合实验)报告
( 2014-- 2015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： 电气1205
学 号： 1121140111
学生姓名： 刘洋
指导教师： 柳赟
设计周数： 一周
成 绩：

日期：2015年 1月23日
目 录

《电子技术综合实验》任务书 1
一、 综合实验的目的与要求 3
1. 综合实验的目的 3
2. 综合实验的要求 3
3. 交通信号灯控制器的设计要求 3
二、设计框图及电路系统概述 5
1. 设计思路 5
2. 系统框图 5
三、 各单元电路的设计方案及原理说明、参数计算 7
1. 信号输入电路 7
2. 控制电路 8
3. 译码器 10
4. 计数器（计时器） 11
5. 总电路图 12
四、 调试过程 13
五、 综合实验总结 14
六、 参考文献 15
附录（完整实验电路、集成电路介绍、实验所用元器清单） 16

《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，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。
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6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
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：刘洋
指导教师：
2015年1月5日

一、 综合实验的目的与要求
1. 综合实验的目的
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. 综合实验的要求
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，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。
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。
3. 交通信号灯控制器的设计要求
3.1 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。
3.2交通信号灯示意图如图1所示。

图 1 交通信号灯示意图
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。
3.3具体要求如下：
1．主干道经常通行。
2．支干道有车才通行。
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。
4．每次绿灯变红灯时，要求黄灯先亮5秒，此时原红灯不变；
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。
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、设计框图及电路系统概述
1. 设计思路
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。
时钟信号发生器产生稳定的“秒”脉冲（f=1HZ）信号，确保整个电路装置同步工作和实现定时控制。
计时器按设计要求记录“秒”脉冲个数完成计时任务，并向主控制器发出相应的定时信号以控制各干道通车时间和黄灯亮时间。
主控制器根据传感器和计时器送来的信号，保持或改变电路的状态，以实现各干道车辆运行状态的控制
按照主控制器所处的状态进行译码，再驱动相应的信号灯，指挥各干道的行人和车辆。
2. 系统框图
交通灯自动控制系统原理框图，如图2所示。

图 2 交通灯自动控制系统原理框图
2.1开关替代传感器：采用传感器分别监测主、支干道是否有车，实验中以开关替代了传感器，分别用L1，L2表示，当有车时，L为1。特殊情况也用开关来进行控制，以L3表示，L3为1时表示发生特殊情况。
2.2时钟信号：时钟信号发生器产生稳定的“秒”脉冲（f=1HZ）信号，确保整个电路装置同步工作和实现定时控制，实验中采用了CLOCK VOLTAGE。
2.3计时器：实则为计数器，按设计要求记录“秒”脉冲个数完成计时任务，并向主控制器发出相应的定时信号以控制各干道通车时间和黄灯亮时间。实验中设计了30秒，20秒，5秒的计时器，并且为了与日常惯例相符，采用了倒计时计时方式，因此使用了74LS192同步十进制可逆计数器。用T1，T2，T3分别表示30秒，20秒，5秒计时器借位输出，由于74LS192借位输出端为低电平有效，实验中将其求非代表借位。即，当T为1时，计时器完成计时。
2.4主控制器：根据传感器和计时器送来的信号（输入信号），保持或改变电路的状态，以实现交通灯状态改变，进行对各干道车辆运行状态的控制。实验中由于输入信号较多，在进行简化后使用数据选择器74LS151和D触发器的组合电路完成对整个电路的控制。
2.5译码驱动电路：分为两部分。一部分为数码显示器，显示计时时间；另一部分完成信号灯状态的改变，即主、支干道灯。

三、 各单元电路的设计方案及原理说明、参数计算
1. 信号输入电路

图 3 信号输入电路
L1：主干道是否有车，L1=1为主干道有车；
L2：支干道是否有车，L2=1为支干道有车；
L3：是否有特殊情况，L3=1为有特殊情况。
实验中，分别以按键A,B,C控制三个开关。
2. 控制电路

图 4 控制电路
2.1信号灯状态与车道运行状态如下：
S1：主路的绿灯亮，车道通行；支路的红灯亮，车道禁止通行（00）
S2：主路的黄灯亮车道缓行；支路的红灯亮，车道禁止通行（01）
S3：主路的红灯亮，车道禁止通行；支路的绿灯亮，车道通行（11）
S4：主路的红灯亮，车道禁止通行；支路的黄灯亮，车道缓行（10）
T1：30秒计时器 T2：20秒计时器 T3：5秒计时器
2.2状态转换图，如图5所示：

图 5 状态转换图
2.3状态转换表，如表1所示：
L1∙L2+L1∙L2∙T1
L2+L1∙T2
T3
Q1n Q0n
Q1n+1 Q0n+1
D1 D0
0
X
X
0 0
0 0
0 0
1
X
X
0 0
0 1
0 1
X
X
0
0 1
0 1
0 1
X
X
1
0 1
1 1
1 1
X
0
X
1 1
1 1
1 1
X
1
X
1 1
1 0
1 0
X
X
0
1 0
1 0
1 0
X
X
1
1 0
0 0
0 0
表 1 状态转换表
由于输入量很多，所以经过简化，将输入量简化为以上5个变量。根据上表，得出D1 D0 的表达式分别为：
D0=L1∙L2∙Q1nQ0n+L1∙L2∙T1Q1nQ0n+L1∙Q1nQ0n+L1∙Q1nQ0n+L2∙L1∙Q0nQ1n+L2∙T2∙Q0nQ1n
D1=T3∙Q1nQ0n+Q1nQ0n+T3∙Q1nQ0n
从而可见，表达式非常复杂，因此选用数据选择器和D触发器的组合来完成该控制电路。（开始想用JK触发器，但是输入量太多，而D触发器配合数据选择器使逻辑非常简单）
3. 译码器
3.1信号灯状态转换表，如表2所示
现态
次态
特殊情况开关
信号灯
Q1n Q0n
Q1n+1 Q0n+1
L3
G Y R
g y r
0 0
0 1
0
1 0 0
0 0 1
0 1
1 1
0
0 1 0
0 0 1
1 1
1 0
0
0 0 1
1 0 0
1 0
0 0
0
0 0 1
0 1 0
X X
X X
1
0 0 1
0 0 1
表 2 信号灯状态转换表

G=Q1nQ0n·L3 g=Q0nQ1n·L3
Y=Q1nQ0n·L3 y=Q1nQ0n·L3
R=Q1n+L3 r=L3+Q1n
3.2译码驱动电路图(信号灯)，如图6所示

图 6 译码驱动电路
4. 计数器（计时器）

十字路口要有数字显示，作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。为了试验要求，用74LS192设计了30秒、20秒、5秒计时的译码显示电路。
4.1 30秒倒计时电路

图 7 30秒倒计时电路
LD1=L1·L2·G
4.2 20秒倒计时电路

图 8 20秒倒计时电路
LD2=L1·L2·R
4.3 5秒倒计时电路

图 9 5秒倒计时电路
LD3=L1·L2·Y
5. 总电路图

图 10 总电路图

四、 调试过程
1. 在设计计数器（计时器）时，先想到的是74LS163，因为这个芯片在我们实验课上用过且考核过，所以比较熟悉。但是本实验需要将16进制先转化为10进制，而且置数端已用，除此之外，为了使成果更接近于现实生活，需采用倒计时计数方式。因此，在向同学咨询和上网查询后，我决定使用74LS192，74LS192是同步十进制可逆计数器，用在本实验中非常合适。
2. 得到实验的状态转换图后，我写出了状态转换表，并且打算使用JK触发器来实现。但是我发现输入量特别多，根本无法用我最熟悉的卡诺图化简法化简，于是我与同学们讨论了这个问题，得到了一些启示。将输入变量简化为5个，但是仍不能用卡诺图化简法来化简，也得不到JK触发器的驱动方程。因此，我最后决定用数据选择器74LS151与D触发器的组合来实现状态的转换。
3．线路非常复杂，本来自学了子电路，打算使用，但是运用不太熟练，而且在接线时一口气完成，所以最后没有使用子电路。
4．在电路完成运行时，发现计时器并未按照预想的情况运行。经过检查发现，原来是在调试过程中，某个电压脉冲的频率设置不一致。将其改正后，得到最终电路。

五、 综合实验总结
这是我第一次做课程设计，拿到题目后，起初非常有信心，脑中也有一定的思路。但是在设计过程中，问题接踵而至，尤其是当我辛辛苦苦连好电路，但是没有出现我想要的结果时，让人非常郁闷。幸运的是，我身边有一群优秀的同学和老师，通过与同学们讨论和向老师询问，我一步一步解决了所有问题。当看到我的设计很好的运行时，我心里成就感和满足感油然而生十分开心。
此次课程设计，我学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，与人合作共同提高，受益匪浅。
同时，我也学习到，在实验过程中若遇到问题，不要盲目的把线全部拆掉，然后又重新连接一遍，这样不但浪费时间，而且也无法达到锻炼我们动手动脑能力的目的。此时，我们应该静下心来，冷静地分析问题的所在，有可能存在哪一环节，比如实验原理不正确，或是实验电路需要修正等等，只有这样我们的能力才能有所提高。在实验过程中，要互相学习，学习优秀同学的方法和长处，同时也要学会虚心向指导老师请教，当然这要建立在自己独立思考过的基础上。
通过这为期一周的课程设计，我明白了，做任何事情都要认真仔细，不然的话，你要花更多的时间才能做好。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。
最后，感谢老师的细心指导，也谢谢同学们的帮助！

六、 参考文献
[1] 李月乔. 数字电子技术基础. 中国电力出版社, 2008

附录（完整实验电路、集成电路介绍、实验所用元器清单）
1. 完整实验电路

图 11 完整实验电路
2. 集成电路介绍

图 12 74LS192N
74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，图中：LOAD为置数端，UP为加计数端，DOWN为减计数端，CO为非同步进位输出端，BO为非同步借位输出端，A、B、C、D为计数器输入端，CLR为清除端，QA、QB、QC、QD为数据输出端。

输入
输出
CLR
LOAD
UP
DOWN
A
B
C
D
QA
QB
QC
QD
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
d
c
b
a
d
c
b
a
0
1

1
×
×
×
×
加计数
0
1
1

×
×
×
×
减计数
表 3 74LS192功能表
74LS151：一种典型的集成数据选择器。74LS151有三个地址端A2A1A0。可选择D0～D7八个数据，具有两个互补输出端。
74LS08：与门，详细地说是4二输入与门，即一片74LS08芯片内有共四路二个输入端的与门。
74LS32：通用数字电路：四2输入或门。
74LS04：非门。
74ls74：一种双上升沿D触发器芯片，下面介绍他的引脚功能:
Q、Q 输出端 ；CP时钟输入端； D 数据输入端 。
CLR 直接复位端（低电平有效） PR 直接置位端（低电平有效）。

3.实验所用元器清单
元器件名称
数量
VCC
4
GROUND
3
CLOCK_VOLTAGE
7
74LS192N
10
74LS151N
2
SPDT
3
74LS08N
13
74LS32N
3
74LS04N
4
DCD_HEX_DIG_GREEN
4
DCD_HEX_DIG_YELLOW
2
DCD_HEX_DIG_RED
4
PROBE_DIG_GREEN
2
PROBE_DIG_YELLOW
2
PROBE_DIG_RED
2
表 4 元器件清单