电子线路综合设计交通灯控制电路设计

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1、华 南 农 业 大 学电子线路综合设计 交通灯控制电路设计容光宗 胡添开 黄琳清09班级：电气工程及其自动化5班 组别：6指导教师： 李继宇2011年5月摘 要随着当今社会交通业的迅速发展，交通指示灯成为安全交通必不可少的保障。本文通过数字电路的设计模拟仿真具有南北方向和东西方向的十字路口交通灯控制。通过对交通灯显示状态和倒计时的分析，制定出交通灯电路控制的总体结构框架。分别从交通灯倒计时控制电路和状态显示两方面出发，设计两个方案。通过多方面的分析比较，最终确定采用倒计时控制显示状态的方案。交通灯控制电路采用9V电池通过7805三端集成稳压器产生5V电源供电。由555定时器组成多谐振荡器产生时

2、钟脉冲，经74LS193进行二分频，最终输出1HZ的脉冲信号：用74LS193和74LS74组成倒计时电路控制，一块74LS193显示十位，一块74LS193显示个位,D触发器则用于倒计时的清零；通过对30s、20s、5s的二进制代码分析，用门电路组成控制电路；控制电路产生的脉冲信号触发74LS193组成的加法器；通过74LS138译码器将74LS193的输出信号转换为显示灯的状态选择；通过分析，选择合适的门电路实现交通灯的指示功能。关键词 交通灯 控制电路 数字电路设计目 录1设计任务及指标32交通灯控制电路分析42.1交通灯运行状态分析.42.2控制电路总体框架图.42.3方案设计及比较.

3、43交通灯控制电路设计.63.1电源电路设计.63.2脉冲产生电路设计.63.3脉冲分频电路设计.7 3.4倒计时电路设计.8 3.5交通灯状态控制电路设计.9 3.6显示电路设计.10 3.7总体电路原理图与焊接布线图.124实验误差和故障分析.145课程设计的收获、体会和建议15致谢参考文献附录1 设计任务及指标（1）要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30秒、支干道每次通行间为20秒；（2）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用倒计时的方法）；（3）在绿灯转为红灯时，要求

4、黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道；（4）黄灯亮时，要求每秒闪亮一次；（5）同步设置人行横道红、绿灯指示。2 交通灯控制电路分析2.1 交通灯运行状态分析交通灯控制电路要求主干道绿灯或黄灯点亮时，主干道人行道红灯点亮，支干道红灯点亮且其人行道绿灯点亮；支干道绿灯或黄灯点亮时，支干道人行道红灯点亮，主干道红灯点亮且其人行道绿灯点亮；各干道绿灯黄灯红灯循环点亮。经分析，交通灯运行状态可以归纳为以下四种情况：状态0：主干道绿灯点亮，其人行道红灯点亮，支干道红灯点亮且其人行道绿灯点亮；状态1：主干道黄灯点亮，其人行道红灯点亮，支干道红灯点亮且其人行道绿灯点亮；状态2：主干道红灯点亮，其人行道绿灯点亮，支

5、干道绿灯点亮且其人行道红灯点亮；状态3：主干道红灯点亮，其人行道绿灯点亮，支干道黄灯点亮且其人行道红灯点亮。状态0的时间为25s，然后转换为状态1，持续5s后，状态3开始并持续15s，切换状态4并持续5s；至此，完成一个周期。2.2 控制电路总体框架图交通灯控制电路由电源电路、脉冲产生电路、分频电路、减法器构成的倒计时电路、灯状态变换电路、灯显示电路。框架图如下：脉冲电路分频电路倒计时电路显示器状态控制电路灯显示电路电路电源电路供电图1 控制电路总体框架图2.3 方案设计及比较经过交通灯状态显示分析，可以分别从倒计时控制和灯转换控制两方面出发，设计两种方案：（1） 先设计倒计时电路，从倒计时电

6、路中分析得出仅在30s、5s、20s产生有效信号进行交通灯显示状态选择的数字电路，即灯控制电路在30s、5s、20s切换灯的点亮信号，其他时刻不产生使灯变换的有效电平。（2） 先设计灯显示状态变换的控制电路，再从各灯的控制信号中分离出有效信号使计数器开始和停止工作，即主干道红绿点亮信号使计时器倒数30s，黄灯点亮信号使计时器倒数5s，红灯点亮信号使计时器倒数20s。考虑到方案二所需元器件较多，并且从灯控制信号到控制计数器工作可能产生较大的延时，我们选择较容易实现交通灯功能的方案一进行设计。3 交通灯电路设计3.1 电源电路设计 设计采用9V电池经7805三端集成稳压器产生5V电压供电，从1端输

7、入9V电压，3端输出5V电压，C1与C2为稳压作用。电路原理图如下：图2 电源电路3.2 脉冲产生电路设计 采用555定时器构成多谐振荡器产生脉冲信号。由公式：可以确定某频率下、的值。输出频率为2Hz，选=4.7uF，计算得出=75K，=39K。电路原理图与输出脉冲仿真图如下：图3 脉冲产生电路图4 输出波形3.3 脉冲分频电路设计 由555定时器产生的脉冲波高低电平的脉宽不一样，而且产生的频率为2Hz，不符合需求。用74LS193进行二分频，最终得到1Hz的脉冲波。二分频电路原理图如下：图5 分频电路3.4 倒计时电路设计倒计时电路用到的芯片有74LS193、74LS74、CD4511。电路

8、设计由30s开始倒数，倒数至零时转换为20s倒数，然后再进行30s倒数，如此不断循环。用一块74LS193实现十位倒数，用一块74LS193进行个位倒数。预置30时减法器不能实现倒数，当个位从零减一，产生减位信号低电平使芯片恢复到预置数状态，然后再进行倒数，不断循环，这样倒计时只能产生这样状态：3020100030。因此采用预置29进行倒数。在一块74LS193预置9进行个位倒数，遇到输入脉冲上升沿，进行减法计数，当减至零时，输出减位信号触发表示十位的74LS193进行减法计数，同时减位信号也输送到触发器74LS74。74LS74是上升沿触发，利用触发器能填补个位倒计时从0变到9的那一秒时间空

9、缺，避免了缺失0变化到9那一秒的缺失。当十位减为零时，输出减位信号给触发器，触发其翻转功能，从而实现从111011的变化，即通过控制二进制低位来控制74LS193的预置数来实现十位30203的变换。二进制的倒计时信号通过CD4511在数码管上显示十进制数字。电路原理图如下：图6 倒计时电路3.5 交通灯状态控制电路设计交通灯控制要求仅在30s、5s、 20s（30s倒数为零后的20s）选择灯的亮灭，转为二进制即：110000、000101、100000。若状态转换采用电平触发，则在30s倒数了十秒后出现显示灯的状态选择，不符合设计要求；考虑用上升沿触发74LS193。状态控制信号转换表如下表：

10、表1 状态控制信号转换表 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1经分析与归纳，可以得出：根据以上表达式，利用逻辑门电路可以产生CP信号。控制电路图如下(门电路部分)：图7 显示状态变换控制电路3.6 显示电路设计以控制电路产生的上升沿信号CP触发74LS193并经74LS138译码器进行显示灯的选择。通过Proteus仿真，可以得出：在30s6s，74LS193低两位输出为10；在5s0s, 74LS193低两位输出为11；在20s6s，74LS193低两位输出为00；在5s0s，74LS193低两位输出为01。这四种状态可以通过译码器74LS138

11、进行灯显示的选择。以G表示绿灯，Y表示黄灯，R表示红灯，则显示灯状态电路表如下：表2 显示灯状态电路表74LS193输出信号译码器信号 主干道 主人行道 支干道支人行道 10 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 11 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 00 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 01 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1由上表可以看出： 交通灯控制电路需要黄灯为闪亮状态，则黄灯还需要一个脉冲信号输入。由以上表达式结合逻辑门电路设计知识可以设计出灯状态显示电路如图8：图8 灯状态显示电路3.7 总体电路

12、原理图与焊接布线图经Proteus仿真能实现交通灯功能的电路原理图：图9 总体电路图Proteus画焊接布线图：图10 焊接布线图4 实验误差和故障分析1交通灯倒计时过快，实验值与标准值对比如表：表3 倒计时性能指标测试测试值（s） 1020304050标准值（s） 12 24 36.5 49 61误差 （%） 20 20 22 23 22经示波器检测，脉冲产生电路产生的脉冲波频率过大，调整合适电阻后，倒计时误差减小至允许范围。2倒计时个位从0变化到9期间会出现这样的现象：数码管为全灭状态持续大约23秒。分析：是否脉冲波周期性延时？经检测，脉冲波输出正常；是否74LS193接法出现错误？检查接

13、线后，发现无错误；检查74LS74工作状态，发现与个位相关的触发器工作状态与仿真状态不一样，猜测可能脉冲波输入触发器产生电平延时，为调整波形，在脉冲波加非门电路，最终倒计时电路恢复正常工作。3交通灯显示状态混乱。从状态转换电路开始排查，发现状态转换电路出现接线错误，纠正后，电路恢复正常工作。4倒计时个位显示在8、9时为全灭状态，从7倒数到4，然后自动跳转到7。分析二进制数发现从4到3刚好高第二位从1变为0。经检测硬件，发现74LS193的6脚与9脚相接短路。改正线路后，倒计时电路恢复正常。5在硬件调试过程中，发现有不少短接和断路现象。例如倒计时电路不会倒数，用万用表检测脉冲波输入端，发现无脉冲

14、输入，认真检查焊接电路，发现某跳线漏接；支干道红灯一直不亮，而主干道运行正常，出现这样的现象，排除状态转换电路出现故障，最可能出现问题是红灯接地出现错误，用万用表检测，发现红灯正极与地线短接，纠正后，红灯工作正常。6经以上排查和纠错，再次测试电路，交通灯转换数据如下表（分别用G1、Y1、R1、G2、Y2、R2表示主干道绿、黄、红灯和支干道绿、黄、红灯）：表4 干道交通灯数据转换表G1Y1R1G2Y2R230s6s1000015s0s01000120s6s0011005s0s001010以G12、R12、G22、R22分别表示主人行道绿、红灯和支人行道绿、红灯，实验数据如下表：表5 人行道交通灯

15、转换表G12R12G22R2230s6s01105s0s011020s6s10015s0s1001 从表4表5可以得，交通灯控制电路可以实现要求。5 课程设计的收获、体会和建议 在这次课程设计中，学会了使用仿真软件和焊接布线软件，掌握了数字电路的设计方法和技巧。在课程设计过程，体会到团队合作的重要性和乐趣。从最初的状态分析，到图书馆和网上查找资料，设计原理图，原理图改错，焊接布线，到最后的实验室电路调试与解决故障，焊接电路和硬件检错与分析校正，组员都很认真去做，因此也经常熬夜，但每完成一个步骤都很有成就感。致 谢 感谢学校和老师安排的这次课程设计，让我们有机会体验到数字电路设计的乐趣。感谢组员

16、们的相互配合，使电路最终能设计出来并成功焊接。感谢老师的指导，使我们能顺利的完成电路的检错和完善。 衷心感谢帮助过我们的老师和同学。参 考 文 献1康华光.电子技术基础模拟部分.第5版.北京：高等教育出版社，2006.500-5062康华光.电子技术基础数字部分.第5版.北京：高等教育出版社，2006.1-4303吕思忠 施齐云.数字电路实验与课程设计.第1版.哈尔滨：工程大学出版社，2001.185-199附录一 总体电路图附录二 电子元器件清单器件名称规格数量备注CD4511216脚2位共阴数码管2IC座24脚，IC座40脚74LS04214脚74LS08114脚74LS20114脚74LS32214脚74LS74114脚74LS193416脚IC座8脚1IC座14脚7IC座16脚7IC座24脚2插数码管2位IC座40脚插数码管4位可调电阻1K12K5K10K555定时器1按钮开关（常开、常闭）1电容4.7uF1(电解电容)；0.01uF1电阻100K1；51K2发光二极管（LED)红4绿4黄274HC138119