交通信號燈控制器設(shè)計報告

交通信號燈控制器設(shè)計報告一、設(shè)計任務(wù)及要求在一個主干道和支干道匯交叉的十字路口，為了確保車輛行車安全，迅速通行，設(shè)計一個交通信號燈控制電路，其原理框圖如圖所示。紅黃綠紅黃綠紅黃綠主干道支干道譯碼驅(qū)動電路主控電路車輛檢測電路計時控制電路時基電路交通燈控制電路原理框圖計時顯示電路控制器要求如下：1．用兩組紅、綠、黃發(fā)光二極管作信號燈，分別指示主道和支道的通行狀態(tài)；2．通行狀態(tài)自動交替轉(zhuǎn)換，主道每次通行30秒，支道每次通行20秒，通行交替間隔時間為5秒；3．通行狀態(tài)轉(zhuǎn)換依照“主道優(yōu)先”的原則，即：當主道通行30秒后，若支道無車則繼續(xù)通行；當支道通行20秒后，只有當支道有車且主道無車時才允許繼續(xù)通行。（用按鍵模擬路口是否有車）4．設(shè)計計時顯示電路，計時方式盡量采用倒計時。二、實驗器材元件/對應(yīng)芯片元件/芯片數(shù)量元件/對應(yīng)芯片元件/芯片數(shù)量CD408124管腳底座1NE5551焊槍1CD40271剝線鉗1CD45112電路板1CD401922泡沫板1CD40711500Ω電阻14CD406911000Ω電阻78管腳底座56.8kΩ電阻17管腳底座3100uF電容110nF電容1發(fā)光二極管6共陰極7段數(shù)碼管2開關(guān)2設(shè)計思路交通燈控制電路結(jié)合組合邏輯與時序邏輯，狀態(tài)變量為主干道和支干道的亮燈情況，輸入變量為車輛檢測情況。主控電路受計時控制電路反饋的影響，譯碼驅(qū)動主、支干道的亮燈變化。根據(jù)各種狀態(tài)，采用串行進位方式，異步置數(shù)法分別將5、20、30置入并進行減法計數(shù)，譯碼驅(qū)動七段數(shù)碼管計時顯示。計時反饋控制方式為將高位片的借位輸出作為主控電路的時鐘信號及計數(shù)控制電路的置數(shù)信號。時基電路為用555定時器接成的多諧振蕩器，作為計時控制電路的時鐘信號。四、各單元電路設(shè)計4.1主控電路部分4.1.1基本原理對設(shè)計要求分析可得，電路的主狀態(tài)共有四種，對應(yīng)兩個狀態(tài)變量，由可知，應(yīng)由2個觸發(fā)器控制。4.1.2狀態(tài)選擇主狀態(tài)（Q1Q2）通車情況（J1J2）道道路狀態(tài)主干道支干道道道路狀態(tài)主干道支干道00綠紅00無車無車01黃紅01無車有車10紅綠10有車無車11紅黃11有車有車狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(Q1Q2表示主狀態(tài)，J1J2表示通車情況)：010100101110000001011010110001`Q1Q2J1J24.1.3邏輯表達式卡諾圖 000111100000100011010110001011011000111000100011通過化簡可得：4.1.4芯片選擇根據(jù)上述結(jié)果，選擇雙JK觸發(fā)器CD4027。由JK觸發(fā)器特性方程：從而可得：,4.1.5電路圖4.2交通燈控制電路部分4.2.1真值表Q1Q2主綠（G）主黃（H）主紅（R）支綠（g）支黃（h）支紅（r）001000010101000110001100110010104.2.2邏輯表達式4.2.3元件選擇選用六個發(fā)光二極管，所選的發(fā)光二極管的電壓為1.5V左右，電流為3~5mA，而輸出的高電平為5V，為了保護二極管，并且防止電平偏移，所以在每個二極管前面都必須加限流電阻，經(jīng)過計算，電阻可在0.7~1.17kΩ之間，本次設(shè)計中我們選用6個1kΩ電阻。4.2.4電路圖4.3計時電路部分4.3.1計時控制電路因為本次實驗采用倒計時，所以必須選用有減法計數(shù)功能的芯片，而且實驗中計數(shù)最大可達到30，故選擇兩塊CD40192（十進制加減計數(shù)器）作為計時控制芯片。它具有置數(shù)、置零等多個使能端，同步時鐘，加減雙向等特點。將兩個芯片采用串聯(lián)接法，即一個芯片（控制低位的數(shù)字）的借位端接至另一個芯片（控制高位的數(shù)字）的減計數(shù)時鐘輸入端，可得100進制減法計數(shù)器，并且將芯片（控制高位的數(shù)字）的借位輸出端接至兩個芯片的置數(shù)端（低電平有效），通過置數(shù)電路，即可將計數(shù)器置成相應(yīng)的數(shù)字。4.3.2譯碼驅(qū)動及計時顯示電路實驗室提供了共陰極七段數(shù)碼管和CD4511-BCD-7SEG譯碼器作為驅(qū)動芯片。注意添加限流電阻進行電流控制。當時，數(shù)碼管不能顯示數(shù)字；選擇R=510Ω的電阻時，數(shù)碼管能夠正常顯示數(shù)字，發(fā)光二極管能正常工作，此時電流為，不會燒壞發(fā)光二極管和數(shù)碼管。4.3.3電路圖4.4反饋控制電路部分4.4.1基本原理將十位的CD40192的借位端引出作為反饋信號，控制置數(shù)與否及主控電路的時鐘。反饋控制部分控制電路的正常運轉(zhuǎn)。4.4.2置數(shù)反饋邏輯由于借位端與置數(shù)端都是低電平有效端，所以只需將借位端引出直接接入置數(shù)端即構(gòu)成置數(shù)反饋邏輯。4.4.3主控室中反饋邏輯由于借位端在計數(shù)器持續(xù)置零時呈現(xiàn)高低電平交替輸出的狀態(tài)，故可引出直接接入JK觸發(fā)器時鐘作為時鐘信號。4.5車輛檢測電路部分主路支路車輛總共有四種情況,分別是：主路支路都沒車，主路沒車支路有車，主路有車支路沒車，主路支路都有車；用兩個狀態(tài)變量、可以表示這四種情況，表示主路車輛，且表示主路有車，表示主路沒車，表示支路車輛，且表示支路有車，表示支路沒車。車輛情況00主路、支路都沒車01主路沒車、支路有車10主路有車、支路沒車11主路、支路都有車選用兩個按鍵開關(guān)表示主路、支路車輛狀況，按鍵按下表示有車，按鍵沒按表示沒車。4.6置數(shù)電路部分4.6.1基本原理四種主狀態(tài)與置入計數(shù)器的數(shù)呈一一對應(yīng)關(guān)系。結(jié)合反饋控制部分，置數(shù)信號已消失。所以需要用前一時刻的主狀態(tài)給后一時刻置數(shù)。易知，當=0時，主狀態(tài)有可能保持不變；當=1時，電路黃燈，下一狀態(tài)必然發(fā)生變化。因為=1，所以=0時，=0；=0，電路將保持原狀態(tài)。4.6.2真值表在主控電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，需要通過此時燈的狀態(tài)和下一時刻燈的狀態(tài)來決定計數(shù)器的置數(shù)情況；分別用1D1C1B1A來表示高位的各位數(shù)，用2D2C2B2A來表示低位的各位數(shù)。置數(shù)1D1C1B1A2D2C2B2A000000000000001500000101011200010000010000000000010150000010111130001100004.6.3邏輯表達式1D=1C=2D=2B=0;1B=;1A=;2C=2A=4.7時基電路部分4.7.1基本原理實驗室提供了NE555芯片。選用555、電阻、電容構(gòu)成多諧振蕩器，為計時控制電路提供觸發(fā)信號。4.7.2參數(shù)計算（1）周期計算：（2）電容、電阻計算：本次實驗選用,;∴選R2=6.8kΩ.除此而外還需選用的電容，使555的5號管腳通過它接地。4.7.3電路圖用555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器波形仿真：五、工作原理及總體電路圖5.1工作原理交通信號燈控制器由主控電路、交通燈控制電路、計時控制電路、計時顯示電路、反饋控制電路、置數(shù)電路、時基電路等模塊組成，用單刀雙擲開關(guān)模擬實際狀態(tài)。主控電路由JK觸發(fā)器和一些門電路組成，對的每一個組合，JK觸發(fā)器都會存儲一個與之對應(yīng)的狀態(tài)；交通燈控制電路主要由與門、非門等電路組成，JK觸發(fā)器中所存儲的狀態(tài)經(jīng)過這些門電路的處理后，供給發(fā)光二極管不同的高低電平信號，從而控制發(fā)光二極管發(fā)光或者不發(fā)光；計時器電路主要由CD40192和一些門電路組成，由于CD40192的置數(shù)端（CLEAR）低電平有效，置零端（LOAD）高電平無效，二者皆是無視時鐘，有效后計數(shù)輸出立即變化，并且其借位端與置數(shù)端都是低電平有效端，所以將借位信號引出直接就接入置數(shù)端就可構(gòu)成置數(shù)反饋電路；又由于其借位端在計數(shù)器持續(xù)置零時呈現(xiàn)高低電平交替輸出的狀態(tài)，故可引出直接接入JK觸發(fā)器時鐘端作為時鐘信號，構(gòu)成級間反饋電路；計數(shù)顯示電路由譯碼器及數(shù)碼管組成，在接收到CD40192的相應(yīng)信號后，數(shù)碼管通過譯碼器的驅(qū)動顯示數(shù)字，并且還有滅零輸入；時基電路由NE555定時器和一個1kΩ電阻，一個6.8kΩ電阻，一個10nF電容和一個100uF電容組成一個多諧振蕩器，其周期為為1s，通過電容的充放電輸出脈沖信號，脈沖信號的周期也為1s，再由時鐘脈沖信號控制計數(shù)器的計數(shù)及發(fā)光二極管的工作狀態(tài)匹配。5.2總體電路圖（調(diào)試時為方便，將555的電阻均改為8kΩ，C1改為1uF）六、Multisim仿真及結(jié)果分析6.1主路支路都有車此種情況下為正常情況，此時的主狀態(tài)不發(fā)生改變，主路支路交替運行，數(shù)碼管交替顯示30、05、20、05，信號燈也按主綠支紅、主黃支紅、主紅支綠、主紅支黃等狀態(tài)交替顯示。主干道亮燈情況支干道亮燈情況計數(shù)器變化是否正常Gr30~0正常Yr5~0正常Rg20~0正常Ry5~0正常6.2主路支路都沒車若之前為支路在運行，結(jié)束后數(shù)碼管顯示05、30、00，最后就停留在00，信號燈最后停留在主綠支紅的狀態(tài)。若之前為主路在運行，結(jié)束后數(shù)碼管就停留在00，信號燈也停留在主綠支紅的狀態(tài)。主干道亮燈情況支干道亮燈情況計數(shù)器變化是否正常Gr30~0正常Gr0正常Hg20~05~030~00正常正常正常正常Hh20~05~030~00正常正常正常正常Gr20~05~030~00正常正常正常正常Gr20~05~030~00正常正常正常正常6.3主路有車支路沒車若之前為支路在運行，結(jié)束后數(shù)碼管顯示05、30、00，最后就停留在00，信號燈最后停留在主綠支紅的狀態(tài)。若之前為主路在運行，結(jié)束后數(shù)碼管就停留在00，信號燈也停留在主綠支紅的狀態(tài)。主干道亮燈情況支干道亮燈情況計數(shù)器變化是否正常Gr30~0正常Gr0正常6.4主路沒車支路有車若之前為支路在運行，結(jié)束后數(shù)碼管直接停留在00，信號燈停留在主紅支綠的狀態(tài)。若之前為主路在運行，結(jié)束后數(shù)碼管顯示05、20、00，最后停留在00，信號燈也保持主紅支綠的狀態(tài)不變。主干道亮燈情況支干道亮燈情況計數(shù)器變化是否正常Rg20~0正常Rg0正常七、電路的組裝與調(diào)試7.1主要儀器與儀表5V電源、示波器、萬用表。7.2遇到的問題及解決方案問題（1）：數(shù)碼管計數(shù)速度過快，計數(shù)周期遠小于1s。解決方案：更換了較大的電阻，情況有了明顯好轉(zhuǎn)，周期近似符合要求。問題（2）：數(shù)碼管顯示不正常，高位數(shù)碼管始終顯示0。解決方案：經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)是CD40192的連線出現(xiàn)問題，反饋信息管腳接錯。重新連線后恢復正常。問題（3）：表示支路綠燈的發(fā)光二極管始終不亮。解決方案：最初以為是由于門電路或者CD4027連接出錯，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)門電路及CD4027連接正確。后來懷疑是發(fā)光二極管損壞，更換二極管后，綠燈能夠如預期變化。八、成果及心得體會8.1實際電路圖實物電路圖依次為電路板正面（未通電）、電路板背面、電路板正面（通電）。電路板正面（未通電）：電路板背面（通電）：電路板正面（通電）：8.2心得體會通過這次交通信號燈控制器的電路設(shè)計及自己親自動手焊電路板，從中學到了很多。設(shè)計電路圖的過程本身就是一個考驗?zāi)芰Φ倪^程，需要足夠的耐心，逐個分析可能會出現(xiàn)的狀態(tài)及狀態(tài)變化的規(guī)律，需要考慮到方方面面的細節(jié)，特別是怎樣設(shè)計電路圖才能在焊接時更省力，更容易實現(xiàn)，同時也要求我們具有團隊合作精神，充分發(fā)揮團隊的力量，分工合作，才能最大最快的完成任務(wù)。本次設(shè)計我們分為前期準備、實際焊接操作及后期調(diào)試三個過程。前期準備時，我們查閱了芯片信息（包括芯片功能和管腳圖），設(shè)計出了一個穩(wěn)定有效的電路，并通過multisim軟件仿真電路，驗證了電路設(shè)計的正確性。在實際操作過程中，我們提前熟悉焊接技術(shù)，在確保自己焊接技術(shù)足以支持完成實際焊接之后，才開始電路板的實際制作。我和隊友分工合作，很快就完成了電路板的焊接。后期調(diào)試過程中，由于前期準備充分及焊接時認真細致，并沒有出現(xiàn)較大的問題，僅有一些小毛病，在及時改正后，電路板就可以如預期工作。這次設(shè)計讓我感到理論知識是很重要的，與此同時，實踐也是必不可少的，通過實