交通灯课程设计

一、设计任务与要求

设计任务：设计一交通灯控制电路以控制十字路口两组交通灯（由红、黄、 
绿3色灯组成）的状态转换，指挥车辆安全通行。

设计要求：
1、基本要求
（1）主干道与支干道交替通行，主干道通行60秒，支干道通行30秒。
（2）主干道通行60秒时，主干道绿灯亮55秒后黄灯亮5秒，支干道红灯亮60秒； 支干道通行30秒时，支干道绿灯亮25秒后黄灯亮5秒，主干道红灯亮30秒。
（3）黄灯亮时，要求黄灯闪烁，频率为1Hz。
2、发挥部分
要求主干道和支干道在通行时间内（绿灯亮后黄灯亮）和禁止通行时间内（红灯亮）均有倒计时显示。

二、设计方案选取与论证
2.1方案选取
  方案一：
由定时器NE555构成的多谐振荡器产生秒脉冲，两块74LS192芯片级联成61进制和31进制轮换倒计时器，计时器输出的数据通过两块74HC4511译码器和两块共阴七段数码管显示出来。由倒计时器与逻辑门构成定时器，在每隔55秒、5秒、30秒和5秒输出一个脉冲，触发状态控制器工作。状态控制器控制着信号灯的转换。
 
  方案二：
由555时钟信号发生电路产生稳定的“秒”脉冲信号。用一片74LS161作为计数器，将其输出端通过非门与74LS48相连后，把74LS48输出端连到数码管上，实现倒计时。用另外一片74LS161作为状态控制器，控制状态变量Q2Q1的变化，即实现变化：00-01-10-11，从而使计数器实现模10、模2、模5的转化。六个灯与由状态控制器控制的74LS74的输出端通过门电路直接相连。
综合考虑，方案1比方案2所用的器件要少，比较经济。而且方案1容易连接。易于生成。所以选择方案1比较好。

2.2  用74LS192实现状态转换如下所示
Q1Q0为00时，主干道绿灯与支干道红灯亮，时间持续55s；
Q1Q0为01时，主干道黄灯与支干道红灯亮，时间持续5s；
Q1Q0为10时，主干道红灯与支干道绿灯亮，时间持续25s；
Q1Q0为11时，主干道红灯与支干道黄灯亮，时间持续5s；
四个状态以00-01-10-11的顺序循环出现。其工作流程图如图1所示：
 

总体方案原理图如图2：

 

三、单元电路设计
3.1 秒脉冲产生电路
秒脉冲电路是由一片555芯片、参数为10u和0.1u的电容、参数为15k和68k的电阻组成的。将555芯片按一定的线路接上不同的电阻和电容就可产生周期不同的脉冲信号，即不同的频率的脉冲。
本次课程设计需要以秒为单位的脉冲信号，因此利用参数为10u和0.1u的2个电容，与参数为15k和68k的2个电阻按图3构成电路。
 脉冲周期T=0.7×(15k+2×68k) ×10u，约等于1s。
3.2倒计时器与显示
    倒计时器由两片4位十进制可逆同步计数器（双时钟）74LS192、两片74HC4511译码器、两个共阴七段数码管、一个与门、一或门和一四输入或门构成。其组成如图4所示，其中 74LS192是上升沿触发，CPU为加计数时钟输入端；CPD为减计数时钟输入端；LD为异步预置端，低有效；CR为异步清零端，高有效；CO为进位输出端，当1001后输出低电平；BO为借位输出端，当0000后输出低电平；D3D2D1D0为数据预置端；Q3Q2Q1Q0为数据输出端。倒计时器初始状态为01100000或00110000，根据输入决定，当输入一个脉冲，计时器就会减一。低位的状态是0000时，再来一个脉冲，BO端就会由1—〉0，这是高位的CPD端由0—〉1。高位因得到一个上升沿，从而触发，进行减1运算。低位的状态变为1001。当高低位的状态都为0000时，它们的LD端就会接低电平，从而进行异步置数。计时器状态变为01100000或00110000。秒脉冲再来就会重复以上操作。然后把74LS192的输出接到4511的输入，再连接数码管译码显示。

3.3定时电路及状态控制电路
定时电路与状态控制电路由7个与门、1片74LS192、1片74LS74、2个非门和3个或门构成。状态控制器有两个JK触发器级联而成，如图5—1所示。状态控制器实质是一个2位二进制异步加法计数器，下降沿触发。当倒计时器的状态为01100000（60）、00000101（5）、00110000（30）和00000101（5）时，定时器输出0，其余状态都是是输出1。倒计时器的初状态为01100000，即定时器的初态为0，倒计到00000101之前定时器的输出都为1，当到00000101时，定时器输出为0，然后转到状态00110000，定时器输出为0，倒计到00000101之前同样定时器输出都为1，到00000101时为0。状态控制器得到下降沿而触发。状态控制器到下一个01100000时再次触发。同时状态跟随转变。这就实现了状态首先隔55秒转换一次，接着隔5秒转换一次，然后再隔25秒转换一次，再隔5秒转换一次，最后再隔55秒转换一次，如此循环就可以实现定时信号转换的目标。

三、系统功能仿真验证和印制版图的设计
4.1  用proteus软件仿真可以实现基本和发挥部分，仿真电路如图6所示：
 
4.2  用protel软件画出的PCB图如图7所示：
 


四、硬件的装配和调试

4.1  所用器件
芯片：555芯片一片；74LS192三片；74HC4511两片；4072两片；74LS74一片；74LS00一片；74LS32两片；74LS08三片；
电容：10u一个；0.1u一个；
电阻：15k一个；68k一个；100六个；
其他：数码管两个；发光二极管六个；导线若干；铜版一块。

4.2遇到问题及解决方案
由于是在一小块铜板上完成一个集成电路，所以电路的连线比较繁琐，虽然查线时，没有发现什么问题，但当接通电源后，数码管并未按照理论显示倒计的时间，而是只显示设定状态60。用万用表检查，发现没有脉冲产生，逐一检查电路及跳线，发现一条跳线接错，改正后，能正常倒计时计数。但有时会出现倒计时不是30次后60次，而是出现两次30或两次60倒计时，经仿真演示发现与74LS74有关，检查了74LS74所在的电路，没有错误，将芯片拔出又插入后，工作正常，所以判定是接触不良。所以以后在跳线多的时候要认真检查每条跳线是不是接的正确。另外，有时候芯片会出现接触不良的现象，所以在装芯片的时候要保证其牢固性。

五、结果分析和总结
5.1 结果分析
 本课程设计能够实现主干道与支干道交替通行，主干道通行60秒，支干道通行30秒。主干道通行60秒时，主干道绿灯亮55秒后黄灯亮5秒，支干道红灯亮60秒； 支干道通行30秒时，支干道绿灯亮25秒后黄灯亮5秒，主干道红灯亮30秒。并且，黄灯亮时闪烁的频率为1Hz。另外主干道和支干道在通行时间内（绿灯亮后黄灯亮）和禁止通行时间内（红灯亮）均有倒计时显示。
优点：能够实现各项指标，且很稳定。
缺点：没有分模块布线，检查时带来不便，不能一下确定是哪个模块出了问题。

5.2 总结
    三周的课程设计，锻炼了我的电路设计能力和动手的能力，也使我通过亲身实践掌握了一些中规模集成器件的使用技巧与方法，而不仅限于书本上的理论知识，让我受益非浅。
课程设计就是将理论付之于实践的过程，如何能更好地用自己的知识来实现实验的要求的功能，这不仅要看我们所学的知识是否扎实，更重要的是要有能把书本知识运用在实际电路中的能力。同时，做电路板时一定要细心、耐心，要有坚持的毅力。对于现在缺乏实践经验的我们来说，这是一个艰苦的过程。对于本次实验，接线时，事先布局好就会达到事半功倍的效果。实验中最好能做一个模块然后检查一个模块，这样以后出错的机会就很小了，而且也很容易排查错误。
这次课程设计让我们又一次巩固并复习我们所学的数字电路逻辑设计这一门课程的知识，也为以后更深入的学习做了一个好的开端，是一次提升自我的实验。因为它不仅是一次锻炼动手能力的实践，也是锻炼我们思维能力和意志力的实践，我们从书上学到的是死知识，但通过实习，活跃了我们的思维，也给了我们一个发挥自己创新能力的机会，书本和实践相结合，就是最终的作品。既是动手实践就会遇到各种问题，也会面对重重困难，不畏艰难，知难而进就是我们解决问题的方法。因此，今后，我会在学习理论知识的同时，更加注重动手实践能力的培养与思维能力的锻炼。

交通灯课程设计word文档下载【附图完整版】：