十字路口自动红绿灯指挥系统.docx
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十字路口自动红绿灯指挥系统
电子电路课程设计报告
组别：
第5组
课题：
十字路口自动红绿灯指挥系统
学院：
仪器科学与光电工程学院
专业：
测控技术与仪器13-3班
姓名：
钱敏冯一箪唐新悦
学号：
201321009820132101062013210131
指导老师:
赵丽鑫
开课时间：
2014~2015学年第三学期
1、设计题目······················2
二、主要指标及要求····················2
三、方案选择及电路工作原理···············2
四、单元电路设计分析··················6
五、总电路图·····················13
六、仿真及结果····················14
七、电子原件领用清单················14
八、安装、调试问题分析及解决办法··········14
九、测试效果及成果评价·················15
十、收获体会和改进建议·················17
十一、参考文献·····················17
一设计题目
十字路口自动红绿灯指挥系统
二主要指标及要求
设计一个十字路口交通信号灯控制器，用于控制交通主干道的交通灯和计时器，自动指挥干道车辆和行人轮流通行，保证车辆和行人安全通行。
1.自动完成绿－黄－红－绿－……工作循环；
2.每种信号灯亮的时间不等，如：
绿灯亮20秒－黄灯亮5秒－红灯亮15秒，如此循环；
3.用倒计时的方法，数字显示当前信号的剩余时间，提醒行人和司机；
4．（*）信号灯的时间分别可调，以适应不同路口，不同路段交通流量的需求。
三方案选择及电路工作原理
1.课题分析
状态
0000
0001
0010
信号灯
红
绿
黄
时间
15s
20s
5s
从上表可以看出，十字路口信号灯有3个状态，即状态计数器是三进制计数器。
而时间显示总是从预置数开始倒计时，在0s时发生信号灯状态之间的切换。
2.方案选择
经过对课题的研究分析，我们首先确定了合适的设计方案。
十字路口自动红绿灯指挥系统由七个部分组成：
时钟振荡电路、预置数倒计时电路、数码显示电路、延迟电路、状态计数电路、信号灯显示电路和任意置数控制逻辑电路。
单元电路构成:
a.时钟振荡电路是由NE555组成的多谐振荡电路，提供标准秒脉冲；
b.预置数倒计时电路由两片74LS192芯片构成，进行倒计时；
c.74LS192输出端连接数码管，进行倒计时显示；
d.74LS192的溢出信号到达74LS161构成的三进制状态计数器的脉冲输入端，实现信号灯状态切换；
e.74LS161的输出到达74LS153的地址位，产生相应状态下的置数输入信号；
f.由奇数个逻辑门“非”门组成的延迟电路，使得置数控制信号稍缓于置数输入信号；
g.任意置数控制逻辑电路由两片74LS161、三片74LS373、数码管、四个开关和若干门电路构成，实现信号灯时间可调。
本电路设计最为关键的部分是置数输入信号和置数控制信号的先后顺序问题，我们选择的方案是首先让电路准备好该状态的置数输入，然后将置数控制信号送达74LS192的LOAD端，因此延迟电路的设计是重中之重。
由功能表可知，74LS192是异步置数的，因此置数控制信号必须在出现0s后一秒到达，以确保倒计时的每一秒都是标准一秒的时间，于是我们利用门电路的速度快慢将74LS192的溢出信号转变为窄脉冲置数信号。
本电路设计的难点部分是实现信号灯时间可调。
虽然这是选做任务，具有一定的难度，但是我们还是不畏艰难，积极寻找解决办法。
我们共设想了三种方案：
方案一：
利用开关，控制74LS153数据选择位的高低电平；
方案二：
利用计数器，将计数器输出送达74LS153的数据选择位；
方案三：
利用计数器和锁存器，将锁存器输出送达74LS153的数据选择位；
方案一所需开关数目众多，实际操作中恐难以实现；方案二需三个计数器（六片芯片）和八个数码管，电路十分复杂，难以进行实际安装操作；比较理想的是方案三，利用一个计数器、一个数码管、三个锁存器和四个开关进行信号灯时间的置数调节，调节范围为0-99，因此我们最终选定的是方案三。
各方案电路如下：
方案一
方案二
方案三
本电路设计中，关于任意置数控制逻辑电路中计数器的选择也是经由我们慎重考虑的。
我们所熟悉的计数器一般有74LS161和74LS90，本电路设计中任意置数逻辑控制电路部分所需的计数器是8421BCD码计数，74LS90似乎更符合要求，但是由于74LS90没有使能端，而任意置数控制逻辑电路只在红绿灯正常工作之前进行计数，所以我们选用了有使能端的74LS161芯片。
74LS161是四位二进制可预置的同步加法计数器，因此我们首先需要将之改成8421BCD码计数器。
电路图如下：
3.设计原理
十字路口自动红绿灯指挥系统分为七个部分：
时钟振荡电路、预置数倒计时电路、数码显示电路、延迟电路、状态计数电路、信号灯显示电路和任意置数控制逻辑电路。
在电路正常工作之前首先需要用任意置数控制逻辑电路生成红、绿、黄信号灯各自的置数输入，计数器生成信号灯的时间范围为0-99，锁存器能够锁住计数数字，即保持置数输入不变；时钟振荡电路提供标准秒脉冲，倒计时开始；预置数倒计时电路实现倒计时循环；数码显示电路用于剩余时间显示；当倒计时到0s时产生溢出信号——秒脉冲，延迟电路利用溢出信号产生窄脉冲置数信号，到达74LS192的置数控制端；而溢出信号同时是74LS161构成的三进制状态计数器的脉冲输入，状态计数器的输出端与逻辑电路配合使信号灯按顺序亮灭，同时完成对下一环节的计数器倒计时预置，然后开始下一状态的倒计时。
这样便可完成十字路口的交通信号灯控制。
4.结构框图
四单元电路设计分析
1.时钟振荡电路
用555定时器构成方波信号发生器，如下图：
参数选择：
电容充电回路：
t1=0.7（R1+R2）C
电容放电回路：
t2=0.7R2C
要求t1+t2=1s
我们选择R1=R2=10kΩ，C=47μF
算出t1+t2=987ms≈1s
2.预置数倒计时电路
74LS192功能表：
74LS192时序图：
一个独立的倒计时电路由两片74LS192芯片的减法计数来实现。
其中，一片用作十位，另一片作为个位，其输入端连接74LS153的输出，输出端连接数码管。
将第一片芯片的DOWN引脚接时钟振荡秒脉冲，BO引脚接第二片芯片的DOWN引脚，组成100进制倒计时计数器。
一个独立的倒计时电路如下：
与独立的倒计时电路不同的是，预置数倒计时电路的溢出信号由两芯片的BO引脚取“或”之后产生，再经过奇数个“非”门电路产生窄脉冲作为置数控制信号，这样就使得置数控制信号稍缓于置数输入信号，实现了预置数倒计时。
实际电路连线如下图：
3.数码显示电路
DCBADCBA
数码显示电路选用两块DCD_HEX数码管接芯片的输出引脚，实现倒计时剩余时间显示。
值得注意的是，数码管从右往左位次由低到高递增。
4.延迟电路
由奇数个逻辑“非”门组成的延迟电路，利用溢出信号产生窄脉冲置数信号，到达74LS192的置数控制端，使得置数控制信号稍缓于置数输入信号。
5.状态计数电路
状态计数电路由74LS161芯片组成，将QA、QB连接至与非门后连接到CLR（清零法），构成三进制计数器。
当接收到74LS192的溢出信号，开始实现从0000-0001-0010的三种状态计数，“0000”状态对应的是红灯，“0001”状态对应的是绿灯，“0010”状态对应的是黄灯。
当计数器跳到0011时清零，开始下一轮状态循环。
74LS161引脚图:
状态图：
三进制状态计数器:
仿真电路图：
6.信号灯显示电路
74LS161的输出QA和QB通过门电路连接三种信号灯，从上到下依次为绿灯、黄灯、红灯。
不同状态对应不同的信号灯，00状态代表红灯，01状态代表绿灯，10状态代表黄灯。
7.任意置数控制逻辑电路
1）74LS153是双向数据选择器：
双向是指经过选择，把多路数据中的一组数据传到公共数据线上，实现数据选择功能的逻辑电路称为数据选择器。
它的作用相当于多个输入的单刀多掷开关，74LS153是一个双四选一的数据选择器，它是由两组四选一数据选择器组成的。
74LS153的管脚：
74LS153的功能表：
将状态计数器的输出接到两片74LS153的地址输入端A、B，四个预置输入端的C0~C2分别按照地址00对应预置输入101（0）0（红灯14s）、01对应110（0）1（绿灯19s）、10（黄灯4s）001（0）0接高低电平，C3空接，两个输出端的Y1、Y2按顺序接到主计数器74LS190的置数端，对应顺序如下图：
2）74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，本实验要求用两位LED数码显示当前剩余时间，这就要求我们对74LS161进行一定的改造，实现8421BCD码计数。
由上图功能表可知，当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一致，实现同步置数功能。
当计数器计到“99”时同步置数为“0”，因此任意置数逻辑控制电路的置数范围是0-99。
具体电路连线如下图：
Dn
LE
OE
Qn
H
H
L
H
L
H
L
L
X
L
L
Q0
X
X
H
高阻态
3）74LS373为三态输出的八D 锁存器，当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。
当LE为低电平时，D被锁存在已建立的数据电平，芯片真值表如左图。
因此，当想把当前计数器的数字锁存到74LS373时，只需将锁存器闭合的开关打开，锁存器输出即保持不变，到达74LS153的数据选择位，实现信号灯时间可调。
任意置数控制逻辑电路的总电路图如下：
五总电路图
六仿真及结果
在电路设计过程中，我们进行了多次仿真，不断对电路进行修改，最后得到了以上总电路图，电路基本功能均已实现，符合设计要求。
刚刚开始仿真时，电路出现的问题是当倒计时为“0”只在瞬间闪现，并立刻置成下一状态的数，“0s”的时间是不正确的。
我们对电路各个模块逐一进行排查，最后确定电路其他部分都是正确的，于是我们猜想是74LS192芯片的BO溢出信号输出少了一个延时电路，溢出信号一旦产生就立刻到达74LS192的LOAD置数控制端，又因为74LS192是异步置数的，所以会出现“0”瞬间闪现的情况。
分析出原因后，我们给电路加上了延时电路，再次进行仿真，果然解决了“0”瞬间闪现的问题。
但经过我们仔细观察发现，当一个状态结束后，电路翻转，0s的末端有时会出现“99”，我们意识到应该是延时时间长了，于是又经过多次修改，最终将参数配置成功，完成了仿真。
七电子元件领用清单
元件名称
单位
数量
74LS192
片
2
74LS161
片
1
74LS153
片
2
NE555
片
1
74LS04
片
1
74LS86
片
1
74LS00
片
1
八安装、调试问题分析及解决办法
1．NE555
问题分析：
交通灯的时间必须是标准时间，而时钟振荡电路在安装过程中要解决的首要问题主要是检验电路是否符合标准秒脉冲要求。
调试方案：
将秒信号发生器的输出接指示灯，观察指示灯显示情况。
调试结果：
记录相邻次灯灭间隔的时间，大致为1s，满足要求。
2．74LS161
问题分析：
连接好74LS161和信号灯之后，发现出现了三个信号灯都亮的情况。
调试方案：
先将三进制计数器接好，不接入门电路，一一排除问题。
单接入74LS161计数器时，输出连接至数码管，发现状态输出正确，准确按照00-01-10的顺序计数。
于是我们排查门电路的连接问题，重新连线之后发现三个灯能够按照正确的顺序亮灭，我们就把74LS161与其他部分电路连接起来。
但是之后仍出现了三个灯都亮的情况，经思考我们发现应该是灯接触不良的问题，换了实验箱重新连线之后，问题成功解决。
调试结果：
74LS161在有脉冲输入的情况下输出状态为“00-01-10-……”，循环往复，信号灯相应地依次按照“红-绿-黄-……”顺序亮灭，符合设计要求。
3．74LS192
问题分析：
连接好74LS192后，暂时给它置数“19”，观察倒计时情况，发现是按照“19-17-15-13-……”的顺序倒计时的。
调试方案：
用万用表一一检查74LS192输出端的电平高低情况，发现个位A引脚输出电平一直为低电平，于是将之重新连线并检查电平高低变化。
调试结果：
个位A引脚输出电平每秒跳转一次，数码管倒计时显示正常。
4．74LS153
问题分析：
74LS153组成的置数控制逻辑电路相对较为简单，但是无法直观地观测到这部分电路是否连接正确，可能会影响到电路的整体效果。
调试方案：
将74LS153的四个输出端接指示灯，地址输入端通过导线接到高低电平，尝试不同组合并观察指示灯是否正确。
调试结果：
输入00时，输出为1010；输入01时，输出为1101；输入10时，输出为0010，满足要求。
九测试效果及成果评价
经过不断调试，电路功能均已实现，信号灯按照“绿-黄-红”的顺序依次亮灭，且各信号灯的时间分别为20s、5s、15s，符合设计要求。
但不足之处在于，由于实验箱部分元件老化导致接触不良，在测试过程中可能出现信号灯开头紊乱的状态。
但就总体而言，电路设计实现的效果还是较令人满意的。
十收获体会和改进建议
这次实习，不仅检验了我们学过的知识，而且考验了我们知识应用和动手制作的能力。
从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的调试再到最后电路的成型，虽有一些小坎坷，但总体来说是十分顺利的，这都要归功于团队的力量。
一开始拿到题目，我们几个设计小白不知从何下手，但是结合老师给出的设计框图和已经学过的数电知识，电路整体的架构很快就出现了，然而真正考验我们耐心的是之后的仿真调试。
细节问题就像是鞋底的砂砾，不影响走路，却让人难以忍受不得不除去。
比如仿真时我们发现“0”的数字只能闪现一下，其原因是74LS192芯片是异步置数的，因此我们需要设计一个延时电路来解决这个问题。
由于经验的匮乏，我们只能拿课本上的延时电路来进行测试。
好不容易把它接进电路，却发现根本没有起到作用，反而还给原来的电路带来了新问题，这种打击促使我们去从原理和需求的关系上去发现设计思路，即让需求决定设计，而非现象，这对我们来说是一个颇为艰难的探索历程，在这上面我们三个花了大把时间，提出构想、讨论、被否定、再次提出方案，直到最后在老师的提点下，我们才最终解决问题。
接下来的电路制作过程也并非一帆风顺。
起初是我们三人各自负责组建和调试单元电路，由于试验箱老化，经常出现接触不良等问题，我们的调试结果一会正确一会又错的离谱，让人有些头大。
这让我们认识到实际和理论的差距，我们保持着完成任务的自信但并不敢过度乐观。
中途我们遇到了换箱子，换芯片等问题，但我们始终保持耐心，一步一步来调试，最终完成了任务。
通过这次的电子电路课题设计，我们学习了利用仿真软件Multisim设计电路，能够独立完整地设计出具备一定功能的电子电路，以及进行仿真和调试。
实际电路的安装和调试进一步提高了我们综合应用知识的能力，而不仅仅是纸上谈兵。
我们认识到，电路的仿真和实际安装不是完全一致的，遇到问题应冷静分析，根据现象仔细思考不足之处，不断改进，一步一步臻于完美。
十一参考文献
1.林红主编《数字电路与逻辑设计》清华大学出版社2009年4月第1版
2.吴敏张晨彧戴雷主编《电工电子实验与仿真》安徽人民出版社2007年10月第1版
3.秦曾煌主编《电工学》（第七版）高等教育出版社2009年5月第7版
4.李桂安主编《电子技术实验及课程设计》东南大学出版社2008年08月第1版
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