十字路口交通管理控制器(protel课设)

课程设计
题目十字路口交通管理控制器学院信息学院
专业通信工程
班级1103班
姓名邱伟宏
指导教师许建霞
年月日
课程设计任务书
学生姓名：邱伟宏专业班级：通信1103班
指导教师：许建霞工作单位：信息学院
题目: 十字路口交通管理控制器
初始条件：Protel软件、PC机和相关的参考书籍如：
1.Protel99 入门与提高.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11
2.Protel99 高级应用.赵品编著.人民邮电出版社.2000.11
3.Protel 99 SE电路设计与仿真应用
要求完成的主要任务:
1、绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch（自选）。

可以涉及
模拟、数字、高频、单片机、或者一个具有完备功能的电子电路系统。

（注意：电路选择不可过分简单，元件种类（包括电源和信号源）少于5种；或者元件个数少于10个将导致不及格。

）
2、绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb
3、对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否
达到设计意图。

（注意：仿真提倡对所绘制的原理图*.sch进行全面仿真，如果不能做到全面仿真成功，则要说明原因，但要完成局部电路的仿真。

）
时间安排：
指导教师签名： 2014年 6 月 10 日系主任（或责任教师）签名： 2014 年 6 月 10 日
目录
摘要 (4)
1.设计任务与要求 (6)
1.1 设计要求 (6)
1.2 设计任务 (6)
2.Protel简介 (7)
3.电路原理分析 (8)
3.1 计数模块 (8)
3.2 置数模块 (9)
3.3 显示模块 (10)
3.4 控制模块 (11)
3.5 交通灯模块 (12)
4.电路原理图以及PCB图的绘制 (13)
4.1 绘制原理图 (13)
4.2 绘制PCB图 (18)
4.2.1 加载网络表 (18)
4.2.2 PCB图的排版 (19)
4.2.3 PCB图的布线 (20)
5.电路的仿真及结果 (21)
6.心得体会 (24)
参考文献 (25)
摘要
十字路口交通管理其是一种用数字电路技术实现主次道交通管理的装置，具有高的准确性和直观性，具有很长的使用寿命，因此得到了广泛的使用。

小到人们日常交通，大到车站、码头、机场等公共场所。

Protel DXP 2004将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道技术、自动布线技术以及强大的电路仿真的技术完美的融合在一起。

Protel DXP提供了丰富的元件库，包括原理图符号。

PCB封装、SI模型及仿真模型，可以方便地进行同步修改。

这次课程设计主要要求掌握原理电路图设计、PCB设计和仿真。

关键词： Protel DXP，PCB设计工具，原理图设计，自动布线器，原理图混合信号仿真
Abstract
The intersection traffic management is a kind of digital circuit technology is used to implement the primary and secondary road traffic management devices, high accuracy and visual, has a long service life, therefore has been widely used. Small to People's Daily traffic, to the station, docks, airports and other public places.
Protel DXP 2004 combine Project management, the PCB and schematic map of the two-way synchronization technology, multi-channel technology, automatic routing technology and a strong circuit simulation technology together perfectly. Protel DXP provides a rich library, including the principle of symbols. PCB package, SI model and simulation model can easily synchronize edits. The main demands of the curriculum design master principle circuit design, PCB design and simulation.
Key words：Protel DXP，PCB design tools，schematic design，automatic routing，principle of mixed-signal simulation
1.设计任务与要求
1.1 设计要求
1、绘制具有一定规模、一定复杂程度的电路原理图*.sch（自选）。

可以涉及
模拟、数字、高频、单片机、或者一个具有完备功能的电子电路系统。

（注意：电路选择不可过分简单，元件种类（包括电源和信号源）少于5种；或者元件个数少于10个将导致不及格。

）
2、绘制相应电路原理图的双面印刷版图*.pcb。

3、对电路原理图进行仿真，给出仿真结果（如波形*.sdf、数据）并说明是否
达到设计意图。

（注意：仿真提倡对所绘制的原理图*.sch进行全面仿真，如果不能做到全面仿真成功，则要说明原因，但要完成局部电路的仿真。

）
1.2 设计任务
设计一个数字交通灯，逻辑门集成芯片实现计数功能，通过8段数码管反映数值变化，每到数字变零时，进行红黄绿LED的亮暗切换，从而实现十字路口交通灯的功能。

在主、支道路的十字路口设置三色灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮要求压线车辆快速穿越。

设置绿灯常亮时间为60秒，黄灯常亮时间为5秒，红灯常亮时间为20秒。

2.Protel简介
PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。

早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到DXP 2004，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计等，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。

2005年年底，Protel软件的原厂商Altium公司推出了Protel系列的最新高端版本Altium Designer。

它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。

Altium Designer 是业界首例将设计流程、集成化PCB 设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品，一种同时进行PCB和FPGA设计以及嵌入式设计的解决方案，具有将设计方案从概念转变为最终成品所需的全部功能。

最新高端版本Altium Designer 除了全面继承包括99SE，Protel2004在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。

Altium Designer 6.0拓宽了板级设计的传统界限，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程师能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计集成在一起。

3.电路原理分析
3.1 计数模块 本次设计使用的计数模块为74ls192芯片。

74ls192是一块同步可逆递增/递减BCD 计数器。

由于交通灯需要实现倒计时功能，故使用此芯片的逆向计数功能。

74ls192的引脚图和功能表如图所示：
其中
P0到P3口用于预置数。

当置数端PL 出现低电平时，芯片自动置数。

Q0到Q3口为计数输出端，用于将数值输送给下一级电路。

TCU 和TCD 分别为递增计数时的进位输出端和递减计数时的借位输出端。

本设计使用两级74ls192串联，实现低一级芯片计数到0时向高一级芯片借位。

CPU 和CPD 分别为递增计数和递减计数的脉冲输入端。

MR 为清零端。

两级电路连接如图所示。

图3.1 74ls192引脚图
图3.2 74ls192功能表
图3.3 计数模块原理图
3.2 置数模块 为了实现交通灯在绿灯、黄灯、红灯时的不同置数，本设计使用了三片74ls245置数器，其引脚图和功能表如图所示。

由功能表可得，当设置G 端口为低电平、DIR 端口为高电平时，数据由A 端口向B 端口输送。

由于倒计时的时间共有三种（绿灯60秒，黄灯5秒，红灯20秒），且每次显示时又分高位和低位，因此共使用三片74ls245芯片。

其中第一片芯片控制绿灯显示时间，且A4到A7控制绿灯显示时间的十位数，A3到A0控制绿灯显示时间的个位数。

同理可设置后亮片芯片分别控制黄灯显示时间和红灯显示时间。

电路实现如图所示。

图3.4 74ls245引脚图
图3.5 74ls245功能表
图3.6 置数模块原理图
3.3 显示模块
为了实现倒计时显示，本设计采用两片8段共阴数码管和两片74ls47译码器实现。

电路实现如图所示。

图3.7 显示模块原理图
3.4 控制模块 为了在绿灯、黄灯、红灯之间进行切换，需要一个控制电路来使三片不同的置数器分别对计数电路进行置数，故本设计使用了一片74ls160十进制计数器。

其引脚图和功能表如图所示。

由于状态灯共有三种状态，所以只需要三进制的计数功能，
故使用异步清零。

当计数值达到0011时，将通过两个非门和一个四输入与非门进行运算，对计数器清零，即回到第一个状态。

由于不需要预置数，故P0口到P3口均接地。

芯片处于计数模式时CEP 、CET 、PE 均给高电平。

而将两级74ls192芯片中的高一级芯片的借位端接到时钟CP 端。

即高位每清零一次，计数器计一位，触发下一个状态。

控制模块原理图如图。

图3.8 74ls160引脚图
图3.9 74ls160功能表
图3.10 控制模块原理图
3.5 交通灯模块
由于最后的功能是实现灯的闪烁，故本设计采用三只LED灯代替交通灯。

当控制模块的计数器的值为0000时，将低两位数据通过或非门输出后驱动LED绿灯亮；当计数器的值为0001时，将最低位数据通过一个非门后，再与次低位数据一起通过或非门，输出后驱动LED黄灯亮；当计数器的值为0010时，将次低位数据通过一个非门后，再与最低位数据一起通过或非门，输出后驱动LED红灯亮。

至此，交通灯的轮换得以实现。

具体实现原理图如下图所示。

图3.11 交通灯模块原理图
4.电路原理图以及PCB图的绘制
本次设计采用的软件是Protel的高级版本——Altium Designer。

其使用方法与Protel 99SE大致相同。

4.1 绘制原理图
进入软件主页面后，依次点击工具栏上的File/New/Project/PCB Project，新建一个后缀名为prjPCB的工程文件。

图4.1 新建工程
接下来在刚建立的prjPCB的工程文件下点击File/New/Schematic新建一个后缀名为SchDoc的原理图，建立原理图与工程的关联。

图4.2 新建原理图
在绘制原理图时，Altium Designer在工具栏上提供了常用元件的快捷方式，例如电阻、电解电容、瓷片电容以及常用的与、或、非等组合逻辑门，使用起来很方便。

如果要使用其他元件则可以使用Place/Part命令打开元件选择窗口。

若使用的是比较基本的元件可以在Altium Designer默认提供的元件库Miscellaneous Devices.lntLib中直接浏览。

Altium Designer将元件的原理图符号，元件描述、封装号以及SI仿真模型都集中在一起显示，使用起来很方便，也在一定程度上避免了Protel 99 SE中不知道元件封装号的问题。

如果需要修改，可以在Model Name框中自行修改。

图4.3 添加元件
如果是寻找不那么常用的元件可以在元件库管理器中选择Libraries/Search/Search Libraries命令，再输入元件名称查找。

根据电路要求可以在DXP中加载相应的元件库，DXP中带有非常丰富的元件库，并且按照芯片的生产公司的名称分开放置，便于查找。

如果没有相应的元件，还可以通过PCB库文件编辑器来自己编辑。

图4.4 加载元件库
在依照电路安放好所有元件之后再开始连线。

点击工具栏上的place wire 图标进行连线操作，将各元件的引脚连接起来。

在连线时需要注意导线交叉时是否导通的问题。

所以在画图时应该在连接处用Place菜单下的ManualJunction 工具添加一个电气结点。

完成所有连线之后，选择File/New/TextDocument命令，开启一个数据库文本；再选择Project/Project Options命令设置工程检查参数，在执行Project/Compile Document检查系统错误。

如果提示错误则返回修改原理图，如果没有错误，则选择Design/Netlist For Document/Protel命令生成网络表。

图4.5 总原理图
4.2 绘制PCB图
4.2.1 加载网络表
生成网络表之后，就进入了PCB板绘制的阶段。

选择File/New/PCB生成一个后缀为PcbDoc的文件。

PCB板分为很多层，主要有Top-Layer、Bottom-Layer、Mechanical、Top Overlay、Keep-Out-layer和Multi-Layer。

按步骤设置PCB板的Mechanical物理边界以及Keep-Out Layer电气边界。

先执行Design/Board Sharp/Redefine Board Sharp命令，此时光变变成十字形。

然后在Mechanical层面上划定PCB板的物理边界，最后在禁止布线层（Keep-Out Layer）上面划定电器边界。

在正确设置完成PCB板之后，在PcbDoc文件下选择Design/Import Changes From命令加载网络表（或者在SchDoc文件下选择Design/Update PCB Document 命令），屏幕上显示详细的网络连接信息。

点击Validate Changes按钮可以检查装入的元件封装、电器规则以及元件的网络连接是否正确，如果正确，屏幕上将显示绿色打勾标记。

再点击Execute Changes按钮完成元件网络表的加载。

4.2.2 PCB图的排版
网络表加载完成之后，PCB根据网络表产生预拉线，在屏幕上会出现排列整齐的所有元件以及设置过的PCB板，然后PCB根据预拉线一条一条变为铜膜走线。

选定所有的元件拖至PCB板上，执行Tools/Auto Placement/Auto
Placer/Cluster Placer命令，DXP开始自动排版。

一般来说DXP的自动排版后的PCB板已经比较理想了，但是仍然可以手动排版进行进一步美化。

图4.6 加载网络表
图4.7 手动排版结果
4.2.3 PCB图的布线
在元件排版完毕之后，就可以进入到最后的布线阶段。

Protel DXP 2004沿袭了Protel99 SE强大的自动布线功能，不仅布线快速而且合理，通过率很高。

我们可以执行Auto Route/All命令，选择Default 2 Layer Board选项，再点击Route All完成双层PCB板的布线。

图4.8 自动布线后的结果
5.电路的仿真及结果
由于Altium Designer仿真效果不是很好，而且本人按照参考书的资料仿真连续调了很多次也没能仿真出理想的效果，所以本次仿真最终选用了自己比较熟悉的仿真软件multisim
图5.1 Multisim仿真总图
图5.2 绿灯测试
图5.3 红灯测试
6.心得体会
本次课程设计，要求我们在设计电路图的同时还要使用Altium Designer 软件画出电路的PCB板。

这与以往的课程设计不同。

印刷电路板是电子线路从理论走向实际的成果，无论是制作实物进行测试还是用仿真软件进行仿真，都是为了检验设计结果，并最终向实际生产方向发展。

Altium Designer拥有强大的人机对话功能，能够很好的将设计者的思维转化成能够被批量推广的产品，这一点对于工科专业来说是非常重要的，因为我们现在所学习的一切都是为了将来能够在工作岗位上设计出更多功能强大适合广泛使用的电子产品，这样才能创造更大的价值。

此外，通过这次课程设计，我觉得我们通信专业属于变化非常快的领域，电子产品欣欣向荣，产品的淘汰频率很高，虽然有很多领域可以让我们大展拳脚，但同样是一条时刻都面对巨大压力和挑战的道路。

所以只有今天的努力才能换来明天的稳定，珍惜任何一次学习的机会才是最重要也最实在的。

十字路口交通管理器涉及到了许多数电知识，比如组合逻辑电路实现设计中的交通灯变灯；译码电路实现译码输出和显示。

通过本次课程设计，我受益匪浅。

了解到课程实习设计是开端，连接是关键，测试是检验的唯一标准。

课程设计既巩固了课堂上所学知识，又使我掌握了科学地分析问题的能力，也培养了我们严谨求实的科学态度。

参考文献
[1] Protel DXP基础教程，毛潮土、王茂飞，清华大学出版社，2005
[2] Protel 2004完全学习手册，刘文涛，电子工业出版社，2005
[3] Protel DXP中文版新手上路，徐建平，上海科学普及出版社，2006
[4] Protel 99 入门与提高，赵品，人民邮电出版社，2000.11
[5] Protel 99 高级应用，赵品，人民邮电出版社，2000.11
本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
年月日。