交通信号灯控制器设计报告

电子技术课程设计

课程论文

（2007-2008学年第二学期）

论文题目：交通灯信号控制器

课程名称：电子技术

任课教师：冯磊

班级：电子061

学号：0608140502

姓名：于一鸣

交通灯信号控制器 设计报告

于一鸣

(中国农业大学 信息与电气工程学院 电子061班)

摘要：交通灯是人们生活中常常见到的一部分。不同的交通灯，变化规律会有很大差别。本项目设计的交通灯控制器规律典型，通用性好，稍加更改即可广泛应用在各大街道交叉口。它使用市面上广泛应用的40系列芯片作为主要元器件，成本低、性能优良；算法简单优化，干扰小，不易出现逻辑错误。本文主要介绍了该交通灯控制器的设计思路、原理和方法，仿真和实际测试、分析，设计心得体会以及竞争-冒险现象的检测和排除等内容。

关键字：交通灯 交通灯控制器 Multisim 竞争-冒险现象

一、 设计任务及要求

1、 用两组红、绿、黄发光二极管作信号灯，分别指示主道和支道的通行状态。

2、 通行状态自动交替转换，主道每次通行30秒，支道每次通行20秒，通行交替间隔时间为5秒。

3、 通行状态转换依照“主道优先”的原则，即：当主道通行30秒后，若支道无车则继续通行；当支

道通行20秒后，只有当知道有车且主道无车时才允许继续通行。（用按键模拟路口是否有车） 4、 设计计时显示电路，计时方式尽量采用倒计时。

二、 总体方案设计

1、

系统原理

该电路为时序逻辑与组合电路的结合。主控部分为时序电路，状态表示主道、支道亮灯的情况，时钟来自计时控制部分的反馈；路灯显示与计时显示部分为组合电路，由主状态经过既定逻辑控制；时基电路是基于555的多谐振荡器，作为计时控制电路的时钟。

2、

原理框图

三、 单元电路设计

1、

主控电路部分

1) 基本原理

对设计要求分析后可得，电路的主状态共有四种（详见下），故选择两个状态变量，通过两个触发器控制。

2) 状态选择

主状态(Q 1Q 2)

通车情况(X 1X 2)

3) 状态转换图(Q 1Q 2表示主状态，X 1X 2表示通车情况)

4) 卡诺图

5) 芯片选择

观察

特征，决定选用双JK 触发器CD4027

6) 主控电路图

2、 交通灯控制电路部分

2) 逻辑表达式

3)电路图

3、计时电路部分

1)计时控制电路

考虑到倒计时即便于设计又更符合大众习惯，同时又要便于控制，我们选用了两块CD40192-十进制加减计数器作为计时控制芯片。它具有置数、置零等多个使能端，同步时钟，加减双向等特点，十分符合题目要求。

a)CD40192时序图

b)CD40192性质分析

i.置数端(CLEAR)低电平有效，置零端(LOAD)高电平有效，两者皆无视时钟，有效后

计数输出立即变化。

ii.计数输出上升沿触发，借位端(BORROW)下降沿触发。

iii.借位端在上升沿一定变成高电平。

2)译码驱动及计时显示电路

实验室提供了共阴极七段数码管和CD4511-BCD-7SEG译码器作为驱动芯片。注意必须添加限流电阻进行电流控制。

3)电路图

4、反馈控制电路部分

1)基本原理

将十位的CD40192的借位端引出作为反馈信号，控制置数与否及主控电路的时钟。反馈

控制部分控制电路的正常运转，需结合整体综合考虑，因素较多，是设计难点和重点。

2)置数反馈逻辑

由于借位端与置数端都是低电平有效端，所以只需将借位端引出直接接入置数端即构成置数反馈逻辑。

3)主控时钟反馈逻辑

由于借位端在计数器持续置零时呈现高低电平交替输出的状态，故可引出直接接入JK触发器时钟端作为时钟信号。

4)电路图：见附录一

5、置数电路部分

1)基本原理

四种主状态与置入计数器的数呈一一对应关系。

结合反馈控制部分，我们发现，由于芯片的延时效应，当主控时钟上升沿到来，主状态发生变化时，置数信号已消失。所以需要用前一时刻的主状态给后一时刻置数。

观察得，当时，主状态有可能保持不变；当时，电路黄灯，下一状态必然发生变化。因为，所以当时，，电路将保持原状态。

2)真值表

3)逻辑表达式

4)电路图：见附录一

6、时基电路部分

1)基本原理

实验室提供了NE555芯片。所以我们用555、电阻、电容构成多谐振荡器。

2)电路原理图

3)周期计算

a)周期公式：

b)电阻、电容参数计算

选

4)波形仿真（频率扩大1000倍）

四、Multisim仿真及结果分析

1、仿真电路图：见附录一

2、结果分析

1)定态分析：指计数器不等于零，主状态不发生变化。

a)测试方法：因为主、支路都有车时，主状态不存在保持的情况，因此令即可。

b)测试结果：

2)动态分析：指计数器由零重新置数，主状态发生变化或保持。

a)测试方法：对不同的主状态、不同的车辆情况分别测试。

b)测试结果：

五、电路的组装和调试

1、使用的主要仪器和仪表

1)5V电源

2)示波器

3)万用表

2、问题、原因、排除方法和技巧

1)时基电路输出信号的时基问题

a)原因：示波器的扫描信号在低频(1Hz)时不准确，使频率的测试结果发生假错误。

b)解决方法：用秒表测试高低点平变化的周期即可

2)计数器保持在0时刻不变化

a)原因：焊接过程中，由于导线粘连，导致置数电路中非门来自J2的输入信号与地线短路，

使得置数信号恒为零。

b)解决方法：

i.接通电路，当电路出现错误(计数器保持在0时刻)时，用万用表逐一测试各主要端

口的电压是否正确，发现置数部分的与门输出不正确(为0)；测试该与门的输入，发

现来自J2的信号不正确；测试J2信号的源，全部正确。

ii.断开电路，用万用表二极管端测试J2信号与其他端口的短路情况，发现与地线短路。

3、测试数据及分析(同仿真部分。排除错误后，测试结果全部正确)

六、电路所用元件