交通信號(hào)燈控制器實(shí)驗(yàn)報(bào)告

交通信號(hào)燈控制器一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2二、總體方案設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)原理框圖22.1、設(shè)計(jì)思路22.2、各模塊相應(yīng)的功能22.3、系統(tǒng)原理圖3三、單元電路設(shè)計(jì)33.1、車輛檢測(cè)電路33.2、主控電路43.3、燈控電路53.4、計(jì)時(shí)控制電路63.5、計(jì)時(shí)顯示電路63.6、反饋控制電路73.7、置數(shù)電路73.8、時(shí)基電路7四、工作原理8五、電路的軟件仿真及結(jié)果分析85.1、時(shí)基電路（555接成的多諧振蕩器）的電路圖以及波形的顯示85.2、結(jié)果分析10六、電路的組裝調(diào)試106.1、使用的主要儀器和儀表106.2、調(diào)試電路的方法和技巧106.3、調(diào)試中出現(xiàn)的問題、原因和排除方法11七、收獲、存在的問題和進(jìn)一步的改進(jìn)意見117.1、存在的問題和進(jìn)一步的改進(jìn)意見117.2、收獲以及心得體會(huì)12附錄一：電路所用元器件14附錄二：電路全圖15附錄三：實(shí)際電路圖16一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求在一個(gè)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(jì)一個(gè)交通信號(hào)燈控制電路，要求如下：1、 用兩組紅、綠、黃發(fā)光二極管作信號(hào)燈，分別指示主道和支道的通行狀態(tài)。2、 通行狀態(tài)自動(dòng)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(shí)為5秒。3、 通行狀態(tài)轉(zhuǎn)換依照“主道優(yōu)先”的原則，即：當(dāng)主道通行30秒后，若支道無車則繼續(xù)通行；當(dāng)支道通行20秒后，只有當(dāng)支道有車且主道無車時(shí)才允許繼續(xù)通行。（用按鍵模擬路口是否有車）4、 設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)顯示電路，計(jì)時(shí)方式盡量采用倒計(jì)時(shí)。二、總體方案設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)原理框圖2.1、設(shè)計(jì)思路本次設(shè)計(jì)采用模塊劃分的方法，每個(gè)模塊完成一項(xiàng)功能，最后將各個(gè)模塊連接起來，設(shè)計(jì)完成后，用Multisim進(jìn)行仿真，仿真成功后，再去實(shí)驗(yàn)室焊接調(diào)試。2.2、各模塊相應(yīng)的功能（1）車輛檢測(cè)電路：用來顯示主路支路車輛的四種情況。（2）主控電路：該電路為一個(gè)時(shí)序邏輯電路，根據(jù)車輛的情況實(shí)現(xiàn)燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。（3）燈控電路：用來控制燈的四種狀態(tài)。（4）計(jì)時(shí)控制電路：實(shí)現(xiàn)時(shí)間的倒計(jì)時(shí)。（5）計(jì)時(shí)顯示電路：顯示時(shí)間。（6）反饋控制電路：為燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)。（7）置數(shù)電路：為每種情況設(shè)置應(yīng)有的時(shí)間。（8）時(shí)基電路：為計(jì)時(shí)控制電路提供觸發(fā)信號(hào)。 2.3、系統(tǒng)原理圖紅黃綠紅黃綠主干道支干道譯碼驅(qū)動(dòng)電路主控電路車輛檢測(cè)電路計(jì)時(shí)控制電路時(shí)基電路 交通燈控制電路原理框圖計(jì)時(shí)顯示電路三、 單元電路設(shè)計(jì)3.1、車輛檢測(cè)電路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(gè)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器材：兩個(gè)按鍵開關(guān)，這次我們?cè)O(shè)計(jì)的電路中，按鍵按下表示有車，按鍵沒按表示沒車。3.2、主控電路（1） 狀態(tài)選擇主路支路燈亮滅的情況總共有四種情況，分別是主綠支紅，主黃支紅，主紅支綠，主紅支黃，可以用兩個(gè)狀態(tài)變量、來表示這四種情況。主路支路00綠紅01黃紅10紅綠11紅黃（2） 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖0Q1Q210、00 01、11 XXXX 11、10、00 01（3） 狀態(tài)化簡000111100000100011010110001011011000111000100011總的卡諾圖00011110000101010101110101100101 通過上圖可化簡得：00011110000001011000111001100001通過上圖可化簡得：（4） 根據(jù)上述化簡結(jié)果，選擇雙JK觸發(fā)器CD4027。由JK觸發(fā)器特性方程：可得： 3.3、燈控電路（1） 真值表分別用G、Y、R來表示主路的綠燈、黃燈、紅燈，用g、y、r來表示支路綠燈、黃燈、紅燈，且都是值為1表示燈亮，為0表示燈不亮。GYRGyr00100001010100011000110011001010（2） 邏輯表達(dá)式由上述真值表，通過化簡可得各自的邏輯表達(dá)式如下： （3） 器材選用選用六個(gè)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35mA，而輸出的高電平為5V，為了保護(hù)二極管，并且防止電平偏移，所以在每個(gè)二極管前面都必須加限流電阻，經(jīng)過計(jì)算，電阻可在0.71.17k之間，本次設(shè)計(jì)中我們選用6個(gè)1k電阻。3.4、計(jì)時(shí)控制電路因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)采用倒計(jì)時(shí)，所以必須選用有減法計(jì)數(shù)功能的芯片，而且實(shí)驗(yàn)中計(jì)數(shù)最大可達(dá)到30，因此選用兩個(gè)CD40192同步十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器，將兩個(gè)芯片采用串聯(lián)接法，即一個(gè)芯片（控制低位的數(shù)字）的借位端接至另一個(gè)芯片（控制高位的數(shù)字）的減計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，可得100進(jìn)制減法計(jì)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(gè)芯片的置數(shù)端（低電平有效），通過置數(shù)電路，即可將計(jì)數(shù)器置成相應(yīng)的數(shù)字。3.5、計(jì)時(shí)顯示電路選用兩個(gè)共陰極七段數(shù)碼管來顯示時(shí)間，并且選用兩個(gè)CD4511譯碼器作為驅(qū)動(dòng)芯片。因?yàn)閿?shù)碼管也是發(fā)光二極管組成，因此接至數(shù)碼管之前必須得接限流電阻，為保證數(shù)碼管穩(wěn)定工作且有足夠的亮度，本實(shí)驗(yàn)選用14個(gè)510的電阻。3.6、反饋控制電路為了使燈可以順利轉(zhuǎn)換狀態(tài)，必須給JK觸發(fā)器在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候接觸發(fā)信號(hào)，而燈轉(zhuǎn)換狀態(tài)的時(shí)刻也就是數(shù)碼管顯示00的時(shí)刻，也即CD40192持續(xù)置零的時(shí)刻，此時(shí)CD40192高位的借位輸出端呈現(xiàn)高低電平交替輸出的狀態(tài)，它正好可以作為JK觸發(fā)器的觸發(fā)信號(hào)，從而完成了從計(jì)時(shí)控制電路向主控電路的反饋。3.7、置數(shù)電路（1） 真值表在主控電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，需要通過此時(shí)燈的狀態(tài)和下一時(shí)刻燈的狀態(tài)來決定計(jì)數(shù)器的置數(shù)情況；分別用DCBA來表示高位的各位數(shù)，用dcba來表示低位的各位數(shù)。DCBAdcba對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)00000000000000001000001015011000100000201010000000000101100000101511000011000030（2） 邏輯表達(dá)式根據(jù)上述的真值表，通過化簡，可得： 3.8、時(shí)基電路（1） 選用555構(gòu)成多諧振蕩器，為計(jì)時(shí)控制電路提供觸發(fā)信號(hào)。（2） 周期計(jì)算周期公式： 本次實(shí)驗(yàn)選用,;選R2=6.8k.除此而外還得選用的電容，使555的5號(hào)管腳通過它接地。四、工作原理交通信號(hào)燈控制器由車輛檢測(cè)電路、主控電路、燈控電路、計(jì)時(shí)控制電路、計(jì)時(shí)顯示電路、反饋控制電路、置數(shù)電路、時(shí)基電路等模塊組成。主控電路根據(jù)車輛檢測(cè)電路傳達(dá)來的車輛情況來設(shè)置燈的轉(zhuǎn)換狀態(tài)，再由燈控電路實(shí)現(xiàn)燈狀態(tài)的顯示；時(shí)基電路為計(jì)時(shí)控制電路提供CLK觸發(fā)信號(hào)，計(jì)時(shí)控制電路用來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的倒計(jì)時(shí)，再通過計(jì)時(shí)顯示電路在數(shù)碼管中顯示具體的時(shí)間；計(jì)時(shí)控制電路通過反饋控制電路為主控電路提供CLK觸發(fā)信號(hào)，使主控電路可以順利完成燈狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，而主控電路又通過置數(shù)電路為計(jì)時(shí)控制電路設(shè)置每種狀態(tài)倒計(jì)時(shí)的時(shí)間；每個(gè)模塊相互聯(lián)系相互制約，協(xié)調(diào)工作從而實(shí)現(xiàn)了交通信號(hào)燈的控制。五、電路的軟件仿真及結(jié)果分析5.1、時(shí)基電路（555接成的多諧振蕩器）的電路圖以及波形的顯示電路圖波形圖 (為了便于觀察，仿真中將頻率放大100倍)5.2、結(jié)果分析（1） 主路支路均有車此種情況下為正常情況，主路支路交替運(yùn)行，數(shù)碼管交替顯示30、05、20、05，信號(hào)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。（2） 主路有車支路沒車若之前為支路在運(yùn)行，結(jié)束后數(shù)碼管顯示05、30、00，最后就停留在00，信號(hào)燈最后停留在主綠支紅的狀態(tài)。若之前為主路在運(yùn)行，結(jié)束后數(shù)碼管就停留在00，信號(hào)燈也停留在主綠支紅的狀態(tài)。（3） 主路沒車支路有車若之前為支路在運(yùn)行，結(jié)束后數(shù)碼管直接停留在00，信號(hào)燈停留在主紅支綠的狀態(tài)。若之前為主路在運(yùn)行，結(jié)束后數(shù)碼管顯示05、20、00，最后停留在00，信號(hào)燈也保持主紅支綠的狀態(tài)不變。（4） 主路支路都沒車若之前為支路在運(yùn)行，結(jié)束后數(shù)碼管顯示05、30、00，最后就停留在00，信號(hào)燈最后停留在主綠支紅的狀態(tài)。若之前為主路在運(yùn)行，結(jié)束后數(shù)碼管就停留在00，信號(hào)燈也停留在主綠支紅的狀態(tài)。六、電路的組裝調(diào)試6.1、使用的主要儀器和儀表穩(wěn)壓電源，數(shù)字萬用表，示波器。6.2、調(diào)試電路的方法和技巧將電路接通電源，出現(xiàn)異?，F(xiàn)象后，根據(jù)現(xiàn)象，利用真值表或是邏輯表達(dá)式判斷可能是哪個(gè)芯片的哪個(gè)管腳出現(xiàn)了問題，然后再用萬用表測(cè)管腳電壓等方法一個(gè)個(gè)排除，最后找到問題的原因所在。6.3、調(diào)試中出現(xiàn)的問題、原因和排除方法（1） 接通電源后，數(shù)碼管停留在88，并不計(jì)數(shù)，數(shù)碼管不計(jì)數(shù)，我們首先想到的是555接錯(cuò)了，檢查電路確認(rèn)正確后，接通了示波器，在示波器上我們看到了方波，明顯這個(gè)錯(cuò)誤不是555的問題；接著我們分析和數(shù)碼管有直接聯(lián)系的是CD4511譯碼器，數(shù)碼管停留在88，即數(shù)碼管各二極管全亮了，我們先想到的是LT燈測(cè)試端，它為零時(shí)數(shù)碼管全亮，經(jīng)過檢查電路后，發(fā)現(xiàn)它接的是高電平，從而排除了這個(gè)原因；我們繼續(xù)檢查CD4511的各個(gè)管腳的連接情況，發(fā)現(xiàn)16管腳沒有接電源，8管腳沒有接地，這個(gè)芯片根本不工作，我們將8、16管腳接好后，發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)了。（2） 接通電源后，六燈齊亮，既然是燈的狀態(tài)出現(xiàn)了異常，很自然地我們?cè)谥骺仉娐飞险覇栴}，主要是檢查CD4027雙JK觸發(fā)器是否接錯(cuò)或是漏接，經(jīng)過排查后確認(rèn)并沒有接錯(cuò)，不過置0端Rd和置1端Sd沒有接，因?yàn)樵诒倦娐吩O(shè)計(jì)中跟它們沒有直接關(guān)系，所以我們忽略了對(duì)它們的處理；我們又經(jīng)過分析得到，六燈齊亮，根據(jù)邏輯表達(dá)式可得，此種情況只能是，而這種情況在JK觸發(fā)器的正常狀態(tài)下根本不存在，于是我們進(jìn)一步確定了這個(gè)問題跟置0端Rd和置1端Sd有關(guān)，所以將它們均接地，接通電源后燈按照既定的狀態(tài)正常顯示了。七、收獲、存在的問題和進(jìn)一步的改進(jìn)意見7.1、存在的問題和進(jìn)一步的改進(jìn)意見雖然這次設(shè)計(jì)完成了所要求的任務(wù)，但是還有以下幾點(diǎn)可以做進(jìn)一步修改：（1） 當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，主路和支路均亮紅燈；（2） 遇緊急情況計(jì)時(shí)暫停，狀態(tài)結(jié)束后繼續(xù)；（3） 設(shè)計(jì)主道超聲波車輛檢測(cè)電路，加入模擬電路這一部分的設(shè)計(jì)；（4） 接通電源開始時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些亂碼，等計(jì)數(shù)到00后，才按照正常的狀態(tài)工作，可以把初始狀態(tài)設(shè)計(jì)成正常狀況下的一種。7.2、收獲以及心得體會(huì)在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)制作過程中，我通過自己的親身經(jīng)歷總結(jié)了一下幾點(diǎn)：1、 整個(gè)電路制作過程中的重點(diǎn)部分不是電路的設(shè)計(jì)，雖然這個(gè)是需要大量相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備的，但是，只要是有足夠長的時(shí)間和足夠多的資料，任何一個(gè)有一定電子課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的同學(xué)都能設(shè)計(jì)出一個(gè)不錯(cuò)的電路，并實(shí)現(xiàn)其功能。所以，其重點(diǎn)應(yīng)當(dāng)是在電路實(shí)際制作過程中的線路排布，芯片的布局直接決定了后期線路連接的質(zhì)量，進(jìn)而決定我們制作的電路能否順利實(shí)現(xiàn)其功能；2、 在安排芯片的位置時(shí)，一般有兩個(gè)不同的原則，功能線優(yōu)先和電源線優(yōu)先，解釋一下：功能線原則就是在排芯片的位置時(shí)，重點(diǎn)考慮芯片上除電源線和地線以外的其他管腳的接線，這樣的好處是便于在實(shí)現(xiàn)其功能時(shí)少接線，或者可以使接線更均勻，適用于電線比較多的情況；另外一種情況是考慮電源和接地，這種情況下，可能對(duì)其他管腳的接線帶來不便，與前者相比，沒有發(fā)現(xiàn)什么明顯的優(yōu)勢(shì)。所以最好是選擇功能線優(yōu)先的方法，我在接線的時(shí)候優(yōu)先考慮了電源線和地線，所以在接線過程中，遇到了一些非常頭疼的問題，比如線路不清晰，排布混亂等等；3、 電路的焊接是個(gè)技術(shù)活，電路焊接過程中，不正確的使用方式會(huì)帶來一系列的問題，比如像焊點(diǎn)出現(xiàn)虛焊，焊點(diǎn)太大或太小，焊接時(shí)間過長到時(shí)線路熔斷等。由于焊接的方法使我們自己總結(jié)的，所以，我認(rèn)為比較正確的焊接方式是：先把電烙鐵放在焊點(diǎn)的一側(cè)，預(yù)熱一兩秒，然后把焊錫伸到烙鐵和接線中間的縫隙中，這樣就能保證焊點(diǎn)中間的空隙可以很好的被焊錫封住，不會(huì)產(chǎn)生虛焊，焊接時(shí)，如何控制焊錫跟進(jìn)的速度是有規(guī)律的，如果一昧的往里送焊錫會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)過大，所以在焊接時(shí)，眼睛一定要緊盯著焊點(diǎn)。4、 電路故障的檢查，我們組的電路在焊接完成后，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管不顯示，燈也不亮。我們?cè)谧屑?xì)看過發(fā)光二極管后發(fā)現(xiàn)不是燈不亮，而是燈管很微弱，在光強(qiáng)的地方不易察覺，于是考慮到在焊接電路時(shí)用的保護(hù)電阻有點(diǎn)大，就換上了比較小的電阻，解決了燈不亮的問題。但是這時(shí)的數(shù)碼管還是不顯示，檢查并排除了數(shù)碼管電路接觸不良的問題，如果是接觸不良，不會(huì)出現(xiàn)全都不亮的情況，于是考慮接地或者是電源的原因，后來發(fā)現(xiàn)是數(shù)碼管沒有接地，在連上接地線后，解決了這一問題。這時(shí)的電路總結(jié)還有兩個(gè)問題，一是燈明滅沒有規(guī)律，二是數(shù)碼管顯示亂碼，考慮到電路在排線和焊接過程中并沒有進(jìn)行系統(tǒng)的排查，我們就先按照電路圖排查了一遍線路，發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)接錯(cuò)和少接的地方，在解決問題后，電路的顯示還是沒有好轉(zhuǎn)，但是發(fā)現(xiàn)在用手按壓或者觸摸一些地方時(shí)，數(shù)碼管和燈有明顯的變化，我們開始檢查焊點(diǎn)是否牢固，并將檢查范圍定在用手按壓或者觸摸時(shí)電路顯示明顯變化的地方，終于發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)斷掉的焊點(diǎn)，重新焊接解決問題。在整個(gè)檢查過程中，我們小組總結(jié)了一下幾個(gè)比較不錯(cuò)的方法，在不使用萬用表進(jìn)行檢測(cè)的情況下，考慮的可能的情況有：接觸不良、芯片故障、接線錯(cuò)誤三部分。在排查時(shí)要考慮模塊化和功能區(qū)域化，就單一問題首先單獨(dú)檢查與其相關(guān)聯(lián)的電路，如果是所有的功能都不正確就要首先考慮總的控制電路是否有故障；另外幾個(gè)比較好的查接觸問題的方法，觸摸法和短接法，是比較常用的，其中短接法更接近于用萬用表進(jìn)行檢查，觸摸法的有點(diǎn)在于，不使用專業(yè)的儀表，先對(duì)出現(xiàn)問題的部分進(jìn)行大致的查找，盡量縮小問題可能出現(xiàn)的范圍，在利用觀察或者是儀表進(jìn)行檢查。5、在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)和制作過程中，有一些技巧是一定要掌握的，其中包括：排線的最優(yōu)化問題，焊