1、交通信號燈控制器一、設計任務及要求 2二、總體方案設計以及系統原理框圖 22.1、 、設計思路 22.2、 各模塊相應的功能 22.3、 系統原理圖 3三、 單元電路設計33.1、 、車輛檢測電路 33.2、 主控電路 43.3、 燈控電路 53.4、 計時控制電路 63.5、 計時顯示電路 63.6、 反饋控制電路 73.7、 置數電路 73.8、 時基電路 7四、工作原理 8五、電路的軟件仿真及結果分析 85.1、 、時基電路（ 555 接成的多諧振蕩器）的電路圖以及波形的顯示85.2、 結果分析 10六、電路的組裝調試 106.1、 使用的主要儀器和儀表 106.2、 調試電路的方法和技

2、巧 106.3、 調試中出現的問題、原因和排除方法11七、收獲、存在的問題和進一步的改進意見 117.1 、存在的問題和進一步的改進意見 117.2 、收獲以及心得體會 12附錄一：電路所用元器件 14附錄二：電路全圖 15附錄三：實際電路圖 16設計任務及要求在一個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，設計一個交通信號燈控制電路，要求如下：1、 用兩組紅、綠、黃發光二極管作信號燈，分別指示主道和支道的通行狀態。2、 通行狀態自動交替轉換，主道每次通行30 秒，支道每次通行20 秒，通行交替間隔時為 5 秒。3、 通行狀態轉換依照“主道優先”的原則，即：當主道通行30

3、 秒后，若支道無車則繼續通行；當支道通行20 秒后，只有當支道有車且主道無車時才允許繼續通行。 （用按鍵模擬路口是否有車）4、設計計時顯示電路，計時方式盡量采用倒計時。:、總體方案設計以及系統原理框圖2.1 、設計思路本次設計采用模塊劃分的方法，每個模塊完成一項功能，最后將各個模塊連接起來，設計完成后，用 Multisim 進行仿真，仿真成功后，再去實驗室焊 接調試。2.2 、各模塊相應的功能（ 1）車輛檢測電路：用來顯示主路支路車輛的四種情況。（ 2）主控電路：該電路為一個時序邏輯電路，根據車輛的情況實現燈的狀 態轉換。（ 3）燈控電路：用來控制燈的四種狀態。（ 4）計時控制電路：實現時間的

4、倒計時。（ 5）計時顯示電路：顯示時間。（ 6）反饋控制電路：為燈的狀態轉換提供一個觸發信號。（ 7）置數電路：為每種情況設置應有的時間。（ 8）時基電路：為計時控制電路提供觸發信號。2.3、系統原理圖主干道 支干道交通燈控制電路原理框圖三、單元電路設計3.1、 車輛檢測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；用兩個狀態變量 ”、X2可 以表示這四種情況，Xi表示主路車輛，且Xi 1表示主路有車，Xi 0表 示主路沒車，X2表示支路車輛，且X2 1表示支路有車，X2 0表示支 路沒車。X1X2車輛情況00主路支路都沒車01主

5、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：兩個按鍵開關，這次我們設計的電路中，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，可以用兩個狀態變量 Qi、Q2來表示這四種情況。Q1Q2主路支路00綠紅01黃紅10紅綠11紅黃(2) 狀態轉換圖(3)狀態化簡-* * Q1 Q2Q1Q2“*2000111100000100011010110001011011000111000100011總的卡諾圖X1X200011110000101010101110101100101*Qi*通

6、過上圖可化簡得：QiQ1Q2 Q1Q2Q2 X. Q1Q2X；X2-、200011110000001011000111001100001* Q2*'''''通過上圖可化簡得：Q2 X2Q1Q2 XlQlQ2 X2QQ2(4)根據上述化簡2果，選擇雙 JK觸發器CD4027J2 X2Q1 (X1 X2)Q1K2 1由JK觸發器特性方程：Q JQ KQJ1 Q2可得：KiQ23.3、 燈控電路(1)真值表分別用G 丫、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。Q1Q2GYRGyr001

7、00001010100011000110011001010（2）邏輯表達式由上述真值表，通過化簡可得各自的邏輯表達式如下：GQ1Q2YQ1Q2R Q1g Q1Q2 y Q1Q2 r Q1（3）器材選用選用六個發光二極管，所選的發光二極管的電壓為1.5V左右，電流為 35mA而輸出的高電平為5V,為了保護二極管，并且防止電平偏移，所 以在每個二極管前面都必須加限流電阻，經過計算，電阻可在0.71.17kQ 之間，本次設計中我們選用6個1kQ電阻。3.4、 計時控制電路因為本次實驗采用倒計時，所以必須選用有減法計數功能的芯片，而 且實驗中計數最大可達到30,因此選用兩個CD40192同步十進制加減

8、計 數器，將兩個芯片采用串聯接法，即一個芯片（控制低位的數字）的借位 端接至另一個芯片（控制高位的數字）的減計數時鐘輸入端，可得 100 進制減法計數器，并且將芯片（控制高位的數字）的借位輸出端接至兩個 芯片的置數端（低電平有效），通過置數電路，即可將計數器置成相應的 數字。3.5、 計時顯示電路選用兩個共陰極七段數碼管來顯示時間， 并且選用兩個CD4511譯碼器 作為驅動芯片。因為數碼管也是發光二極管組成，因此接至數碼管之前必 須得接限流電阻，為保證數碼管穩定工作且有足夠的亮度，本實驗選用 14個510皿電阻。3.6、 反饋控制電路為了使燈可以順利轉換狀態，必須給JK觸發器在適當的時候接觸發

9、信 號，而燈轉換狀態的時刻也就是數碼管顯示00的時刻，也即CD4019牙寺續置零的時刻，此時CD40192高位的借位輸出端呈現高低電平交替輸出的 狀態，它正好可以作為JK觸發器的觸發信號，從而完成了從計時控制電 路向主控電路的反饋。3.7、 置數電路(1)真值表在主控電路狀態轉換時，需要通過此時燈的狀態和下一時刻燈的狀態 來決定計數器的置數情況；分別用DCBA來表示高位的各位數，用 dcba來表示低位的各位數。QQ2_ * _ *Q1 Q2DCBAdcba對應的十進制數000000000000000010000010150110001000002010100000000001011000001

10、01511000011000030D C 0BQ2A Q1Q2(2)邏輯表達式 根據上述的真值表，通過化簡，可得：d b 0' c a Q2J23.8、 時基電路(1)選用555構成多諧振蕩器，為計時控制電路提供觸發信號 (2)周期計算周期公式：T (R 2R2)Ciln2本次實驗選用Ci 100 F , R1 1k ;QT 1s1T11sR2( R1)( 1k ) 6.75k2 c11n 22 100 F 0.69:選 R2=6.8k Q除此而外還得選用10nF的電容，使555的5號管腳通過它接地。四、工作原理交通信號燈控制器由車輛檢測電路、主控電路、燈控電路、計時控制電 路、計時顯

11、示電路、反饋控制電路、置數電路、時基電路等模塊組成。主控電路根據車輛檢測電路傳達來的車輛情況來設置燈的轉換狀態，再由燈控電路實現燈狀態的顯示；時基電路為計時控制電路提供 CLKM發信號， 計時控制電路用來實現時間的倒計時，再通過計時顯示電路在數碼管中顯示 具體的時間；計時控制電路通過反饋控制電路為主控電路提供 CLKM發信號， 使主控電路可以順利完成燈狀態的轉換， 而主控電路又通過置數電路為計時 控制電路設置每種狀態倒計時的時間；每個模塊相互聯系相互制約，協調工 作從而實現了交通信號燈的控制。五、電路的軟件仿真及結果分析5.1 、時基電路(555接成的多諧振蕩器)的電路圖以及波形的顯示電路圖V

12、CC波形圖（為了便于觀察，仿真中將頻率放大 100倍）5.2 、結果分析1) 主路支路均有車此種情況下為正常情況， 主路支路交替運行， 數碼管交替顯示30、05、 20、 05，信號燈也按主綠支紅、主黃支紅、主紅支綠、主紅支黃等狀態交替顯示。2) 主路有車支路沒車若之前為支路在運行，結束后數碼管顯示05、 30、 00，最后就停留在00，信號燈最后停留在主綠支紅的狀態。若之前為主路在運行，結束后數碼管就停留在00，信號燈也停留在主綠支紅的狀態。3) 主路沒車支路有車若之前為支路在運行，結束后數碼管直接停留在00，信號燈停留在主紅支綠的狀態。若之前為主路在運行，結束后數碼管顯示05、 20、 0

13、0，最后停留在 00，信號燈也保持主紅支綠的狀態不變。4) 主路支路都沒車若之前為支路在運行，結束后數碼管顯示05、 30、 00，最后就停留在00，信號燈最后停留在主綠支紅的狀態。若之前為主路在運行，結束后數碼管就停留在00，信號燈也停留在主綠支紅的狀態。六、電路的組裝調試6.1 、使用的主要儀器和儀表穩壓電源，數字萬用表，示波器。6.2 、調試電路的方法和技巧將電路接通電源，出現異常現象后，根據現象，利用真值表或是邏輯表達式判斷可能是哪個芯片的哪個管腳出現了問題，然后再用萬用表測管腳電壓等方法一個個排除，最后找到問題的原因所在。6.3 、調試中出現的問題、原因和排除方法1） 接通電源后，數

14、碼管停留在88，并不計數，數碼管不計數，我們首先想到的是 555 接錯了， 檢查電路確認正確后， 接通了示波器， 在示波器上我們看到了方波， 明顯這個錯誤不是555 的問題； 接著我們分析和數碼管有直接聯系的是CD4511譯碼器，數碼管停留在88,即數碼管各二極管全亮 了，我們先想到的是LT燈測試端，它為零時數碼管全亮，經過檢查電路后，發現它接的是高電平，從而排除了這個原因；我們繼續檢查CD4511的各個管腳的連接情況，發現16 管腳沒有接電源， 8 管腳沒有接地，這個芯片根本不工作，我們將8、 16 管腳接好后，發現計數器開始計數了。2） 接通電源后， 六燈齊亮， 既然是燈的狀態出現了異常，

15、 很自然地我們在主控電路上找問題，主要是檢查CD4027雙JK觸發器是否接錯或是漏接，經 過排查后確認并沒有接錯，不過置0端Rd和置1端Sd沒有接，因為在本 電路設計中跟它們沒有直接關系， 所以我們忽略了對它們的處理； 我們又 經過分析得到，六燈齊亮，根據邏輯表達式可得，此種情況只能是Q1 Q1' Q2' Q2 1 ， 而這種情況在JK 觸發器的正常狀態下根本不存在，于是我們進一步確定了這個問題跟置 0端Rd和置1端Sd有關，所以將它 們均接地，接通電源后燈按照既定的狀態正常顯示了。七、收獲、存在的問題和進一步的改進意見7.1 、存在的問題和進一步的改進意見雖然這次設計完成了所

16、要求的任務，但是還有以下幾點可以做進一步修改：（ 1） 當遇到緊急情況時，主路和支路均亮紅燈；（ 2） 遇緊急情況計時暫停，狀態結束后繼續；（ 3） 設計主道超聲波車輛檢測電路，加入模擬電路這一部分的設計；（ 4） 接通電源開始時會出現一些亂碼，等計數到 00 后，才按照正常的狀態工作，可以把初始狀態設計成正常狀況下的一種。7.2 、收獲以及心得體會在整個電路的設計制作過程中，我通過自己的親身經歷總結了一下幾點：1、整個電路制作過程中的重點部分不是電路的設計，雖然這個是需要大量相關知識儲備的，但是，只要是有足夠長的時間和足夠多的資料，任何一個有一定電子課程學習基礎的同學都能設計出一個不錯的電路

17、，并實現其功能。所以，其重點應當是在電路實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量，進而決定我們制作的電路能否順利實現其功能；2、在安排芯片的位置時，一般有兩個不同的原則，功能線優先和電源線優先，解釋一下：功能線原則就是在排芯片的位置時，重點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現其功能時少接線，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，可能對其他管腳的接線帶來不便，與前者相比，沒有發現什么明顯的優勢。所以最好是選擇功能線優先的方法，我在接線的時候優先考慮了電源線和地線， 所以在接線過程中， 遇到了

18、一些非常頭疼的問題，比如線路不清晰，排布混亂等等；3、電路的焊接是個技術活，電路焊接過程中，不正確的使用方式會帶來一系列的問題，比如像焊點出現虛焊，焊點太大或太小，焊接時間過長到時線路熔斷等。由于焊接的方法使我們自己總結的，所以，我認為比較正確的焊接方式是：先把電烙鐵放在焊點的一側，預熱一兩秒，然后把焊錫伸到烙鐵和接線中間的縫隙中，這樣就能保證焊點中間的空隙可以很好的被焊錫封住，不會產生虛焊，焊接時，如何控制焊錫跟進的速度是有規律的，如果一昧的往里送焊錫會導致焊點過大，所以在焊接時，眼睛一定要緊盯著焊點。4、電路故障的檢查，我們組的電路在焊接完成后，發現數碼管不顯示，燈也不亮。我們在仔細看過發

19、光二極管后發現不是燈不亮，而是燈管很微弱，在光強的地方不易察覺，于是考慮到在焊接電路時用的保護電阻有點大，就換上了比較小的電阻，解決了燈不亮的問題。但是這時的數碼管還是不顯示，檢查并排除了數碼管電路接觸不良的問題，如果是接觸不良，不會出現全都不亮的情況，于是考慮接地或者是電源的原因，后來發現是數碼管沒有接地，在連上接地線后，解決了這一問題。這時的電路總結還有兩個問題，一是燈明滅沒有規律，二是數碼管顯示亂碼，考慮到電路在排線和焊接過程中并沒有進行系統的排查，我們就先按照電路圖排查了一遍線路，發現了幾個接錯和少接的地方，在解決問題后，電路的顯示還是沒有好轉，但是發現在用手按壓或者觸摸一些地方時，數

20、碼管和燈有明顯的變化，我們開始檢查焊點是否牢固，并將檢查范圍定在用手按壓或者觸摸時電路顯示明顯變化的地方， 終于發現了幾個斷掉的焊點，重新焊接解決問題。 在整個檢查過程中，我們小組總結了一下幾個比較不錯的方法，在不使用萬 用表進行檢測的情況下，考慮的可能的情況有：接觸不良、芯片故障、接線 錯誤三部分。在排查時要考慮模塊化和功能區域化，就單一問題首先單獨檢 查與其相關聯的電路，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行檢查，觸摸法的有點在于， 不使用專業的儀表，先對出現問題的部分進行大致的查找，盡量縮小問題可 能出現的范圍，在利用觀察或者是儀表進行檢查。5、在整個電路的設計和制作過程中，有一些技巧是一定要掌握的，其中包括：排線的最優化問題，焊接工藝，用萬用表排查電路故障的方法。參考文獻和資料（ 1 ）數字電子技術基礎（第五版），清華大學電子學教研組編，高等教育出版社（