交通信号灯控制器
摘要：
为了确保车辆行车安全，迅速通行，我们运用了一些市面广泛应用的芯片作为主要器件，设计出了性能优良，算法简单优化，干扰小，不易出现逻辑错误的交通灯设计电路。系统阐叙了该交通控制器的设计思路、原理和方法，并用multisim对其进行了仿真，而且对其结果进行了分析。
关键字: JK触发器CD4027 , LED, 10192BD ,NE555, 4511BD
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，只有当知道支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、
方案设计及其框图
该电路为时序逻辑电路与组合逻辑电路的结合。主控部分为时序逻辑电路，状态表示主道、支道亮灯的情况，置数电路来自计时控制电路的反馈；路灯显示与计时显示部分为组合逻辑电路，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。
主干道 支干道
三、 单元电路设计
1、
主控电路
1) 基本原理
电路有4个主状态，对应两个状态变量，依据21≤状态数=4≤22 ，可知 应由2个触发器控制（本实验中选用JK触发器CD4027）
(1)功能表
以Q1 、Q2表示两个状态变量，以M表示主干道、B表示支干道,以T1、 T2表示通车情况。
(2)状态转换表
(3)状态转换图
′′∗′′′′′
4 Q∗1=Q1Q2+Q1Q2 Q2=T2Q1Q2+T1Q1Q2+T2Q1Q2
2) 芯片选择
触发器个数:2
JK触发器特性方程：Q∗=JQ′+K′Q
′J1=Q2J2=T2Q′1+(T1+T2)Q1从而：
K1=Q2K2=1
2、 交通灯控制电路
1） 真值表
主绿G、主黄Y、主红R； 支绿g、支黄y、支红r
G=Q′1Q′2 Y=Q′1Q2 R=Q1 g=Q1Q′2 y=Q1Q2 r=Q′1
2）电路图
4027BD_5V
3、 计时控制及计时显示电路
用了两块40192-十进制加减计数器作为计时控制芯片。它具有置数、置
1) 计时控制电路
零等多个使能端，同步时钟，加减双向等特点。 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
限流电阻：R限=(5−1.5)V/3.5mA≈1kΩ
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。
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：见总电路图
5、 置数电路
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Q2=0时，主状态有可能保持不变；当Q2=1时，电路黄灯，下一状态必然发生变化。因为K2=1，所以当J2=0时，Q2=0;Q∗2=0，电路将保持原状态。
2) 真值表
D2=C2=D1=B1=0 B2=Q2 A2=Q1Q2
C1=A1=Q′2J2
3) 电路图：见总电路图
6、 CLK脉冲产生电路（时基电路）
1) 基本原理
用555、电阻、电容构成多谐振荡器。
2) 电路原理图
（其中R1=47kΩ、C1=10μF、R2=51kΩ）但在Multisim仿真中需要的是
频率f=60Hz,即周期T=1/60s,此时R1=8kΩ、C1=1μF、R2=8kΩ.
3) 周期计算
a) 周期公式：T=(R1+2R2)C1ln2 b) 电阻、电容参数计算
选C1=10μF，占空比q=2/3，T=1s，R1=47kΩ （R1+R2）（R1+2R2）=2/3 1=T=(R1+2R2)C1ln2 ∴选R2=51kΩ
四、 完整的电路图及其工作原理
1）工作原理：
交通信号灯控制器由主控电路、交通灯控制电路、计时控制电路、计时显示电路、CLK脉冲显示电路，反馈控制电路、置数电路组成，并用模拟开关模拟实际状态。
主控电路由1个JK触发器和一些门电路组成，对于T1、T2的每一个组合，JK触发器都会储存一个与之对应的状态；交通灯控制电路主要由与门、非门等门电路组成，JK触发器中所储存的状态经过这些门电路的处理后，供给发光二极管不同的高低电平信号，从而发光二极管发光或不发光；计时器电路主要由中规模集成器件CD40192和一些门电路组成，由于CD40192的置数端(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，并且其借位端与置数端都是低电平有效端，所以将借位端引出直接接入置数端就可构成置数反馈电路;又由于其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,够成级间反馈电路；计数显示电路由驱动译码器极数码管组成，在接收到CD40192的相应信号后，数码管通过译码器的驱动显示出数字，并且还有灭零输入；CLK脉冲显示电路由NE555定时器和一个47K的电阻、一个51K电阻一个10uF和一个10nF的电容组成一个多谐振荡器，其周期为1秒，通过10uF电容的充放电输出脉冲信号，脉冲信号的周期也为一秒，再由时钟脉冲信号控制计数器的计数及发光二级管的工作状态，控制数码管所显示的数。从而使数码管所显示的数与发光二级管的工作状态匹配。
2）电路原理图
2） 用555定时器构成的多谐振荡器波形仿真
五、 Multisim仿真及结果分析
1、
结果分析
1) 静态分析：主状态是否不变，显示器是否不显0
a) 方法：主、支路都有车时，主状态不存在保持的情况，因此令T1=T2=1即
可，即两个开关都闭合。 b) 结果：
2) 动态分析：显示器从新从0置数，主状态是否发生变化。
a) 方法：对不同的情况（状态、车辆）分别测试。 b) 测试结果：
六、 电路的组装和调试
1、 2、
使用的主要仪器和仪表
出现的问题、原因、排除方法和调试
5V电源、万用表、数字示波器等
情况一：
电路焊接好之后，555始终无法输出方波 解决一：
经过检查，发现5551管脚没有接地，再试之后发现出现了稳定的方波。取下之后不久，换过一个555之后又无法出现方波。具有经验的人士讲解这可能是电路焊接的问题，所以我就将555的每个管脚都重新焊了一下之后就一直有了稳定的方波了。
情况二：
数码管不亮
解决二：
换了几个数码管之后，能出现部分数字笔画，但是仍旧有些笔画出不来，之后查了电路的连线发现第二个数码管的两个管脚接错位置，改正之后数码管能正常工
作。 情况三：
主路三个发光二极管正常，但支路三个发光二极管都不亮；
解决三：
出现这种情况，说明我们这一电路的逻辑应该没有太大的问题；我就用万用表的电压档测LED的两端电压，发现若LED亮的话，其两端电压应大于1.80V，但我测的支路LED，其端电压只为1.45V，也就是说端电压不够；一开始以为LED的限流电阻太大了，导致其端电压不够，（虽说限流电阻是我亲自算出来的，不应有错）但还是换了一只比较小的电阻，但结果还是一样的，这就说明电阻不是关键所在。
情况四：
有些地方错将地线当VCC线，将VCC当做地线了。改正过后就没问题了。
除了以上所提到的之外，我们还应注意以下几个方面：
（一）、开始我们忘记了电路板的构造特点，把二极管和限流电阻连接到同一列同一组的四个孔里，导致其全部短路，两次修改才成功。
（二）、另外有些线路在焊接时工艺不足，导致其会发生短路，明显的被我两人重接，不明显的因为难以测出，只能放任。
（三）、开始时555的RESET没有接高电平，导致数字不变化。这是求助于其他同学后别人帮忙看出的。
（四）、由于在测试时在接通电源的情况下，误将一些元件的某些管教短路，或者电压过大，使元件烧毁，导致数码管倒计时的同时二极管无变化。我们用万用表逐一测量了各管脚的电位，找出烧毁的元件。
七、 电路所用元件
八、 心得体会
课程设计对我来说感触最深的就是团队协作精神，一个人面对如此复杂的电路图难免会有畏惧，但以两个人的齐心协力做起来就很顺手，分工细致才有效率。这次也锻炼了我们的吃苦耐劳的精神，整整花了三天三夜，冒着睡眠严重不足的情况下接好了电路检查出电路的故障，对我来说是个难忘的经历。
我们最大的不足是动手能力不足、粗心、布局不是很好三大方面，直接导致连线查错等工作的困难。
由于我们没有经验，在连接导线时是先接好在焊接，大大增加了导线焊接不牢固、粘连等错误的几率。而且在焊接导线时没有计划，导致部分处于下面的导线在查错时看不清楚，一旦错误又难于拆下。加大了工作量，更浪费了很多宝贵的时间。
其实，就我个人而言，最令人纠结的地方就是电路的调试，此时，会出现各种意想不到的问题，等待你去耐心的解决。真的挺考验一个人的综合素质，耐力、体力、细心程度以及对电路的了解程度。
通过本次课程设计，我体会到了动手能力的重要性，只有将课本的知识转为我们实实在在能看得到摸得着的实物的时候才能让我们对知识有了升华的理解。让我们看到了不足之处，可这也是社会所关心的地方，因此，我们要克服困难，改善不足之处，成为一名适应社会的人才。所以，我要在今后的学习生活中不断地学好专业知识，扩充自己，来适应日新月异的新社会。
九、 参考文献
[1]清华大学电子学教研组，《数字电子技术基础》(第五版)，阎石，高等教育出版社 [2]《开放式电子技术基础实验教程》，梁明新，中国电力出版社
10