课程设计（论文）交通灯控制器课程设计.doc

交通灯控制器课程设计院 系： 物理与电子科学学院 专 业： 电子信息科学与技术 班 级： 电信04-01班 学 号： 姓 名： 指导老师： 设计时间： 2006.6.262006.7.7 目 录一、EWB简介-11.1、EWB的特点-11.2、初识EWB-21.3、EWB上的虚拟器件-21.4、EWB上的虚拟仪器-21.5、EWB综合评定-3二、电路设计 -4 2.1、设计目的 -42.2、设计要求 -42.3、设计思路 -42.4、基本过程 -5三、电路的调试和仿真 -83.1、理论结果与实际数值 -83.2、仿真问题 -93.3、EWB缺陷-9四、总结和心得 -10参考文献-12附录 -13附录A：交通灯控制器原理图 -13附录B：实验仪器与器件列表 -14一、EWB 简介1.1 EWB的特点电子工作平台Electronics Workbench 软件是由加拿大的Interactive Image Technologies公司于八十年代末、九十年代初推出的电子电路仿真的虚拟电子工作台软件。Electronics Workbench 具有界面直观、操作方便等优点，它改变了有些电路仿真软件输入电路采用文本方式的不便之处，创建电路、选用元器件和测试仪器等均可以直接从屏幕图形中选取，而且测试仪器的操作开关、按键、图形同实际仪器极为相似。通过电路仿真，可以帮助学生更快、更好地掌握课程讲述的内容，熟悉常用电子仪器的测量方法，掌握电路的性能。进一步培养学生的综合分析能力、排除故障能力和开发、创新能力。电子工作平台的设计试验工作区好像一块"面包板"，在上面可建立各种电路进行仿真实验。电子工作平台的器件库可为用户提供350多种常用模拟和数字器件，设计和试验时可任意调用。虚拟器件在仿真时可设定为理想模式和实模式，有的虚拟器件还可直观显示，如发光二极管可以发出红绿蓝光，逻辑探头像逻辑笔那样可直接显示电路节点的高低电平，继电器和开关的触点可以分合动作，熔断器可以烧断，灯泡可以烧毁，蜂鸣器可以发出不同音调的声音，电位器的触点可以按比例移动改变阻值。电子工作平台的虚拟仪器库存放着数字电流表、数字电压表、数字万用表、双通道 1000MHz 数字存储示波器、999MIHz数字函数发生器、可直接显示电路频率响应的波特图仪、16路数字信号逻辑分析仪、16位数字信号发生器等，这些虚拟仪器随时可以拖放到工作区对电路进行测试，并直接显示有关数据或波形。电子工作平台还具有强大的分析功能，可进行直流工作点分析，暂态和稳态分析，高版本的EWB还可以进行傅立叶变换分析、噪声及失真度分析、零极点和蒙特卡罗等多项分析。使用EWB对电路进行设计和实验仿真的基本步骤是：1.用虚拟器件在工作区建立电路；2.选定元件的模式、参数值和标号；3.连接信号源等虚拟仪器；4.选择分析功能和参数；5.激活电路进行仿真；6.保存电路图和仿真结果。1.2 初识EWBEWB5.0版的安装文件是EWB50C.EXE。新建一个目录EWB5.0作为EWB的工作目录，将安装文件复制到工作目录，双击运行即可完成安装。安装成功后，在工作目录下会产生可执行文件 EWB32.EXE 和其它一些文件，EWB32.EXE的图标如图2-1，双击该图标即可运行EWB。也可以在Windows的桌面上创建EWB32.EXE的快捷方式，通过此快捷方式启动EWB。EWB与其它Windows应用程序一样，有一个标准的工作界面，它的窗口由标题条、菜单条、常用工具栏、虚拟仪器、器件库图标条、仿真电源开关、工作区及滚动条等部分组成。1.3 EWB上的虚拟器件EWB5.0上有12个系统预设的器件库，其中包括146种器件，每种器件又可被设置为不同的型号或被赋予不同的参数，若按型号来划分，其数量不可盛数。1.4 EWB上的虚拟仪器虚拟仪器是一种具有虚拟面板的计算机仪器，主要由计算机和控制软件组成。操作人员通过图形用户界面用鼠标或键盘来控制仪器运行，以完成对电路的电压、电流、电阻及波形等物理量的测量，用起来几乎和真的仪器一样。在EWB平台上，共有3种虚拟仪器，下面分别作以介绍：（1）万用表的虚拟面板参见图2-10， 这是一种4位数字万用表，面板上有一个数字显示窗口和7个按钮， 分别为电流(A)、电压(V)、电阻()、电平(dB)、交流()、直流()和设置(Settings) 转换按钮，单击这些按钮便可进行相应的转换。用万用表可测量交直流电压、电流、电阻和电路中两点间的分贝损失，并具有自动量程转换功能。利用设置按钮可调整电流表内阻、电压表内阻、欧姆表电流和电平表0 dB标准电压。（2）信号发生器是一种能提供正弦波、三角波或方波信号的电压源，它以方便而又不失真的方式向电路提供信号。（3）示波器的电路符号和虚拟面板，这是一种可用黑、红、绿、蓝、青、紫6种颜色显示波形的1000MHz双通道数字存储示波器。它工作起来像真的仪器一样，可用正边缘或负边缘进行内触发或外触发，时基可在秒至纳秒的范围内调整。为了提高测量精度，可卷动时间轴，用数显游标对电压进行精确测量。只要单击仿真电源开关，示波器便可马上显示波形，将探头移到新的测试点时可以不关电源。1.5 EWB综合评定通过电路仿真，可以帮助学生更快、更好地掌握课程讲述的内容，熟悉常用电子仪器的测量方法，掌握电路的性能。进一步培养学生的综合分析能力、排除故障能力和开发、创新能力。Electronics Workbench是一种非常优秀的电子技术实用工具，因掌握电子技术，不仅需要理论知识，更重要的是要通过实际操作来加深对内容的理解。作为电子类相关课程的辅助教学和实训手段，它不仅可以弥补因实验仪器、元器件缺乏所造成的实验操作不够，而且排除了原材料消耗和仪器损害等因素，可以帮助学生更快的掌握课堂讲述内容，加深对概念、原理的理解，弥补课堂理论教学的不足。通过电路仿真，可以是学生熟悉常用电子仪器的测量方法，培养学生的综合分析能力，排除故障的能力和开发、创新能力。作为虚拟的电子平台，此软件提供了较为详细的电路分析手段，不仅可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域分析等常规的电路分析，还提供了离散傅里叶分析等14种分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。 二、电路设计2.1 设计目的（1）了解和熟悉电子平台的使用，掌握用电子平台进行仿真的方法。（2）进一步熟悉和加深对D触发器、脉冲发生器、各种门电路的工作原理以及在实际中的运用。（3）熟练掌握一些常用中小规模集成块的使用。（4）利用所学知识设计交通灯控制电路图。（5）训练对简易数字系统的设计合实验能力。2.2 设计要求（1）设计一个十字路口交通灯控制器，A与B分别代表两个方向的道路。（2）A与B道都有红黄绿三种信号灯，两个方向自动控制交替行驶，两个方向均通行30秒。（3）在绿灯转红灯时，先由绿灯转黄灯，5秒后，再由黄灯转红灯。此时另一方向才由红灯转绿灯。2.3、设计思路在城镇街道的交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通灯，其中红灯亮，表示该条道路上禁止通行，黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，绿灯亮表示该条道路允许通行。十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实行十字路口交通管理的自动化，可采用交通灯控制电路来实现自动控制。经过认真思考，如果能提供60进制加法器，则就可以满足其控制灯信号转换循环，决定利用D触发器对时间脉冲的变换进行控制，使输出能满足此时间规律，并通过门电路满足交通灯的逻辑变换。考虑到每一个车道通行时间是30秒，并且30秒分为黄灯的5秒、绿灯的25秒，既一个周期的总时间是60秒，其周期内的变化规律总结可以得到表1。 表1 交通灯信号状态和转换时间持续时间信号灯状态车道运行情况25 秒A绿 B红A车道通行 B车道禁止5 秒A黄 B红A车道缓行 B车道禁止25 秒A红 B绿A车道禁止 B车道通行5 秒A红 B黄A车道禁止 B车道缓行2.4、设计过程今假设：A绿为M1、A黄为M2 、A红为M3、B绿为M4、B黄为M5、B红为M6。利用4个D触发器提供4个的输出以便交通灯进行状态转换，由于一个循环要60秒，分成红灯30秒，黄灯5秒，绿灯25秒，利用信号源提供T=5秒的信号，12进制共有12个状态，T=12*5=60秒,即可满足此循环的状态转换所需要的时间周期，编码关系为表2。 状态Q1Q2Q3Q4M1M2M3M4M5M6S10000100001S20001100001S30010100001S40011100001S50100100001S60101010001S70110001100S80111001100S91000001100S101001001100S111010001100S121011001010S10000100001表2 交通灯信号编码与控制器状态关系表对表2进行卡诺图化简，计算可以求得：根据所求得的信号灯的逻辑表达式可以利用逻辑门电路表示为下图形式,如图1：图1 信号灯的逻辑门电路利用D触发器构成12位无进位输出加法计数器，以便满足交通灯时间转换需要，在一个周期60秒内，假如有12进制完成此循环，则每个脉冲信号应当为5秒钟。又因为D触发器得的驱动为，则可以根据表3的触发器驱动转化关系求得各触发器的D。状态S100000001S200010010S300100011S400110100S501000101S601010110S701100111S801111000S910001001S1010011010S1110101011S1210110000S100000001表3 D触发器状态转换关系表对表3进行卡诺图化简，计算可以求得：所以可以求得：按所求得的D触发器驱动D进行线路连接,就可以得到所要的进位效果如图2：图2 D触发器12进制连接图最后将4个D触发器的输出端分别连接到灯的逻辑输入中即可，其中信号源的频率调至f=0.189赫兹，电压调至V=5伏特。三、电路的调试和仿真3.1 理论结果与实际数值经分析信号灯理论转变规律如图3，通过EWB对上述问题理论结果进行仿真，运行总控制器便得到图4：A黄5秒A红25秒A绿25秒A红5秒 B红5秒B绿25秒B黄5秒B红25秒 图3 信号灯理论转变规律A黄5秒A红24秒A绿24秒A红5秒 B红5秒B绿24秒B黄5秒B红24秒 图4 信号灯实际转变规律3.2 仿真问题在仿真的前几次由于信号源的选取不当，导致了信号灯的无明显规律的变化，甚至出现了时间以毫秒为单位进行变换的脉冲。经过精心调试比较，最终得到了预期的以5秒为脉冲周期的信号源，此时的信号源满足频率f=0.189赫兹、电压V=5伏特。3.3 EWB缺陷在调试的过程中，曾准备使用555连接成单稳态的定时器，但由于所学知识有限，最终放弃了此种方法。而12进制是用D触发器完成的，本打算利用较熟悉的74161芯片来完成此进制，但在EWB软件中找了好多次也没能找到74161芯片。在最终的仿真中由于信号源的不稳定，导致了一些误差，如果调节信号源的频率来减小其对信号灯转换的影响，是可行的，但由于其不确定性，并不能完全满足要求。 在接线过程中曾一度出现过由于线路的繁杂而被迫终止连接的情况，原因是其中的连线出现重合隐藏或者接点跳跃，如果在连线的过程中能使用点阵的形式连接，则我认为电路图会更美观明了，便与连接和排查错误。 。四、总结和体会两周的课程设计，我受益颇多！通过这次的课程设计，我明白了很多道理，特别是一个人无论做什么，都要尽心的去做，要不，你会败的一败涂地。比如你不要小看简简单单的论文格式和WORD文档的编辑工作，其实它里面真的会有一个人的为人处世的哲学。这次我确实学到了好多，包括理论上的和实际的操作应用，有很大的收获。拿到这次课程设计的题目以后不知道从何处入手，茫然无措。我翻了很多有关的参考书，发现运用的都是我们所学的知识，通过进一步的思考对此电路的设计有了更大的把握。这次设计用EWB软件来检验电路的对错。他提供了各种仿真电子元件及常用集成电路和仪表，便于我们进行电路模拟和仿真。设计电路的同时我也学习了EWB这个软件。这对以后的学习和实验有很大的帮助，可以开发学生的想象力和创造力。我和同学们开始了为期两周的计算机电路辅助设计学习，在长沙理工大学电子实习基地进行为期一周的实习。在这几天时间中，我们运用在电路计算机辅助设计课上学到的知识绘制老师给我们的电路原理图并且画出交通控制器的原理图，在画图的过程中，我们不断出现问题并不断的解决它，这使得我们的实验操作水平有了很大的提高，通过电脑上的实验，我们要不断地回忆老师在课堂上讲述的内容这也使得我们的理论水平有所巩固。经过这几天的实验使我明白到，出现问题并不可怕。有问题出现证明我们所掌握的知识还不完善。而当我们把这些问题解决掉时，我们的知识又增加了，至少在以后同类问题就可以迎刃而解了。这样的机会很难得，我们要珍惜这样的好机会，抓紧学习，有条件要上，没条件要创造条件也要上，要勇往直前不断的学习成长。有了一定的实习的经验，我很快就能进入实习状态中去，再没有当初那么迷茫，不过由于距离学习的相关内容也是有一段时间，所以有一种很难下手的感觉，觉得以前的东西记得并不是很牢固，并且发现这次的实习的电路太难设计了，不知道如何下手，我的成绩在班里很不好，这次多亏在同学和老师的帮助下完成了这次实习，这也许就是老师的安排吧。让我们循序渐进的学习，而且学的越深越好，能更一步的了解到电脑自动化所带来的方便。这次实习所带来的困惑是以前的东西都忘记了，这次也是让我们重新记起以前所学的点点滴滴，好让我们能够更加顺利的完成下一个实习。本次实习也让我了解了EWB给我们带来的方便，在以后的生活和工作中将发挥其重要性，也让我们电子类的学生感觉到他的趣味性，但是毕竟我们所了解的并不是很全面，还有很多重要的东西等待我们的更深入的学习与探索。设计过程中我也遇到了很多困难，尤其是电路的仿真和调试，与其他同学一起研究。对电路的各个部分进行测试连接才最终得到预期的结果。但也正因为如此我才学到了很多在课堂里学不带的知识和经验，对我来说这次课程设计很有意义。最后，感谢我们学院给了我们这么好的实习机会，让我们的动手能力更进一步，为我以后进入社会打下良好的基础。看到大家脸上的表情都是欣慰和欢喜的，到底工夫不负有心人，看看自己的劳动成果。在这里要衷心的感谢那些在一周实习里和我们一样辛苦，孜孜不倦教导我们的老师们：“真诚的感谢老师的悉心指导，没有你我不会有那么多的感触！”参考文献1金维香，谢玉梅.电子测试技术M 湖南：湖南大学出版社，2004.80-842李银华，电子线路设计指导 北京：北京航空航天大学出版社，2005.79-833阎 石，数字电子技术基础M 北京：高等教育出版社，1998.224-2914钱恭斌，张基宏.实用通信与电子线路的计算机仿真M 北京：电子工业出版社，2005.1.25童诗白，华成英.模拟电子技术基础 北京：高等教育出版社，1998.501-554附录A：交通灯控制器原理图附录B：实验仪器与器件列表D触发器 ： 4个与门 ： 19个或门 ： 7个发光二极管： 6个脉冲发生器: 1个