交通信号灯控制电路设计

应天职业技术学院毕业论文1目录1综述 21.1 设计任务.31.2 基本要求.32工 作 原 理.42.1 整体方框图.42.2 整机工作原理.53分机电路设计与计算53.1 秒信号产生器.53.2 状态控制器设计.63.3 状态译码器.73.4 定时系统.83.5 元件功能介绍.104整机电原理图.145 . 调试要点.156元器件清单167总结168参考资料.应天职业技术学院毕业论文2.17摘要随着现代城市交通的日益拥挤，一个有效的交通指挥系统对人们的安全出行、交通流量的提升和出行效率的提高日见重要，交通灯指挥系统是这一指挥系统最基层、分布面最广的重要组成部分之一。本课程设计就交通灯控制电路的一个实用方案作了详细的分析与设计，它结合我们在校所学的模拟电子、数字电子、 计算机等有关学科的知识，并参考了 许多实用的参考方案，在此基础 上， 综合利用了数字逻辑 功能这一强大工具，引入了 电子设计自动化技术，还运用了 protel 软件等手段来完成 电路方案及 PCB 印制板的设计。本 设计方案比较新颖 ，巧妙地采用了 8 总线收 发器和可预制可逆计数器，使设计更灵活，而且还设置了完整的倒计时功能设计，因而控制和显示方案具备，更主要的优点是功能已接近软件设计，可按需要较容易地变化通行时间或扩展功能，本文所设计的方案完善，具有 较好的实用价值。关键词状态控制器 定时系统 秒脉冲发生器 译码器 计时器应天职业技术学院毕业论文3前言 随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻常老百姓的家庭，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许多大城市如北京、上海、南京等均出现了道路交通超负荷运行的情况。所以，如何采用合适的控制方法，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。在这种情况下，道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用，并已成为交管部门管理交通的重要工具之一。交通控制器的设计有采用软硬件两种方案。一般来说，采用软件的方案可通过编制程序的方法灵活满足各种用户的要求，不需要改变硬件结构，但成本相对要高一些；而采用数字电路的硬件方案也能较好地满足要求，且各种实现的方案也很多，但硬件的方案往往随设计参数要作一定的变化，所以灵活性较差。这次毕业设计我采用数字电路的设计方案，以便更好地巩固在校所学的知识，将理论应用于实践。在以往交通控制器的方案选择中，采用移位寄存器的方案较多，本设计方案比较新颖，采用 8 总线收发器和可预制可逆计数器，使参数按设计需要变更更灵活，而且还设置了完整的倒计时功能设计，因而控制和显示方案具备，具有很好的实用价值。1综述1.1 设计任务设计一个十字路口交通灯信号控制器，控制车辆安全快速的通过。应天职业技术学院毕业论文41.2 基本要求 为了确保车辆安全快速的的通行，在十字交叉路口的每个入口处设置红，绿，黄三种信号灯，并安装时间数字时间显示，来达到下列的基本要求： 红灯表示禁止通行，绿灯表示允许通行，黄灯提醒司机把车辆停靠在禁行线以内。 东西，南北各干道交替通行，各干道放行 30 秒 当绿灯即将变为红灯时，黄灯开始闪烁 2 秒 十字路口的数字时间显示以秒为单位，使人们能够直观地把握时间。2 工作原理2.1 整体方框图交通灯信号控制器的控制方案图如下：译码显示器 南北干道信号灯 东西干道信号灯减法计数器 状态译码器 交通灯控制器置数控制 状态控制器秒脉冲发生器表.交通灯控制方案图应天职业技术学院毕业论文5由上面的方案图可以看出各部分的作用如下：秒脉冲发生器用来产生秒信号，置数控制和减法计数器共同构成倒计时装置，减法计数经译码显示器将实时显示时间，提供行人直观的时间概念。而状态控制器的作用是记录十字路口交通灯的工作状态，通过状态译码器分别点亮相应状态的信号灯，使某种状态持续一段时间，而减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据下一个工作状态决定计数器下一个减计数器的初始赋值，从而进入下一个工作状态，如此不断循环。2.2 整机工作原理交通灯工作流程表如下：表 2.2 交通灯工作流程表工作次序 南北干道 东西干道 时间1 绿灯亮，允许通行 红灯亮，禁止通行 30s2 黄灯亮，停车 红灯亮，禁止通行 2s3 红灯亮，禁止通行 绿灯亮，允许通行 30s4 红灯亮，禁止通行 黄灯亮，停车 2s由上表可以看出，此交通灯应该有 30s、32s 和 2s 三种定时信号，因此定时显示电路也应该设计三种定时情况，定时采用倒记时的方式，这里可以用二-十进制计数器，这里我们用 74LS192 同步加减计数器及二进制/十进制可异步置数的 CD4029 可逆计数器来完成计数功能，并通过数码管显示出来。定时的起始信号由状态控制电路给出，当一种定时时间结束的信号输入到状态控制电路时，由控制电路去启动、关闭三色交通灯或启动另一种倒计时电路。状态控制电路属于时序逻辑电路，应该按照时序逻辑电路的设计方法设计。它的输入信号来自 30s、2s、32s 三个定时信号。其输出信号一方面经译码后分别控制东西应天职业技术学院毕业论文6351267 8 4NE55539K47K10uF 0.01uF5KSGND SGND+5V1 交交交交交干道和南北干道的三个信号灯，另一方面控制定时电路的启动。3分机电路设计与计算3.1 秒信号产生器产生秒信号有各种形式的电路，在这里我们利用 555 定时器组成秒脉冲发生器，其电路图如图 3.1 所示：如右图电路的输出脉冲的周期为：T0.7（R1+2R2）C，若 T=1s，令 C=10F ，R1=3k，则 R251 k。在这里我们可以用固定电阻 47 k 和 5 k 的电位器相串联代替电阻 R2。然后通过调节电位器来确定输出脉冲的周期为 1 秒。3.2 状态控制器设计根据表 2.2 交通灯工作流程表可以画出具体的交通灯顺序流程图如下表 3.2.1：表 3.2.1 交通灯顺序流程图南北干道绿灯亮，东西干道红灯（30 进制计数器减一）南北干道黄灯亮，东西干道红灯亮（2 进制记数器减一）南北干道红灯亮，东西干道绿灯亮（30 进制记数器减一）图 3.1 秒脉冲发生器应天职业技术学院毕业论文7南北干道红灯亮，支干道黄灯亮（2 进制记数器减一）由上边的流程表可以看出，信号灯有四种不同的工作状态，在这里我们可以用S0(南北干道绿灯亮，东西干道红灯亮)，S1(南北干道黄灯亮，东西干道红灯亮） ，S2 (南北干道红红灯亮，东西干道绿灯亮） ，S3 (南北干道红灯亮，东西干道黄灯亮）表示，四种工作状态的状态编码以及状态图如图 3.2.23.2.2 工作状态编码的状态图S0=00 S1=01 S2=10 S3=11由上图很容易看出这是一个二进制计数器的状态图，因此我们只需要采用一个二进制计数器就可以完成交通灯四种工作状态的转换，在这里我们采用了 CD4029 构成状态控制器，其电路图如 3.2.3 所示：Q1Q2Q3Q4CP CI/ PECD4029B/DU/D+5Q2 Q1SGND1 1图 3.2.3 交通灯状态控制器3.3 状态译码器应天职业技术学院毕业论文8有了上面状态控制器用数字信号控制了交通灯的四个工作状态，我们就需要设计一个译码器，将数字信号转化为南北、东西干道信号灯的状态显示出来，而信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。对于信号灯的状态，可以 “1”表示灯亮， “0”表示灯灭，这时信号灯的状态与状态控制器之间的关系见真值表 3.3.1表 3.3.1 信号灯真值表状态控制器输出 南北干道信号灯 东西干道信号灯Q2 Q1 R（红） Y（黄） G（绿） r（红） y（黄） g（绿）0011010100110 1001000110000 010010根据上面的真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为：R=Q2Q1 +Q2Q1=Q2 R=Q2Y=Q2Q1 Y=（Q2 Q1 ）G=Q2Q1 G=（Q2 Q1 ）r=Q2Q1+Q2Q1=Q2 r= (Q2Q1 ) y=Q2Q1 y=(Q2Q1) g=Q2Q1 g=(Q2 Q1 ) 根据上面的逻辑表达式，可以设计出状态译码器，如果在找几个发光二极管我们就可以将交通灯的状态显示出来，由于电路的带灌电流的能力一般比带拉电流的能力强，要求当门电路输出低电平时，点亮相应的发光二极管，即为低电平有效。状态译码器的电路组成如图 3.3.2：图 3.3.2 交通灯状态译码器应天职业技术学院毕业论文9YLEDGLEDYLED220 220GLEDRLEDRLED+5vQ2 Q1GYR& & &1 & & 1 & &RYG3.4 定时系统该定时系统由定时器，时间状态显示器等部分组成，其中定时器由两片 CD4029构成的二位十进制可预置减法计数器完成；时间状态由两片 74LS47 和两只 LED 数码管对减法计数器进行译码显示；预置到减法计数器的时间常数通过两片 8 路双向三态门 74LS245 来完成。根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，以完成 30s，2s 的定时任务。将 30，2，两个不同的数字接到两片74LS245 的输入端，任一输入数据到减法计数器的置入由状态译码器的输出信号控制不同 74LS245 的选通信号来实现。 例如当状态控制器在 S1（Q2Q1=01）或在S3（Q2Q1=11 ）时，要求减法计数器按初值 2 开始计数，故采用 S1，S2 为逻辑变量而形成控制信号 Q1 去控制输入数据接数字 2 的 74LS245 的选通信号。由于 74LS245 选通信号要求低电平有效，故 Q1 一极反相器后输出接相应 74LS245 的选通信号。同理，输入数据接 30 的三态门 74LS245 的选通信号接南北方向绿灯信号 G：输入数据接 30的三态门 74LS245 的选通信号接东西方向红灯信号 R。所设计的定时系统如图 3.4.1 所 示：3.4.1 定时系统电路图应天职业技术学院毕业论文10abfcgdeDPYLEDgn1 2 3 4 5 6 7abfcgdeDPYLEDgn1 2 3 4 5 6 7LTBI/RBORBIa b c d e f gD C B AVss74LS47HEADER 3LTBI/RBORBIa b c d e f gD C B AVss74LS47ENB8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 Vss74LS245D?ENB8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 Vss74LS245D?GND GND+5VSGND +5V SGND