交通灯控制电路设计方案

1 交通灯控制电路设计 方案 1 概述 伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高 ,汽车的数量在不断的增加 ,交通的问题日益突出，单单依靠人力来指挥交通已经不可行了 ,所以，设计交通灯来完成这个需求就显的越加迫切了。为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过 ,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。 交通信号灯作为一个用来指挥车辆顺利、畅通通过十字路口的装置与我们的生活紧密的联系在一起。设计交通灯控制电路的方法有很多种，由于数字电子技术的逻辑性很强，用它来设计交通灯的控制电路非常方便。而且数字电子技术芯片只要在一定的范围内输入，都能得到稳定的输出，调试简单，电路的工作也比较稳定。 这次我设计的交通灯控制电路就是通过基本的一些数字芯片组合来对十字路口交通灯的六个不同信号灯的控制，另外还加以倒计时直观显示。这个电路的设计看似起来比较复杂，但它也是由一些基本的电路组成。只要将实现整个电路的基本设计思路和方案 确定下来，画出方框图再对个功能方框的电路进行设计，一步步突破，最后整理设计出整个电路的原理图来。 在此对电路的详细设计过程总体概括一下： 首先，画出设计的控制电路的方框图。 其次，对各功能电路的实现进行论证介绍。 再次，对各功能电路的设计进行详细的介绍。 至此这次的课程设计也就完成了，但对电子知识和技能的学习与探索将永不停止。 2 2. 课程设计任务及要求 用常用的中、小规模数字集成电路（参见材料清单）设计一个交通灯控制电路。 自行设计，并完成系统功能的检 验。 （ 1） 要求 南北方向（主干道）车道和东西方向（支干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为 30秒 、支干道每次通行间为20秒 ； （ 2）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用倒计时的方法）； （ 3）在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮 5 秒 钟，才能变换运行车道； （ 4）黄灯亮时，要求每 秒 闪亮一次； （ 5）同步设置人行横道红、绿灯指示。 3 案论证 交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，分别为： 状态 0：东西方向车道的绿灯亮，人行道的绿灯亮；南北方向车道的红灯亮，人行道的红灯亮。 状态 1：东西方向车道的黄灯闪，人行道的红灯亮；南北方向车道的红灯亮，人行道的红灯亮； 状态 2：东西方向车道的红灯亮，人行道的红灯亮；南北方向车道的绿灯 亮，人行道的绿灯亮； 状态 3：东西方向车道的红灯亮，人行道的红灯亮；南北方向车道的黄灯闪，人行道的红灯亮； 4种状态循环往复，并且车道红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。交通灯电路的具体运行状态如表 表 交通灯运行状态 东西方向车道 东西人行道 南北方向车道 南北人行道 红 黄 绿 红 绿 红 黄 绿 红 绿 0 亮 灭 灭 亮 灭 灭 灭 亮 灭 亮 1 亮 灭 灭 亮 灭 灭 闪 灭 亮 灭 2 灭 灭 亮 灭 亮 亮 灭 灭 亮 灭 灯 运 行 状 态 4 3 灭 闪 灭 亮 灭 亮 灭 灭 亮 灭 统设计 构框图及说明 交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图 脉冲电路、倒计时电、状态控制电路、灯显示电路。 图 交通灯控制电路结构框图 统原理图及工作原理 脉冲电路 倒计时电路 数码管 状态控制电路 灯显示电路 电源 东西方向绿灯 南北方向红灯 东西方向黄灯 南北方向红灯 东西方向红灯 南北方向绿灯 东西方向红灯 南北方向黄灯 5 元电路设计 元电路工作原理 利用 555定时器为主组成多谐振荡器，输出 1现脉冲电路功能。 组成的脉冲电路如图 V v C v O 0 . 0 1 F C 8 4 555 7 6 2 3 5 1 图 脉冲电路 参数计算如下： 22l n 2 0 . 7 C R C1 2 1 2( ) l n 2 0 . 7 ( ) R C R R C 121 1 . 4 3( 2 )p l p hf t t R R C取 0调）， 00 C=可实现调出 1输出端接上了一个开关，可以控制系统工作的开始和暂停。 2 6 十字路口要有数字显示，作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减 1 的计数方式工作，直至减到数为 5和 0，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。根据题目的要求南北方向（主干道）车道和东西方向（支 干道）车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为30秒、支干道每次通行时间为 20秒。也就是一个循环是 50秒，如此先显示 30秒后显示 20秒倒计时，然后再显示 30秒倒计时，以此类推。 设计时采用两块 74块 是显示十位，一块是显示个位。个位接成十进制，从 9开始倒计时，当到达 0时，向高位发出一个借位信号，再继续从 9倒计时。一开始使十位数置数为 3，二进制为 0011，个位数为 0，二进制为 0000，此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端，十位的 74合个位的设置，电路从 30开始倒计时。当主车道绿灯亮了 25秒，倒计时也已经数到了 5了，此时，个位显示 5，十位显示 0，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始倒计时闪亮 5秒，当倒计时到 0 后，个位芯片 74高位借数，但是高位已经 是 0了，按照要求此时十位应该是从 0翻转2，即二进制 0010，为了实现这功能，通过研究十位的二进制数发现，十位的二进制是从 0011、 0010、 0001到 0000计数完，翻转为二进制 0010，然后从 0010、0001到 0000倒计时，当到 0000后就结束一个循环，又从 0011开始新的一个循环。从二进制 0011和 0010两个不同的预置数，发现可以用 1个 4触发器并把 Q 端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能。高位产生借位信号时将 这个借位信号（低电平）消失后，产生一个上升沿7 的脉 冲信号，使 一个借位信号来时就把此时的 时 由 0变 1或由 1 变 0），然后翻转。通过以上置数方式可实现 0011和 0010的交替置入。另外，通过在特定时刻（倒计时高位由0000变为 0010后）对 实现主次干道通行时间的调整。最后将电路的倒计时接到译码器 74接到共阴极数码显示管上显示十进制数字。据此画出倒计时电路如图 图 8 421 编码的二进制数译成七段输出 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g，用以驱动共阴极数码管。译码显示电路如图 图 9 用倒计时控制灯的变化，先将图示状态 0、 1、 2、 3编码为 00、 01、 10、 11，当倒计时为 30、 20、 5 的时候产生一个信号给状态转换的电路，而这个信号是电平信号的话就很难实现，所以又用了边沿触发，此时用计数器表示状态，取其低两位的计数态 00、 01、 10、 11为灯的状态，这样的话，来一个边沿信号就能使计数器加一，实现上述四状态转换。画出状态控制电路信号转换表如表 示： 表 状态控制电路信号转换表 高位 低位 状态转换信号 7 6 5 4Q Q Q 1 0Q Q 0011 0000 0010 0000 0000 0101 由表得出 ）的表达式： ）（ 4501245 )()()()()()()( 用与非门和非门实现电路图如图 10 图 11 首先要把控制的脉冲接入计数器 74非减数的脉冲端，因为脉冲主要有四个，四个为一个循环，只取计数器的低位两位即可，除了让计数器工作的接入端需要接电平外，其他端都不用接， 计数器的低位两位即可组成 00、 01、 10、11四种状态。用 11G 、 1Y 、 11R 表示主干道车道的绿灯、黄灯、红灯， 12G 、 12灯；用 21G 、 2Y 、 21R 表示支干道 车道的绿灯、黄灯、红灯， 22G 、 22R 表示支干道人行道的绿灯、红灯，得出状态 表如表 示。 表 灯显示电路状态表 状态 主车道 支车道 主人行道 支人行道 1y 0y 11G 1Y 11R 21G 2Y 21R 12G 12R 22G 22R 00 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 01 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 10 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 11 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 由表得个各个灯的逻辑表达式： 011211 011 111 01112 012221 012 121 01122 为了让黄灯能秒闪亮一次，可以在黄灯前加入一个与门，把黄灯发亮的信号当成12 是与门的开通信号，与门的另一端接入时间脉冲，那么黄灯就可以实现每秒闪亮一次的功能。画出灯显示电路如图 件参数选择 取 0调）， 00 C=可实现调出 1输出端接上了一个开关，可以控制系统工作的开始和暂停。 13 真电路图 14 真过程 开启仿真按钮之后，东西方向路灯绿灯，南北方向是红灯，倒计时显示的是一个随机的数字，直到倒数到 0后，东西方向黄灯，南北方向红灯，过 5 秒后，东西方向红灯，南北方向绿灯，此时倒计时显示 30，之后按照预先的设计，各个正常亮灭 真结果 打到要求，具体如下表 表 交通灯转换数据统计表 次数 主干道 支干道 20 次 绿 黄 黄 红 红 绿 绿 黄 黄 红 红 绿 正确 正确 正确 正确 正确 正确 表 人行道转换数 据统计表 次数 主干道 支干道 20 次 绿 红 红 绿 绿 红 红 绿 正确 正确 正确 正确 15 装调试过程 按照电路图依依将电路元件安装起来，并且在安装过程中及时查错，出算错误，马上整改。 障分析 1、脉冲电路电路产生的脉冲的 20个周期是 生误差的原因是电容的容量比标准值 ，因此脉冲电路产生的周期没有达到 1秒。 2、调试中发现倒计时的过程中，从 20倒计时至 00，再变为 30时，数码管闪现 30,然后跳到 29,或是从 30倒计时至 00变为 20，数码管闪现 20，然后跳到19。产生误差的原因是十位计数器跟个位计数器都在同一个脉冲里发生借位，而十位计数器是在个位计数器借位之后再变化的，即一个脉冲上升沿到达个位计数器约半个脉冲周期之后，十位计数器再发生借位。因此数码管的十位显示“ 2”或“ 3”约半秒后就跳到下一个显示状态。 16 各灯的运行状态正常。脉冲电路产生的脉冲周期跟标准值之间有微小的误差，但不 会影响倒计时电路和译码显示电路的正常工作。倒计时器在状态周期转换时会出现显示的误差。但对两个车道上的通行时间是没有影响的。综上所述，交通灯控制电路能在允许误差范围内正常工作。 17 器件名称规格 数量 备注 16脚 2位共阴数码管 1 4 脚 74 14脚 74返相器） 2 14脚 74置位复位正触发双 1 14脚 74预置四位二进制双时钟可逆计数器） 3 16脚 8脚 1 4脚 7 6脚 5 4脚 1 插 2位数码管 可调电阻 10k 1 555 定时器 1 按钮开关（常开、常闭） 3 1个常闭， 2个常开 发光二极管 10 红绿各 4个，黄 2个 电阻、电容 若干 18 1. 马学文，李景宏 北京：科学出版社 . 李景宏，王永军编著 北京：电子工业出版社， 2012 凡编著 北京：电子工业出版社， 2002 电子技术基础实验 . 北京：高等教育出版社， 2000 19 9. 收获、体会和建议 通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关电子线路方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵