交通信号灯控制系统的设计与实现 毕业论文.doc

第 ii页 交通信号灯控制系统设计摘 要 交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车辆的流量，提高交叉路口车辆的通行能力，减少交通事故。在城镇街道的十交叉字路口，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信号灯，其中红灯亮，表示该道路禁止通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红黄绿交通灯的状态转换，指挥车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。本文介绍交通信号灯的基本工作原理，基本组成，设计步骤及方法，电路说明等。着重强调了设计的原理和方法，并附以电路说明，从更深层次的把交通灯的设计原理展现给大家。它结合模拟电子技术和数字电子技术的基本研究方法并根据实际情况进行设计电路，并最终实现指挥交通。本文的思路基于智能交通灯设计方案，并进行简单改进。着重从数字电子的方向研究问题，把与非门和rs密码锁等方面的知识运用到实际的设计中，并发挥实际作用，最终实现红黄绿的三个灯的交替自动变换。关键词：555定时电路；交通信号灯；计数器；译码置数电路 第 iii 页 毕业论文 目 录1 绪论11.1 概述11.2 基本工作原理及框图22 相关芯片及硬件电路设计42.1 信号灯状态控制器设计4 2.1.1 工作原理及电路组成4 2.1.2 74ls74集成芯片引脚图及功能42.2 信号灯译码驱动电路设计5 2.2.1 工作原理及电路设计5 2.2.2 74ls74集成芯片引脚图及功能62.3 置数译码电路设计7 2.3.1 工作原理及电路设计7 2.3.2 74ls04集成芯片引脚图及功能82.4 计时系统设计8 2.4.1 工作原理及电路设计8 2.4.2 74ls190集成芯片引脚图及功能92.5 显示译码电路设计10 2.5.1 工作原理及电路设计10 2.5.2 cd4511集成芯片引脚图及功能102.6 555秒脉冲发生器设计11 2.6.1 工作原理及电路设计11 2.6.2 555集成芯片引脚图及功能122.7 元件清单143 电路图及软件模拟仿真153.1 整体电路图153.2 原理图仿真153.3 软件调试16总 结17第 iv 页课程设计说明书 致 谢18参考文献19第 19 页毕业论文1 绪论1.1 概述随着世界范围内城市化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全球化的问题。城市交通基础设施供给滞后于高速机动化增长需求，道路堵塞日趋加重，交通事故频繁，环境污染加剧等问题普遍存在。目前，全国大中城市普遍存在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象，交通事故频发，这给人民的生命财产安全带来了极大的损失。如何解决城市交通问题已成为全社会关注的焦点和大众的迫切呼声。探究城市交通发展中存在问题的原因，无论是从宏观上还是从微观上分析，其根本原因在于城市交通系统的管理机制不适应。城市交通控制系统（utc，urban traffic control system）是现代城市智能交通系统（idj，intelligent transport system）的组成之一，主要用于城市道路交通的控制与管理。城市平交路口实现交通信号控制是城市交通管理现代化的基本标志之一，是提高交通管理效能的重要技术手段。路口信号控制器是控制交叉路口交通信号的设备，它是交通信号控制的重要组成部分。各种交通控制方案，最终都要由路口信号控制器来实现。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。伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高,汽车的数量在不断增加。交通信号灯用于道路平面交叉路口，通过对车辆、行人发出行进或停止的指令，使人与人、车与车之间尽可能减少相互干扰，从而提高路口的通行能力，保障路口畅通和安全。一般来说，十字路口的两条相交叉的道路是有主次之分，其中车流量较大的称为主干道，车流量小的称为次干道或支干道。有主、次干道交叉口的城市道路，四个方向都设有红、绿、黄三色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，黄灯亮表示让交叉口停车线以外的车辆停止通行，而交叉口停车线以内的车辆快速通过交叉口。交通信号灯控制系统由状态控制器、状态译码器、定时系统等几部分组成。因此本次课程设计能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，通过对交通信号灯控制电路的设计、安装与调试，熟练掌握各种电子测量仪器、仪表的正确使用方法，熟悉掌握数字逻辑电路原理及各类型数字单元电路的工作原理、电路形式、调试方法、整机电路统调技巧等方面知识；同时，通过对系统设计结果的理论分析，加强理论联系实际的工作能力，对加强数字逻辑电路原理与技术方法的掌握，得到全面的、系统的训练，为今后从事本专业工作奠定坚实的技术基础。1.2 基本工作原理及框图因主干道车流量较多，而次干道车流量较少，所以主干道放行的时间要长，即绿灯时间稍长。十字形交通路口信号灯如图1所示。 图1 路口交通指挥系统示意图系统工作流程图如下图2所示。图2 系统工作流程图要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、信号灯译码驱动电路、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整机电路的原理框图6如图3所示。四个路口设有红、黄、绿三色灯和两位8421bcd码的计数、译码显示器。 图3 交通信号灯控制系统原理组成框图十字路口车辆运行情况只有4种可能：1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30s。2）30s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5s。3）5s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20s。4）50s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5s。5s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为：s0、s1、s2、s3。状态转换图如图4所示。s0s1s2s330s后5s后20s后5s后 图4 状态转换图 2 相关芯片及硬件电路设计2.1 信号灯状态控制器设计2.1.1 工作原理及电路组成十字路口车辆运行情况只有4种可能，实现这4个状态的电路，可以用两个d触发器组成一个四进制的计数器4。在此采用的一片74ls74实现。四进制计数器电路图如图5所示。图5 四进制计数器电路图d触发器的状态方程为q*=q,load每输入一个时钟脉冲q0的状态改变一次，u1a将load输入的时钟脉冲二分频后送给u1b,即load每四个脉冲u1a和u1b的状态回到原来的状态，即四进制计算器。2.1.2 74ls74集成芯片引脚图及功能74ls74芯片1引脚图6所示。图6 74ls74芯片引脚图74ls74的功能表1如表1所示。表1 74ls74的功能表2.2 信号灯译码驱动电路设计2.2.1 工作原理及电路设计主、支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见真值表。对于信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。列出信号灯的真值表如表2所示。表2 信号灯的真值表状态控制器输出主干道信号灯支干道信号灯q1q0红（r）黄（y）绿（g）红（r）黄（y）绿（g）00111010001101001000110000010010根据真值表可以写出各信号灯的逻辑函数式如表3所示。表3 各信号灯逻辑表达式用发光二极管模拟交通灯的工作状态，根据逻辑函数表达式画出的电路图8如7图所示。因为门电路带灌电流负载的能力强，故设计成门电路输出低电平时，相应的发光二极管亮。 图7 信号灯电路图2.2.2 74ls74集成芯片引脚图及功能74ls74集成芯片引脚图7如图8所示：图8 74ls74集成芯片引脚图74ls74集成芯片功能表7如表4所示： 表4 74ls74集成芯片功能表 2.3置数译码电路设计2.3.1 工作原理及电路设计要实现30秒、20秒、5秒倒计时，就要在计数器倒计时到零的时候给计数器的置数端送入下一状态相应的时间数。列出置数真值表如表5所示：表5 置数真值表q1 q0 h g f e d c b a0 00 11 01 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0根据真值表可以写出逻辑函数表达式：h=0 g=0 f=q0 e=q1q0 d=0 c=a=q0 b=02.3.2 74ls04集成芯片引脚图及功能74ls04集成芯片引脚图1如图9所示：图9 74ls04集成芯片引脚图74ls04集成芯片功能表1如表6所示：表6 74ls04集成芯片功能表2.4 计时系统设计2.4.1 工作原理及电路设计计时系统由两片74ls190构成的计数器、74ls00和74ls04构成的置数、状态转换信号输出电路组成。计时系统电路如图108所示。用两片74ls190组成两位十进制减法计数器，当计数器状态为零时，u9a输出信号load,作为置数控制信号，将置数译码器输出的数据送入计数器。load送入状态计数器74ls74，作为状态计数器的时钟脉冲。图10 计时系统电路图2.4.2 74ls190集成芯片引脚图及功能74ls1901具有可对8421bcd进行计数、可逆计数、有联级脉冲输出、可由送数控制进行异步置数、并行输出、可联级到n位应用等功能，所以可以用74ls190做为计时系统的计时器。74ls190的引脚1排序图11。图11 74ls190的引脚排序图74sl190的功能表1如表7所示。表7 74ls190功能表2.5 显示译码电路设计2.5.1 工作原理及电路设计译码显示电路图8如图12所示。图12 译码显示电路图2.5.2 cd4511集成芯片引脚图及功能74ls190的引脚排序图1如图13所示。图13 74ls190引脚排序图七段显示译码电路真值表1如表8所示。表8 七段显示译码电路真值表2.6 555秒脉冲发生器设计2.6.1 工作原理及电路设计引脚out输出的端方波的周期为：t=(r1+r2)cln22本电路采取r1=15k,r2=68k,c1=0.1uf,c2=10uf。秒脉冲发生器设计电路图8如图示12。图12 秒脉冲发生器设计电路图2.6.2 555集成芯片引脚图及功能时器555定时器1内部结构和引脚排列图，如内部电路图13，引脚排列图14。555定时器内部含有一个基本rs触发器，配个电压比较器c1,c2,一个放电三极管t由三个5k的电阻的分配器，555定时器因此而得名一个输出缓冲器g3。比较器c1的参考电压为2vcc/3加在同相输入端c2的参考电压为vcc/3加在反相输入端，两者均由分在器上取得。 图13 555定时器引脚排列图 图14 555的内部电路图555定时器个引线端的用途如下：1、端为接地线；2、端为低电平触发端，也称为触发输入端。当2端的输入高电压高 于vcc/3时，c2输出为1；当输入电压低于vcc/3时，c2的输出为0，使基本触发器置1；3、端u0为输出端；4、端是复位端，当=0时，基本触发器直接置0，使q=0，=1；5、端udd 为电压控制端，如果co 端另加控制电压，则可以改变c1，c2的参考电压。工作中不使用co 端时，一般都通过一个0.01uf的电容接地，以防旁路干扰；6、端th 为高电平触发端，当输入电压低于2vcc/3时，c1的输出为1；当输入电压高于2vcc/3时，c1的输出为0，使基本触发器置0，即q0=0，=1，这时定时器输出u0=0；7、端d为放电端。当基本触发器的=1时，放电晶体管t导通，外接电容元件通过t放电；8、端vcc为电源端，可在4.3-1.6v范围内使用，若为cmos电路，则vcc=3-18v。 555定时器功能表如表9所示，它全面表示了555的基本功能。表9 555定时器功能表多谐振荡器产生矩形波的自激振荡电路，由于矩形波包含和高次谐波成分，因此称为多谐振荡器。多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用555实现多谐振需要外接电阻r1，r2和电容c，并外接+5v的直流电源。只需在+vcc端接上+5v的电源，就能在3脚产生周期性的方波。2.7 元件清单电路所需原件如表10所示。表10 电路所需原件元件数量74ls190274ls74174ls00274ls041cd45112ne5551电阻、电容若干led6共阴数码管23 电路图及软件模拟仿真3.1 整体电路图由555组成的振荡器产生周期为一秒的时钟信号，送给计时器，计时器做减法计数，cd4511译码器把计时器输出的8421bcd码译成驱动数码管显示的七段二进制代码，使数码管显示相应的十进制数。当计时器减到零状态，rco1和rco2分别输出一个低电平信号，通过非门和与非门，load输出一个低电平信号，置数译码电路输出的数据送入计时器，load在上升沿到来时，信号灯状态控制器的计数器加1，信号灯转到下一状态。计时器继续倒计时，如此循环下去。3.2 原理图仿真这里用的是multisim10仿真5软件，仿真原理38图（总电路图）如下图15所示。图15 仿真原理图（总电路图）3.3 软件调试主干道绿灯亮，支干道红灯亮，开始30秒倒计时，如图16。图16主干道黄灯亮，支干道红灯亮，开始5秒倒计时，图17。图17主干道红灯亮，支干道绿灯亮，开始20秒倒计时，图18。图18主干道红灯亮，支干道黄灯亮，开始5秒倒计时，图19。图19从仿真结果可知，计时器能够正确置数，时间显示正常，仿真符合题目要求。总 结课程设计主要是考察我们对书上理论的理解以及培养我们的动手能力，在这个过程中，我认为最重要的是设计过程，它不仅使我加深了对理论的理解，更对只是有了更好的认识，对以往所学有了一次小小的总结与回顾，对书上知识的应用有进一步直观的了解。其次，在插线接线的过程中，不仅要手巧，更要细心耐心，有条理有目的的按顺序连线，不能遍地