微机原理课程设计--交通灯控制系统设计.doc

宁夏大学物电学院微机原理课程设计宁夏大学物电学院微机原理课程设计 交通灯控制系统设计交通灯控制系统设计 学生姓名学生姓名王彦斌王彦斌 学学 号号1201124416412011244164 所所 在在 院院宁夏大学物电学院宁夏大学物电学院 专业名称专业名称网络工程网络工程 班班 级级20112011级网络工程级网络工程1 1班班 指导教师指导教师 庄红庄红 宁夏大学物电学院宁夏大学物电学院 二二一三年十一月一三年十一月 1 交通灯控制系统设计交通灯控制系统设计 学生：王彦斌 指导教师：庄红 内容摘要内容摘要：因为社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路 三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统 是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是 现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。 实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器PLC 、单片机等方案来实现。其中用标准逻辑器件来实现电路在很大程度上要受到逻辑器 件如门电路等的影响，调试工作极为不易，而笔者对单片机运用来进行系统的设计开 发也不是很熟悉，因此，最终笔者选择了用可编程的控制器PLC来实现系统功能的设计 ，完成本次课设的题目。 关键词：关键词：PLC 交通灯 程序 报告 设计 TrafficTraffic lightlight controlcontrol systemsystem designdesign AbstractAbstract：Along with the development of the society economy, the city transportation problem causes peoples concern more and more. The coordination of the person ,car , the road threes relation, have become one of the important problems that the transportation management section demand resolve. The city transportation control system is the calculator that used for the city transportation data monitor. The transportation signal beacon control and transportation to appease comprehensive management system, it is in the modern city transportation supervision conductor system to constitute part most importantly. Carry out the control method of the street corner transportation light system a lot of, can carry out with the standard logic spare part. 2 Programmable preface controller PLC, single slice machine etc. Carries out the influence that the electric circuit wants to be subjected to the logic spare part, such as door, electric circuit to a large extent etc. with the standard logic spare part among them, adjust to try a work extremely not easy, and writer to single slice the luck use is not very either to acquaint with to the design development of carry on the system, therefore, the end writer chooses to use programmable controller PLC to carry out the design of the system function, completion originally time the lesson establish of topic. Keywords:Keywords: The PLC transportation light procedure report design. 3 目 录 前言 1 1 交通信号灯的设计目的以及要求 .1 2 交通信号灯基本原理及设计方法 .2 3 主控制器 .4 3.1 74LS90引脚排列图与逻辑图 .4 3.2 74LS90的功能表及引脚功能 .5 4 计数器 .6 4.1 计数器的作用6 4.2 计数器的工作情况6 4.3 控制信号灯的译码电路的真值表7 4.5 状态译码电路9 5 译码显示电路 .9 5.1 共阳极LED七段数码管.9 5.2 74LS247译码器11 5.2.1 以下介绍各引脚的功能： .11 5.2.2 数码连接译码电路 .11 5.2.3 真值表 .12 6 555振荡器构成的秒脉冲电路 .13 6.1 555定时器的引脚13 6.2 555定时器构成的多谐振荡器14 6.3 555定时器工作原理15 7 组装和调试过程 16 8 结束语 17 参考文献 .18 4 交通灯控制系统设计 前言 黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造， 在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路 口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过， 吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色 信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三 色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。 中国最早的马路红绿灯，是于1908年出现在上海的英租。 从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定 时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。 当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者 关系的协调， 多值化方向发展随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注.随着社会 的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设 计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正 是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确 。 1 交通信号灯的设计目的以及要求 十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是 城市交通自动化的重要课题。本课题利用数字路的基本知识和设计方法，设计一个简 单的交通灯控制系统要求： 掌握系统设计的一般步骤和方法，掌握一个大的系统中各子系统之间的相 互作 用和相互制约关系； 运用数字电路理论知识自行设计并实现一个较为完整的小型数字系统。通 过系统设计、电路安排与调试、写设计论文等环节，初步掌握工程设计的具体步骤和 方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平。 学会用中规模器件设计一个符合要求的系统，并熟悉常用中规模器件的用 法。 学会按照电路图在面包板上合理布局使各器件在系统中的连线更简单，清 5 晰； 掌握连接实物图的一般步骤和方法，学会系统安装与调试的一般步骤和方 法； 在实践中运用理论知识，培养实际动手能力； 主干道的通行时间长于支干道的通行时间； 每次由绿灯变为红灯或由红灯变为绿灯的前5秒四个路口要亮黄灯以提示过 往车辆及行人注意路灯变化，安全通行； 设计正计时60s、50s计时数码实现电路，要求每秒钟改变一次数字； 在一个主支干道的十字路口，东西和南北方向各设置一个红，黄，绿三种 颜色的交通灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行。在绿灯变红灯时先要求 黄灯亮5秒钟，以便让后来车辆准备停车。由于主干道车辆较多，支干道车辆较少，所 以要求主干道处于通行状态的时间要长一些，为60秒；而支干道通行时间为50秒。 2 交通信号灯基本原理及设计方法 十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一个支干 道的十字路口如图2- 1所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通 行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。因为 主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。 图2-1 路口交通指挥系统示意图 6 设主干道通行时间为N1，干道通行时间为N2，主、支干道黄等的时间均为N3，按 主支干道通行的时间来看，设置N1N2N3。系统工作流程图如图所示。 图2-2 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 、主控制器、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 的原理框图如图所示。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。 7 图2-3 交通信号灯控制原理电路框图 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60s。2）60s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50s。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、S 1、S2、S3。状态转换图如图所示。 图2-4 状态转换图 3 主控制器 3.1 74LS90引脚排列图与逻辑图 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，可用两个触发器构 成，也可用一个二-十进制计数器或二进制计数器构成。我采用二- 十进制计数器74LS90实现。采用反馈归零法构成4进制计数器,即可从输出端QBQA得到所 要求的4个状态。图3.3-1 74LS90管脚排列图,逻辑图如图所示。为以后叙述方便，设X1=QB,X0=QA。 8 图3.1-1 74LS90管脚排列图 图3.1-2 主控制器的逻辑图 3.2 74LS90的功能表及引脚功能 表3.2-1 74LS90功能表 输入输出 清0置9时钟 R(1)、 R（0） S9(1) S9(2) CP1 CP2 QD QC QB QA 功能 110 X X 0 X X 0000 清0 0 X X 0 11X X 1001 置9 1 QA输出二进 制计 数 0 X X 0 0 X X 0 1 QDQBQC输出五进 制计 数 9 QA QDQCQBQA输出 8421BCD码 十进 制计 数 QD QAQDQCQB输出 5421BCD码 十进 制计 数 1 1 不变保持 如表7 4LS90功能表：7 4LS90逻辑功能为 计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器； 计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器； 若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端 则构成异步8421码十进制加法计数器； 若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，则 构成异步5421码十进制加法计数器； 清零、置9功能； 第一，异步清零当、均为“1”、中有“0”时，实 ) 1 ( 0 R)2( 0 R) 1 ( 9 S)2( 9 S 现异步清零功能，即QDQCQBQA=1001；第二，置9功能当、均为“1”;) 1 ( 9 S)2( 9 S 、中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA=1001) 1 ( 0 R)2( 0 R 4 计数器 4.1 计数器的作用 计数器的作用有二：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的 要求，进行60s、50s、5s 3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行 状态转换。 4.2 计数器的工作情况 计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作 情况为：计数器在主控制器进入状态S0时开始60s计数；60s后产生归零脉冲，并向主 控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始5s计数 10 ；5s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器 进入状态S2，计数器开始50s计数；50s后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转 换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S3，计数器又开始5s计数；5s后同样产生 归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0， 开始新一轮循环。 根据以上分析，设60s、50s、5s计数的归零信号分别为A、B、C，则计数器的归零 信号L为： L=A+B+C (4.2-1) 考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将L取反后送到主控制器的CP端作为主 控制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器(74LS90)。图4.2- 1计数器。 图4.2-1 计数器(利用74LS90正计数功能) 4.3 控制信号灯的译码电路的真值表 主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为1， 灯灭为0，则控制信号灯的译码电路的真值表。 表4.3-1 控制信号灯的译码电路的真值表 11 主控制器状态主干道支干道 X1 X0 红灯R 黄灯Y 绿灯G 红灯r 黄灯y 绿灯g S0 0 0 S1 0 1 S2 1 0 S3 1 1 001 010 100 100 100 100 001 010 根据功能要求采用以下逻辑门电路构成：门电路是数字逻辑电路的基本组成单元 ，门电路按逻辑功能可分为：与门、或门、非门以及与非门、或非门、异或门、同或 门、与或非门。若按电路结构组成的不同，可分为立元件门电路、CMOS集成门电路、T TL集成门电路等。各种集成门电路通常都封装在集成芯片内。此次设计采用的集成电 路有74LS04、74LS00、74LS20引脚排列图如下图所示 这些集成电路的封装形式均为双列直插式。为双列直插式集成电路的右下方通常是地 线GND，左上方引脚一般是电源线VCC，其它引脚的用途如图中符号所示，每个集成电 路都有自己的代号，与代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途。如74LS00是二 输入端四与非门，它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门。74LS04、74LS0 0、74LS20引脚图如下图所示： 图4.4-1 74LS04六非门内部结构引脚图 12 图4.4-2 74LS00四入与非门内部结构引脚图 图4.4-3 7420四输出与非门内部结构引脚图 4.5 状态译码电路 根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图所示 。将状态控制器，状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制 电路，如图所示。 13 图4.5-1 态译码电路 5 译码显示电路 译码显示电路主要是由共阳极LED七段数码管，74LS247译码器组成。 5.1 共阳极LED七段数码管 数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电 平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。 此次设计采用的是共阳极连接如图 14 图5.1-1 共阳极数码管引脚图 图5.1-2 共阳极数码管接法 5.2 74LS247译码器 图5.2-1 74LS247管脚功能排列图 15 5.2.1 以下介绍各引脚的功能： 3脚是输入端,当时,a、b、c、d、e、f、g均输出为零,发光数码LT0LT 管各发光段全亮,显示8字用以检查数码管各发光段是否良好.当时,译码器按输1LT 入BCD码正常译码显示； 4脚灭灯输入端,当时,不论A,B,C,D,的输入状态如何,译码器的输BI0BI 出a、b、c、d、e、f、g均为高电平,显示器各段均不亮,只有时,译码器才根据A1BI 、B、C、D输入状而译码输出； 3脚灭零输入端,当时,若输入DCBA=0000,则输出不显示0,若输RBI0RBI 入为其它带码,则照常显示； 4脚灭零输出端,该端同端共用一个引脚,它既是灭灯输入端用来接 0 RBBI 收信号,又是灭零输出端输出信号,为相邻位提供灭零输入信号； 注:常用的七段显示器还加了小数点DP 分析:当编码器某一个输入信号为1而其它输入信号都为0时，则有一组对应 的数码输出，如 71时， 。输出数码各位的权从高位到低位分别为8、4、2、1；0111 0123 YYYY 5.2.2 数码连接译码电路 74LS247是一种BCD码输入端,其中D是高电位;a、b、c、d、e、f、g是输出端,输出 低电平有效,和共阳极半导体发光数码管各发光段的阴极引出线相互连接，下面是七段 数码显示器管脚接法，74LS247和数码管的管脚排列图: 16 图5.2.2-1 段数码显示器管脚接法 图5.2.2-2 码连接电路图 5.2.3 真值表 共阳极数码管0-9的数字显示真值表如下图所示 表5.2.3-1 七段显示译码电路真值表 输入输出字形 D C B Aa b c d e f g 0 1 2 3 4 5 6 7 17 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 8 9 6 555振荡器构成的秒脉冲电路 555定时器是种中规模集成电路，只要外部配上适当阻容元件，就构成脉冲产生和 整形电路。 6.1 555定时器的引脚 定时器555定时器内部结构和引脚排列图，如内部电路图，引脚排列图。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6.1-1 555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； 18 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； 3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。 表8.8-1 555定时器功能表，它全面表示了555的基本功能。 表8.8-1 55定时器功能表 输入输出 阀值输入触发输入复位输出放电管T X DD DD DD U U U 3 2 3 2 3 2 DD DD DD U U U X 3 1 3 1 3 1 0 1 1 1 0 1 0 不变 导通 截止 导通 不变 6.2 555定时器构成的多谐振荡器 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。如图6.2-1 555定时器采用555设计的多谐振荡器及其工作波形，其振荡频率与实际的数字钟频率 19 略有出入，但可以通过校时装置校时。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+3V的直流电源。只需在+VCC端接上+3V的电 源，就能在3脚产生周期性的方波。 图6.2-1 本次设计的秒脉冲电路图 6.3 555定时器工作原理 接通电后，它经过电阻和对电容C充电，当上升略高于时，比较器C 1 R 2 R C U CC U 3 2 1的输出为“0”，将触发器置“0”，为“0”。这时，1，放电管T导通，电容 0 UQ C通过和T放电，下降。当下降略低于时，比较器C2的输出为“0”，将 2 R C U C U CC U 3 1 触发器置“1”， 又由“0”变为“1”。由于0，放电管T截止，又经过和对电容C充电 0 UQ CC U 1 R 2 R 。如此重复上述过程，为连续的矩形波。 0 U 第一个暂稳状态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的 1P T C U CC U 3 1 CC U 3 2 (6.3-1)(7 . 02ln 21211 RRCRRTP 20 第二个暂稳状态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时间： 2P T C U CC U 3 2 CC U 3 1 (6.3-2)CRCRTP 222 7 . 0ln (6.3-3)CRRTTT PP )(7 . 0 2121 T T q CRRT f P1 21 )2( 43 . 1 1 由式可得,占空比大于总是%50。若设占空比=%50，又知交通信号灯的振荡周期是 1S，可得到本次所需要的元器件阻值： 5.1K 1 R 5.1K 2 R 100uF 1 C 0.01uF 2 C 7 组装和调试过程 在电路板上按整机框图把主控制器、计数器、信号灯译码器、数子显示译码器和 秒脉冲信号发生器焊接好然后按以下步骤进行调试： 秒脉冲信号发生器的调试，按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和分 频电路，使输出设计符合设计要求。 将秒脉冲信号送入主控制器的CP端，观察主控制器的状态是否是按00、01 、10、11、00的规律变化。 将秒脉冲信号送入计数器的CP端，接入主控制器的状态信号X0、X1，并把 主控制器的状态信号送入主控制器的CP端，观察计说器是否按60秒、5秒、50秒、5秒 、60秒循环计数。 把主控制器的状态转换信号X1、X0接至信号灯的译码电路，观察6个发光二 极管是否按设计要求发光。 整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作。 以上是本次设计的全过程，由以上分析知此设计所需材料有：3片74LS90、2片74L 21 S247和2个共阳数码管、1个555定时器、3片74LS04、2片74LS20、1片74LS00、21个1k 电阻、2个5.1k电阻。1个100UF电容、1个0.01UF 电容和导线若干。 8 结束语 通过此次交通控制信号灯的分析和设计，我深深感到学好数字逻辑电路的重要性 。这一次设计对我来说，感触最深的就是要想做好一个设计课题首先要对每一部分所 涉及的知识点掌握好，只有这样才能对设计做的得心应手。通过此次焊接使我的焊接 技术得到了加强，动手能力也有了进一步的提高，它锻炼了我的分析、设计动手的能 力，培养我思考问题的全面性。 在整个课程设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白 了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去 解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下 去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的 意见，这样做起事情来就可以事倍功半。 本课程设计的完成是在庄老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时老师 不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设 计的修改的整个过程中，花费了庄老师很多的宝贵时间和精力，在此向庄老师表示衷 心地感谢！老