课程设计---交通信号灯控制系统的设计.doc

目录目录 摘摘 要要3 3 关键词关键词3 3 引引 言言3 3 一、交通信号灯的设计目的以及要求一、交通信号灯的设计目的以及要求4 4 二二. .交通信号灯基本原理及设计方法交通信号灯基本原理及设计方法5 5 三、主控制器三、主控制器7 7 3.1 74LS90 引脚排列图与逻辑图.7 3.2 74LS90 的功能表及引脚功能.8 四、计数器四、计数器9 9 4.1 计数器的作用9 4.2 计数器的工作情况9 4.3 控制信号灯的译码电路的真值表.11 4.4 秒信号产生电路.12 五五. .译码显示电路译码显示电路1414 5.15.15.1 译码显示电路连接图译码显示电路连接图译码显示电路连接图.14 5.2 CD4511 译码器14 六六. .交通灯总体框图交通灯总体框图1717 七七. .组装和调试过程组装和调试过程1717 总总 结结1818 参考文献。参考文献。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。18 交通信号灯控制系统的设计交通信号灯控制系统的设计 摘摘 要要 随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯 (红、黄、绿三种标志)于 1918 年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽 约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。 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。 关键词关键词：控制器 计数器 信号灯 译码电路 引引 言言 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。 一、交通信号灯的设计任务以及要求一、交通信号灯的设计任务以及要求 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。 1.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； 2.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； 3.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。 4.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， 清晰； 5.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。 6.在实践中运用理论知识，培养实际动手能力； 7.主干道的通行时间长于支干道的通行时间； 8.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； 9.设计正计时 30s、20s 计时数码实现电路，要求每秒钟改变一次数字； 10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 30 秒；而 支干道通行时间为 20 秒。 二二.交通信号灯基本原理及设计方法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 3-1 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。 主主主 主主主 主 主 主 主 主 主 路口交通指挥系统示意图 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。 系统 主干道绿灯亮，支干道红灯亮 计数器由 N1 到 30 递增计数 主干道黄灯亮，支干道红灯亮 计数器由 N3 到 5 递增计数 主干道红灯亮，支干道绿灯亮 计数器由 N2 到 20 递增计 主干道红灯亮，支干道黄灯亮 计数器由 N3 到 5 递增计 S1 S2 S3 S0 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。 显示器 译码器 计数器 时钟信号发 生器 支干道 信号灯 信号灯 译码驱 动电路 主干道 信号灯 主控 电路 交通信号灯控原理电路框图 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 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 图所示。 S0S1 S2S3 30s 后 5s 后 20s 后 5s 后 状态转换图 三、主控制器三、主控制器 3.1 74LS90 引脚排列图与逻辑图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 4-1 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。 74LS90 管脚排列图 74LS90 Q AQ BQ CQ D R01 R02 S91 S92 CP0 CP1 主控制器的逻辑图 3.2 74LS90 的功能表及引脚功能的功能表及引脚功能. . 74LS90 功能表 输 入 输 出 清 0 置 9 时 钟 R0(1)、 R0(2) S9(1)、 S9(2) CP1 CP2 QD QC QB QA 功 能 1 1 0 0 0 0 0 0 清 0 0 0 1 1 1 0 0 1 置 9 0 0 0 1 QA 输出 二进制 计数 1 QDQCQB 输出 五进制 计数 QA QDQCQBQA 输出 8421BCD 码 十进制 计数 QD QAQDQCQB 输出 5421BCD 码 十进制 计数 0 1 1 不 变 保 持 如表 7 4LS90 功能表：7 4LS90 逻辑功能为 (1)计数脉冲从 CP1 输入，QA 作为输出端，为二进制计数器。 (2)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。 (3)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。 (4)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。 (5)清零、置 9 功能。 a) 异步清零 当 R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即 QDQCQBQA0000。 b) 置 9 功能 当 S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置 9 功能，即 QDQCQBQA1001。 四、计数器四、计数器 4.1 计数器的作用计数器的作用 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 30s、20s、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；30s 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；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 20s 计数；20s 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 30s、20s、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 其中： A=S0 QC2= QC2 B=S2 QB2 QA2= QB2 QA2 C=S1 QB1 QA1+S3 QB1QA1= X0 QB1 QA1 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(74LS192)。 图 5-1 计数器。 U5 AND2 U9 AND2 U17 OR2 U18 NOT U23 74LS192D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 4 15 24 31 33 5 U24 74LS192D A 15 B 1 C 10 D 9 UP 5 QA 3 QB 2 QC 6 QD 7 DOWN 4 LOAD 11 BO 13 CO 12 CLR 14 30 34 35 36 39 0 25 VCC 32 23 图计数器(利用 74LS192 减计数功能) 4.3 控制信号灯的译码电路的真值表控制信号灯的译码电路的真值表 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 2。对于信号灯的状态， “1”表示灯亮， “0”表示灯灭。 表表 2 信号灯信号的状态信号灯信号的状态 根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为： 主干道：主干道：； ； 21212 QQQQQR 12 QQY 12 QQG 支干道：支干道：； ； 21212 QQQQQr 12 QQy 12 QQg 由逻辑表达式可得状态译码器电路 主干道译码电路： U3 NOT U1 NOT U5 AND2 LED1LED2LED3 R1 5 R2 5 R3 5 789 U6 AND2 10 U7 AND2 11 0 U13 OR2 3 U8 AND2 U9 AND2 1314 20 5 支干道译码电路： LED4 LED5 LED6 U10 AND2 2 U12 AND2 12 U14 AND2 U15 AND2 U16 OR2 17 18 19 R4 5 6 R5 5 21 R6 5 22 0 16 4.4秒信号产生电路秒信号产生电路 产生秒信号的电路有多种形式，555 定时器在实际应用中，除了单一品种的电 路外，还可组合出很多不同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双 稳和无稳的组合等。利用 555 定时器构成的多谐振荡器，其管脚如下图 7 所示。 图 8 是利用 555 定时器组成的秒信号发生器及其产生的波形图。 图图 5 555 定时器的引脚图定时器的引脚图 VCC 5V R7 42.2k R8 51k C1 10uF C2 10uF VCC OUT U38 555_TIMER_RATED GND DIS RST THR CON TRI 0 29 28 27 VCC 图图 6 555 定时器组成的秒信号发生器及定时器组成的秒信号发生器及 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、TTL 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、74LS08、74LS32 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 74LS08 是二输入 端四与门，它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与门。 74LS04、74LS08、74LS32引脚图如下图所示： 图 74LS04 六非门内部结构引脚图 图 74LS08 四与门内部结构引脚图 图 74LS32 四或门内部结构引脚图 五显示电路五显示电路 51 译码显示电路连接图 U21 4511BD_5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 U22 4511BD_5V DA 7 DB 1 DC 2 DD 6 OA 13 OD 10 OE 9 OF 15 OC 11 OB 12 OG 14 EL 5 BI 4 LT 3 R9 390 R10 390 R11 390 R12 390 R13 390 R14 390 R15 390 40 41 42 43 44 45 R16 390 R17 390 R18 390 R19 390 R20 390 R21 390 R22 390 53 54 55 56 57 58 59 U19 A B C D E F G CK U20 A B C D E F G CK 46 47 48 49 50 51 52 60 61 62 63 64 65 66 38 0 5 52 2 CD4511CD4511 译码器译码器 图图 11 段锁存译码器段锁存译码器/驱动器驱动器 CD4511 管脚图管脚图 CD4511 引脚说明： A0 A3：并行数据输入端 ：输出消隐控制端BI LE：数据锁定控制 ：灯测试LI VDD：正电源 Vss：地 YaYb：数据输出端 功能表： 表表 5 段锁存译码器段锁存译码器/驱动器驱动器 CD4511 功能表功能表 3. 真值表 共阳极数码管的数字显示真值表如下表所示 表 七段显示译码电路真值表 六交通灯总体框图六交通灯总体框图 根据设计各部分功能可画出交通信号灯控制系统总体框图： 七七.组装和调试过程组装和调试过程 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： 1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。 2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、