电子系统设计交通灯设计.doc

齐鲁理工学院 电子系统设计 设 计 项 目 交通灯的设计 学 院 机电工程学院 专 业 电子信息工程 班 级 2012级 学 生 姓 名 季超 学 号 201212301024 摘要在现代城市中，人口与汽车增长飞速，市区交通也日益拥挤，大家的安全问题也日益重要。因此，交通信号灯成为交通部门管理交通的重要工具之一。交通信号灯常用与交叉路口，用来控制车的行驶，提高交叉口车辆的通行顺畅能力，减少交通事故的发生。有了交通灯，人们的出行安全问题有了很大的保障。交通灯主要由控制器、秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路及信号灯组成。控制器由74LS153与74LS74来实现，脉冲发生器用555定时器组成秒脉冲信号发生器，计数器采用两个74LS190D来实现，显示电路经过74LS192的倒计数、七段显示译码器7447及七段数码显示器连接起来实现。控制器通过RT对定时器进行控制，从而实现数字的显示及绿、黄、红灯的转换。目录摘要1第一章 交通灯背景31.1交通灯历史31.2交通灯的出现41.3交通灯的意义5第二章 系统概述62.1系统概述：62.2交通灯逻辑分析：62.3总体设计方案：6第三章 单元电路设计93.1，秒脉冲信号发生器的设计：93.2，定时器的设计103.3，控制器的设计133.4显示电路设计14第四章 软件设计164.1 主程序流程图164.2 初始化程序184.3 延时程序184.4 源程序18参考文献21第一章 交通灯背景1.1交通灯历史当今，红绿灯安装在各个道口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。但这一技术在19世纪就已出现了。1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。1968年，联合国道路交通和道路标志信号协定对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口电子技术的飞速发展，给古老的锁具生产带来了巨大的变革，现代的电子技术与机械技术相结合，产生了一大批先进的电子类产品。尤其是单片机的发展异常迅速。由于单片机的特殊结构形式，在某些应用领域中，它承担了一些通用的微型计算机无法完成的工作，它是一种高性能，低价格的处理器。集成度高，体积小，可靠性高，控制功能强，电压低。由于单片机具有这些特点，在人类的生活应用中得以十分广泛1.2交通灯的出现 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。 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。1.3交通灯的意义当前，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。这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。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检测、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。第二章 系统概述2.1系统概述： 系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器、信号灯显示器五大部分组成。其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号，通过定时器向控制器发出三种定时信号，使相应的发光二极管发光。译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，分别产生三种倒计时时间显示，控制器根据定时器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。2.2交通灯逻辑分析： 图一表示位于主道和支道的十字路口交通灯系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，绿灯表示允许车辆通行，红灯表示禁止通行，黄灯为过渡灯，表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。2.3总体设计方案： 图一为交通灯的一个整体设计框图。系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。 图中L、S、Y为定时器的输出信号，T为控制器的输出信号。R、G、Y分别表示主干道绿、 黄、红三色灯，r、g、y分别表示支干道绿、黄、红三色灯。当某车道绿灯亮时，允许车辆通行，同时定时器开始计时，当达到指定时间时，L输出为，否则L输出为；当某车道黄灯亮后，定时器开始计时，当计时到秒时，Y输出为，否则Y；当某车道红灯亮时，定时器开始计时，当计时到指定时间时，S输出为，否则S。因此，用定时器分别产生三个时间间隔后，向控制器发出“时间已到”的信号，控制器根据定时器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号ST，定时器开始清零，准备重新计时。 图一 交通灯系统框图控制器的控制过程分为四个阶段，各自对应的输出有四种状态，这里分别用K0、K1、K2、K3表示。 K0状态：主道绿灯亮，支道红灯亮，此时主道允许通行，支道禁止通行。当主道绿灯亮30s后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。 K1状态：主道黄灯亮，主道红灯亮，此时主道允许超过停车线的车辆继续通行，而未超过停车线的车辆禁止通行，支道禁止车辆通行。当主道黄灯亮5s后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。 K2状态：主道红灯亮，支道绿灯亮。此时主道禁止通行，支道允许通行，当支道绿灯亮30s后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。 K3状态：支道红灯亮，支道黄灯亮。此时主道禁止通行，支道允许超过停车线的车辆通行，而未超过停车线的车辆禁止通行。当支道红灯亮5s后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态-K0状态。 K0、K1、K2、K3状态分别分配状态编码为00、01、11、10，由此得到控制器的状态，如表1所示。状态主干道支干道时间（s） K0 绿灯亮，允许通行 红灯亮，禁止通行 30K1黄灯亮，停车红灯亮，禁止通行5K2红灯亮，禁止通行绿灯亮，允许通行30K3红灯亮，禁止通行黄灯亮，停车5表1 状态转换表第三章 单元电路设计3.1，秒脉冲信号发生器的设计：这次设计采用555定时器组成秒脉冲信号发生器。主要连接图如下，NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。3.2，定时器的设计设计中计数器采用集成电路两个74LS190D。74LS190是10位二进制同步计数器，190 的预置是异步的，它具有清零、置数的功能。当置入控制端为低电平时，输出端即可预置成与数据输入端相一致的状态。190 的计数是同步的，靠CP 加在4 个触发器上而实现。当计数控制端为低电平时，在CP 上升沿作用下输出端同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制为低电平时进行加计数，当计数方式控制为高电平时进行减计数。74LS190D的外引线排列图74LS190时序波形图 74LS190D功能表输入输出CLKU/DLOADABCDRCOQAQBQCQD000000100001101000100010011000100001图为计时器的构成（两个74ls190D）3.3，控制器的设计控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。选用两个D触发器74LS74做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1 00状态时，如果TL 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项X表示。其余情况依次类推，就可以列出了状态转换信号ST。控制器状态转换表如表2所示：输入输出现态状态转换条件次态状态转换信号Q1nQ0nTlTyQ1n+1Q0n+1ST000x000001x01101x001001x1111110x110111x10110x010010x1111根据上表可以推算出状态方程和转换信号方程，将Q1n+1、Q0n+1和 ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中1表示原变量，0表示反变量，即可得到下面的方程： Q1n+1=Q1nQ0nTy+Q1nQ0n+Q1nQ0nTy Q 0n+1=Q1nQ0nTl+Q1nQ0n+Q1nQ0nTl ST=Q1nQ0nTl+Q1nQnTy+Q1nQ0nTy 由此，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号即可实现控制器的功能。 3.4显示电路设计 采用74LS192进行减计数，然后将输出接到七段显示译码器上。当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS192以减法计数方式工作，从数字“24”开始往下减，当减法计数到“4”时，南北方向绿灯灭，黄灯闪耀，当计数到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯灭的信号（EWR=0），使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使东西方向的减法计数器开始工作。 在减法计数开始之前，有黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，图中接入U/D和LD的信号就是有黄灯亮（为高电平）时，置入数据。黄灯灭（Y = 0），而红灯亮（R = 1）开始减计数。74192工作状态（个位）7419277419267419227419237419274192B数码管000000000110001020001130010040010151011060011170100080100190 74192(2)工作状态（十位）7419277419267419227419237419274192B数码管000000000111第四章 软件设计4.1 主程序流程图4.2 初始化程序单片机上电时I/O口默认为高点平，需要在进入主函数时对P1进行附初值。因本系统中LED低电平时点亮，故给P1都赋值0xff，使LED全灭。程序中用到外部中断0和外部中断1，需要初始化，开总中断、开外部中断0和外部中断1，还需要选择触发方式，本系统中断中选择下降沿触发。4.3 延时程序延时可有两种途径实现：软件延时和单片机内部的定时/计数器延时。软件延时不占用硬件资源，但占用了CPU时间，降低了CPU的利用率。定时/计数器延时不占用CPU时间，但占用了硬件资源。本系统采用定时器延时，单次延时时间为50ms，晶振12MHz。4.4 源程序ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0100HMAIN: MOV SP,#60H; LCALL DIR ;调用日期、时间显示子程序LOOP: MOV P1,#0FFH LJMP TEST LCALL ROAD1 ;路口1的车直行时各路口灯亮情况 LCALL DLY30s ;延时30秒 MOV P1,#0FFH ;恢复P1口高电平 LCALL RESET ;恢复8155各口为高电平 LCALL YELLOW1 ;路口1的车直行-路口2的车直行黄灯亮情况 LCALL DLY5s ;延时5秒 LCALL RESET ;恢复8155各口为高电平 MOV P1,#0FFH ;恢复P1口 LCALL ROAD2 ;路口2的车直行时各路口灯亮情况 LCALL DLY30s ;延时30秒 LCALL RESET ;恢复8155A 、B口为高电? MOV P1,#0FFH ;恢复P1口高电平 LCALL YELLOW2 ;路口2的车直行-路口3的车直行黄灯亮情况 LCALL DLY5s ;延时5秒 LCALL RESET ;恢复8155A 、B口为高电? MOV P1,#0FFH ;恢复P1口高电平 LCALL ROAD3 ;路口3的车直行时各路口灯亮情况 LCALL DLY30s ;延时30秒 LCALL RESET ;恢复8155A 、B口为高电? MOV P1,#0FFH ;恢复P1口高电平 LCALL YELLOW3 ;路口3的车直行-路口4的车直行黄灯亮情况 LCALL DLY5s ;延时5秒 LCALL RESET ;恢复8155各口为高电平 MOV P1,#0FFH ;恢复P1口高电平 LJMP TEST LCALL ROAD4 ;路口4的车直行时各路口灯亮情况 LCALL DLY30s ;延时30秒 SETB P1.5 ;恢复P1.5高电平 SETB P1.4 ;恢复P1.4高电平 MOV DPTR,#0FFFFH ;恢复8155各口为高电平 LCALL YELLOW4 ;路口4的车直行-路口1的车直行黄灯亮情况 LCALL DLY5s ;延时5秒 SETB P1.6 ;恢复P1.6高电平 SETB P1.3 ;恢复P1.3高电平 MOV DPTR,#0FFFFH ;恢复8155各口为高电平 LJMP LOOP;路口1的车直行时各路口灯亮情况3a3b2p绿3c红+4a4b4c3p全红+1c绿1a1b4p红+2c绿2a2b1p红ROAD1: MOV DPTR,#7F00H ;置8155命令口地址；无关位为1）