电子类毕业论文《交通灯控制系统设计》.doc

本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 目录目录 摘摘 要要.2 2 关键词关键词.2 2 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.4 4 三、主控制器三、主控制器.6 6 3.1 74LS90 引脚排列图与逻辑图.6 3.2 74LS90 的功能表及引脚功能.7 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 .10 4.4 置数电路 .11 4.5 状态译码电路 .12 五五. .译码显示电路译码显示电路.1313 5.15.15.1 共阳极共阳极共阳极 LED 七段数码管 .13 5.2 74LS247 译码器.14 六六.555.555 振荡器构成的秒脉冲电路振荡器构成的秒脉冲电路 .1616 6.1 555 定时器的引脚.17 6.2 555 定时器构成的多谐振荡器.18 6.3 555 定时器工作原理.19 七、交通灯信号灯控制总体框图七、交通灯信号灯控制总体框图.2020 八八. .组装和调试过程组装和调试过程.2121 总总 结结.2323 参参 考考 文文 献献.2323 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 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 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 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。 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 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 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 60s、50s 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 60 秒；而支干道通行时间为 50 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。 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 七七七 七七七 七 七 七 七 七 七 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。 主干道绿灯亮，支干道红灯亮计数 器由 N1 到 60 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 50 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 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。 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 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、S1、S2、S3。状态转换图如 图所示。 S0S1 S2S3 60s 后 5s 后 50s 后 5s 后 状态转换图 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 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 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 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 1 QA 输出 二进制 计数 1 QDQCQB 输出 五进制 计数 0 0 0 0 QDQCQBQA 输出 8421BCD 十进制 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 QA 码 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 (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 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 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 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 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 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(74LS90)。图 5-1 计数器。 74LS90 Q0Q1Q2Q3 CP0 CP1 R0R1 S0 S1 74LS90 Q0Q1Q2Q3 CP0 CP1 R0R1 S0 S1 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: 图 段数码显示器管脚接法 a bf c g d e VCC 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp 9 BIN/7-SEG T1 1 4 & 5 CT=0 3 G21 V20 7 1 1 2 2 4 6 8 13 a 20,21 12 b 20,21 11 c 20,21 10 d 20,21 9 e 20,21 15 f 20,21 14 g 20,21 74LS247 VCC GND 0.1K VCC 5V5V LE D七七七七七 . 图 码连接电路图 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 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 六六.555 振荡器构成的秒脉冲电路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的引脚 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。 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 图 555 的内部电路图 555 定时器引脚排列图 555 定时器个引线端的用途如下： 11 端为接地线； 22 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； 33 端 U0为输出端； 44 端是复位端，当=0 时，基本触发器直接置 0，使 Q=0，=1； 53 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； 66 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 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 U0=0； 77 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； 88 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 7-1 555 定时器功能表，它全面表示了 555 的基本功能。 55 定时器功能表 6.2 555 定时器构成的多谐振荡器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 7-3 555 定时器图 7-4 波形图采用 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。 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 图 本次设计的秒脉冲电路图 图 波形图 6.3 555 定时器工作原理定时器工作原理 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 C1 的 输出为“0” ，将触发器置“0” ，为“0” 。这时， 1，放电管 T 导通，电容 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” ，将触发器置 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 “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。如此重复上述过程，为连续的矩形波。 第一个暂稳状态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的 （）Cln20.7（）C 第二个暂稳状态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时间： Cln20.7C 振荡周期 T=+0.7(2)C 振荡频率 占空比 q =tp1 T 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： .R15.1K R25.1K C1100uF C20.01uF 七、交通灯信号灯控制总体框图七、交通灯信号灯控制总体框图 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： 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 RoA RoBS9AS9B QDQCQBQA 74LS90 CP1 CP0 RoA RoBS9AS9B QDQCQBQA 74LS90 CP1 CP0 74LS24774LS247 a b c d e f g a b c d e f g RoA RoBS9AS9B QDQCQBQA 74LS90 CP1 CP0 R? 1K R? 4K7 R? 4K7 R? 4K7 R? 1K R? 1K R? 1K R? 1K R? 4K7 R? 4K7 R? 4K7 R? 1K R? 1K R? 1K & 1 & & & 1 1 11 1 1 1 R? 1K R?1K 555 1 1 & & & 1 & 1 1 X0X1X0 X1X0 1GND 8VCC 6 TH 2 TR 7 D 5 CO 3 OUT 4 R 图 交通信号灯控制系统总体框图 八八.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、01、10、11、00的规律变化。 3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 本文档系作者精心整理编辑，实用价值高。 本文档系作者精心整理编辑，如有需要，可查看作者文库其他文档。 器的状态信号送入主控制器的