电子技术课程设计-交通信号灯控制系统设计.doc

交通控制电路目录目录- 1 -交通信号灯系统设计- 2 -一设计任务和要求- 1 -1.1设计任务- 1 -1.2技术指标- 1 -1.3题目评析- 2 -二 方案比较与论证- 2 -2.1方案一- 2 -2.2方案二- 9 -2.3方案三- 11 -2.4方案选择- 11 -三设计的方案的总体思路- 12 -3.1时钟信号发生器电路设计- 12 -3.2定时器设计- 13 -3.3控制器电路设计- 14 -3.4信号灯电路设计- 19 -四系统仿真- 19 -4.1系统仿真原理图- 20 -五系统的调试组装- 20 -5.1系统PCB图- 21 -六参考文献- 22 -七附录- 23 -致谢- 24 -交通信号灯控制系统设计全套设计加扣3012250582 摘要:本课题是以multisim11为工作平台调试设计与仿真分析一款交通信号灯的控制系统的详细过程。利用multisim11软件，自主编写应用程序，设计一款交通信号灯的控制系统。目前，国内对交通信号灯控制系统的传统的设计应用中，完全由纯硬件组成的电路还是过于复杂，调试比较麻烦，故障点比较多，系统的稳定性也不太确定。传统的基于单片机技术交通信号灯控制系统稳定性不好，一些元件不稳定，抗干扰性不足。同时，普通的用单片机技术进行交通信号灯管理系统开发，实验速度较慢、电子元器件库比较小、版本较老。本课题利用Multisim 11 对十字路口交通灯控制器各个单元电路和整体电路的设计和仿真。该课题完成了设计一款交通信号灯的控制系统，并仿真实现十字路口交通信号灯交替点亮，对构建实际电路有指导意义。这样能降低了成本,大大提高了教学和专业设计的效率。该系统功能灵活，其实验成本低、速度快、效率高。本课题的研究将有助于改善城市交通拥挤状况、减少交通事故的发生率、车辆的出行时间及成本。本设计由两个主要部分组成电路设计部分和仿真分析部分。整个系统由秒脉冲发生器模块、交通信号灯状态控制器模块、交通信号灯显示电路模块、交通信号灯定时电路模块组成。本设计运用的是NI公司的Multisim 11.0.1软件进行编程，自主开发。关键词：虚拟仪器，Multisim，交通信号灯- 3 -一设计任务和要求1.1设计任务目前，国内对交通信号灯控制系统的传统的设计应用中，完全由纯硬件组成的电路还是过于复杂，调试比较麻烦，故障点比较多，系统的稳定性也不太确定。正是由于纯硬件电路的这些缺陷才推动了现代电子的迅猛发展，无论是单片机、PLC还是Multisim都是尽量减少电路中的硬件部分，尽可能地将需要硬件电路完成的任务以编程的方式解决并灌入可定义的芯片中，软件与硬件相结合，这无疑是现代电子的发展方向。1.2技术指标十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。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。故本设计如下： 1主、支干道交替通行，设主干道通行时间为25s，干道通行时间为25s。 2绿灯亮表示可通行，红灯亮表示禁止通行。 3每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s（此时另一干道上的红灯不变）。 4主干道交替允许通行，主干道每次放行25s、支干道25s。设计25s计时显示电路。5在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s的黄灯作为过渡，以使行驶中德车辆有时间停到禁止线以外，设置5s计时显示电路。如图图1-1 十字路口交通信号灯控制示意图随着社会生产力的不断发展和人类社会的不断进步,各国特别是像我国这样的发展中国家城市化水平会越来越高,城市交通问题会越来越严重,严重的堵车现象是每个人有目共睹和亲身体验的。究其原因，主要有：或是现行路网的通行能力不够，或是现行路网的道路定向不合理，或是由于对交通流的管理控制不力。解决城市交通问题的根本途径有两条:一是加快交通设施建设;二是加强交通管理。然而在城市内修建或扩建已有道路的可能性越来越小，因而加强对现有道路的合理利用以及对交通信号灯的有效控制和管理成为改善交通状况的重要途径1。1.3题目评析本课题将根据十字路口的通行效率对交通信号灯进行优化管理，课题将通过虚拟仪器平台对所设计的交通信号灯管理系统进行仿真。利用Multisim 11 对十字路口交通灯控制器各个单元电路和整体电路的设计和仿真,在电路设计仿真完成之后再构建实际电路,从而降低了成本,大大提高了教学和专业设计的效率。本课题的研究将有助于改善城市交通拥挤状况，减少交通事故的发生率，节约人员、车辆的出行时间及成本。因此，基于虚拟仪器的交通信号灯管理系统开发具有非常重要的现实意义。本课题是以multisim11为工作平台调试设计与仿真分析一款交通信号灯的控制系统的详细过程。利用multisim11软件，自主编写应用程序，设计一款交通信号灯的控制系统。该系统功能灵活，可塑性强，新颖且可行。与传统交通信号灯控制系统的仿真模拟和调试的方法费工费时、工作效率低相比，其实验成本低、速度快、效率高。二 方案比较与论证2.1方案一完成交通灯的变化规律，即一个十字路口为东西向和南北向，四个路口均有红黄绿三灯和两个LED数码显示管。交通灯上电以后进入初始状态即东西红灯，南北红灯。5s后转状态1：南北绿灯亮通车，东西红灯亮，禁止通行，持续30s；30s后转状态2：南北绿灯灭转黄灯闪亮，延时5秒，东西仍然红灯；5s后转状态3：东西绿灯亮通车，南北转红灯，持续30s；30s后转状态4：东西绿灯灭转亮黄闪灯，延时5秒，南北仍然红灯。最后循环至状态1。 用8个LED数码管（各个方向均有两个LED数码管，分别表示各位是和十位）显示倒计时。倒计时用于提醒驾驶员或行人信号灯发生改变的时间，以便他们在“停止”和“通行”两者作出合适的选择。 1.3在紧急状态下，通过K1键手动设置，将所有路口的灯变为红灯。按照系统设计的要求和功能，将系统分为主控模块、LED显示模块、电源电路、复位电路、晶振电路、驱动电路等几个模块，系统组成框图如图1所示。主控模块采用AT89S52单片机，显示模块采用七段共阴LED数码管。A道LED显示电路红黄绿灯显示电路电源电路复位电路AT89S52单片机晶振电路A道LED显示电路红黄绿等显示电路按键电路2.1.1电路原理图基于AT89S52单片机涉嫌交通灯系统硬件电路原理图，由于单片机需要高稳定、高频率的实基脉冲，因此需要晶体振荡器。AT89S52在XTAL1、XTAL2两引脚接晶体振荡器。在晶体振荡器的两端并联两个电容C1、C2均为30Pf,对振荡器频率有微调作用，振荡范围为1.212MHz。时间倒计时显示电路采用4个两位共阴极LED显示。排电阻RP1用于单片机P0口的上拉电阻2.1.2元件清单基于AT89S52单片机数显交通灯元件清单如下表所示：元件名称型号数量/个用途单片机AT89S521控制核心交通灯红黄绿三色6红黄绿灯显示电源+5V/1A1提供+5V电源晶振12MHz1晶振电路电容30pF2晶振电路电解电容20f/10v1复位电路排电阻10k1上拉电阻数码管2位共阴4显示电路按键4按键电路电阻1 k1上拉电阻电阻10k4复位电阻2.1.3软件设计程序流程图南北方向为A道，东西方向为B道。程序分主程序和中断程序，可采用汇编语言编程，计时采用延迟程序进行，延迟程序的执行时间为1s（若单片机的晶振频率为6MHz），用特殊功能寄存器PSW的第6位FO(PSW15)作A、B通道的放行标志，PSW15=0时，A道放行；PSW15=1时，B道放行。工作寄存器R4作为计数器（对1s计数）。A道放行时，R4中存放立即数#1EH(相当于十进制数30)，R4计数30次时，A道放行正好30s；B道放行时，R4中存放立即数#1EH(相当于十进制数30)，R4计数30次时，B道放行正好30s。还可以根据控制过程中的实际情况来改变R4中的数据，就能改变A、B通道的放行时间。紧急车辆通过的处理用中断服务程序来控制。主程序流程图如图2所示。开始A道直行，B道红灯全亮延时30sA道直行黄灯亮，B道红灯亮延时5sB道直行，A道红灯全亮延时30sB道直行黄灯亮，A道红灯亮延时5s2.1.4程序清单基于AT89S52单片机的数显交通灯程序清单如下： SNE EQU 00H ；南北通行标志位 EWF EQU 01H ；东西通行标志位 URF EQU 02H ；紧急事件标志位 ORG 0000H LJMP MAIN ；上电转主程序 ORG 000BH ；定时中断入口 ORG 0003H ；紧急中断入口 LJMP URZD ORG 0030H MAIN: LCALL INIT ；调用初始化子程序LOOP: LCALL DIS ；循环执行显示子程序 AJMP LOOP INIT: SETB SNF SETB EWF SETB URF MOV R2，#20 ；定时器中断20次为1秒 MOV TMOD,#01H ；初始化定时器 MOV TLO,#OBOH MOV THO,#3CH SETB EA ；开定时中断与紧急中断 SETB ETO SETB TRO SETB EXO SETB ITO ；设置中断程控方式 MOV DPTR,#TAB ；数值首地址放入DPRT中 MOV 4OH,#40 ；东南西北通行时间设置 MOV 41H,#40 MOV 30H,#40 MOV PO,#4CH ；初始化时南北通行并把交通；灯状态分别放在32H和33H中 MOV 32H,#4CH MOV P2，#15H MOV 33H,#15H RET DIS: MOV P3，#ODFH ；选中南北方向的十位数码管 MOV A,3OH ；把显示数据送入数码管显示 MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV PL,A LACLL DIMC MOV P3，#OEFH ；选中南北方向的各位数码管 MOV A,B ；送入数码管显示 MOVC A,A+DPTR MOV PL,A LCALL D1MS MOV P3，#7FH ；选中东西方向的十位数码管 MOV A，31H ；送入数码管显示 MOV B,#10 DIV AB MOVC A,A+DPTR MOV PL,A LCALL D1MS MOV P3，#OBFH ；选中东西方向的各位数码管 MOV A,B MOVC A,A+DPTR MOV PL,A LCALL D1MS SETP P3.0 SETP P3.1 JNB P3.O,DIS_S ；查询是否第一个按键按下 JNB P3.1,DIS_E ；查询是否第二个按键按下 AJMP DIS_R ；没有建按下则返回DIS_S: LCALL D5MS ；按键去抖 JNB P3.O,DIS_SN AJMP DIS_R DIS_SN: MOV 40H,#30 ；对通行时间重新分配，南北通；行时间加长 MOV 41H,#50 DID_R:RET DS_C:LJMP DS_R ；接力跳转DSZD:PUSH ACC ；保护现场 PUSH PSW CLR TRO ；关定时器及中断标志位并重新；赋值 CLR TFO MOV TLO,#OBOH MOV THO#3CH DJNZ R2，DS_C ；判断1ms时间是否到达 MOV R2，#20 ；到达重新赋值 DEC 30H ；南北方向通行时间减1 MOV A,30H ；把减1后的时间送入显示存；储单元 ；南北通行到达最后4秒是黄；灯闪烁DS_10： CJME A,#4，DS_11 ；如果通行时间剩余4秒 JNB SNF,DS_11 ；判断是否南北通行 MOV PO,#8AH MOV 32H,#8AH ；把交通灯状态存入存储单元 DS_11：CJNE A,#3，SD_12 ；不是剩余3秒，返回 JNB SNF,DS_12 ；不是南北通行时间，返回 MOV PO,#88H MOV 32H,#88H DS_12:CJNE A,#2,SD_13 JNB SNF,DS_13 MOV PO,#8AH MOV 32，#8AH DS_13:CJNE A,#1，DS_14 JNB SNF,DS_14 MOV PO,#88H MOV 32H,#88H DS_14:JNZ DS_NE ；通行时间没有结束转向改变；东西方向的数码管 CPL SNFH ；如果通行时间结束则对标致；位取反 JNB SNF,DS_1 ；判断是否南北通行 MOV 30H,40H ；是，点亮相应的交通得灯 MOV PO,#4CH MOV 32H,#4CH ；存储交通灯状态 MOV P2，#15H MOV 33H,#15H ；存储交通灯状态 DS_NE:DEC 31H ；东西方向通行时间减1 MOV A,31H ；把通行剩余时间送入显示存；储单元 ；东西方向通行时间剩余4s黄；灯闪所（程序注释与南北方；向类似，略） DS_20:CJNE A,#4,DS_21 JB EWF,DS_21 MOV PO,#51H MOV 32H,#51H DS_21:CJNE A,#3,DS_22 JB EWF,DS_23 MOV PO,#41H MOV 32H,#41H ORG 0003H DS_22:CJNE A,#2,DS_23 JB EWF,DS_23 MOV PO,#51H MOV 32H,#51H DS_23:CJNE A,#1，DS_24 JB EWF,DS_24 MOV PO,#41H M0V 32H,#41H DS_24:JNZ DS_R ；东西方向时间没有结束，返回 CPL EWF ；对通行状态取反 JNB EWF,DS_2 ；东西方向通行时间到来，跳转 MOV 31H,#80 ；东西方向通行时间结束，重新；显示时间 MOV PO#89H ；点亮相应的交通灯 MOV 32H,#89H MOV P2，#29H MOV 33H,#29H AJMP DS_R DS_1：MOV 30H,#80 ；南北通行时间结束，重新对；显示存储单元赋值 MOV PO,#89H ；直行转弯状态1 MOV 32H,#89H MOV P2，#26H MOV 33H,#26H AJMP SD_NE DS_2:MOV 31H,41H ；东西方向开始通行，赋值欲；显示存储单元 MOV PO,#61H ；点亮相应的交通灯 MOV 32H,#61H MOV P2，#15H MOV 33H,#15H DS_R:SETB TRO POP PSW ；回复现场 POP ACC URZD:PUSH ACC ；保护现场 PUSH PSW CLR IEO ；清楚中断标志位 CLR TRO ；关定时器 CPL URF ；紧急事件标志位 JB URF,UR_CON ；紧急结束；跳转 MOV PO,#49H ；各路口灯全显示红灯亮 MOV P2,#15H AJMP UR_R UR_CON:SETB TRO ；恢复正常交通 MOV A,32H MOV PO,A MOV A,33H MOV P2，A UR_R:POP PSW ；恢复现场 POP ACC PETI TAB:DB 3FH, 06H, 5BH, 4FH, 66H, 6DHDB 7DH, 07H, 7FH, 6FH D5MS:MOV R7，#5 D1MS:MOV R7，#10 MOV R6，#50 L1： DJNZ R6，S DJNZ R7，L1 RET END 2.2方案二十字路口的交通信号灯是我们每天出行时都会遇到的，信号灯指挥着行人和各种车辆安全有序的通行。实现红、绿灯的自动控制是城市交通管理现代化的重要课题，合适的信号灯控制系统可以提高城市交通的效率。要求正方向为绿灯通行时，支路方向为红灯，绿灯显示时间为25S，接着主路黄灯开始闪烁，闪烁时间为5S，然后主路的信号灯变为红灯同时支路信号灯转为绿灯。交通信号灯控制系统的技术指标1、秒振荡电路应能输出频率分别为为 1Hz 和 5Hz、幅度为 5V 的时钟脉冲，要求误差不超过 0.1S。为提高精度，可用 555 设计一个输出频率为 100Hz 的多谐振荡器，再通过 100 分频（100 进制计数器）而得到 1Hz 的时钟脉冲，通过 20分频得到 5Hz 的时钟脉冲。 2、计数器电路应具有 60 秒倒计时 （计数范围为 601 减计数器）、 30 秒倒计时 （计数范围为 301 减计数器）以及 3 秒计时功能。此三种计数功能可用 2 片十进制计数器组成，再通过主控制电路实现转换。 3、各个方向的倒计时显示可共用一套译码显示电路，需 2 片 BCD 译码器和 2 个数码管。 4、主控制电路和信号灯译码驱动用各种门电路和 D 触发器组成，应能实现计时电路的转换、各方向信号灯的控制。 如下图译码显示 译码显示 主控制电路信号灯译码驱动器 震荡电路计数器电路 首先分析十字路口交通信号灯工作的实际各种可能状态。根据设计要求，因主干道和支干道各有3种灯（红、绿、黄），它们在正常工作时，亮灯的组合只有4种可能。制作成顺序制将各信号灯的工作作成流程图，如图4-2所示。l 主绿灯亮，支红灯亮，主干道通行。l 主黄灯亮, 支红灯闪烁，主干道停车。l 主红灯亮, 支绿灯亮，主支道通行。l 主红灯闪烁, 支黄灯亮，主干道停车。图4-2信号灯的工作顺序流程图信号灯4种信号灯四种不同的工作状态分别用S0（主绿灯亮, 支红灯亮）、S1（主黄灯亮, 支红灯闪烁）、S2（主红灯亮, 支绿灯亮）、S3（主红灯闪烁, 支黄灯亮）表示，其状态编码及状态转换图如图4-3所示。图4-3交通信号灯状态编码及状态转换2.3方案三1.用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。2.当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯，而支干道允许亮绿灯时，主干道亮红灯。3.主干道交替允许通行，主干道每次放行25s、支干道25s。设计25s计时显示电路。4.在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s的黄灯作为过渡，以使行驶中德车辆有时间停到禁止线以外，设置5s计时显示电路。根据设计任务与要求,我们可以知道这个交通灯的设计是分主次干道的,但两个方面的时间是相同的,每次放行25s,这就要求我们要有一个计数器,用两片74LS192芯片来构成对应进制的计数器。在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s的黄灯作为过渡，需设计一个5s的倒计时。交通灯控制结构图2.1如下：主干道信号灯支干道信号灯主控制器时钟信号计时器图2.1交通灯控制结构图2.4方案选择 对于以上两种方案来说，第一种方案运用单片机和汇编语言共同完成对电路的控制，但是基于multisim中实行起来比较复杂。第二第三种方案较为相似，就结构图而言第三种方案更为直观，因此选择第三种方案。三设计的方案的总体思路 根据设计任务与要求,我们可以知道这个交通灯的设计是分主次干道的,但两个方面的时间是相同的,每次放行25s,这就要求我们要有一个计数器,用两片74LS192芯片来构成对应进制的计数器。在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5s的黄灯作为过渡，需设计一个5s的倒计时。3.1时钟信号发生器电路设计产生稳定的“秒”脉冲信号，确保整个电路装置同步工作和实现定时控制。即可选择555定时器组成多谢振荡器产生1Hz的脉冲。采用555定时器构成多谐振荡器产生周期为1s，其频率为1Hz的脉冲。 由公式 T=0.7(R1+2R2)C采用滑动变阻器R可调占空比，可取C=10uF,R1=1k,R2=30k，滑动变阻器R=47K，带入公式可得f约等于1Hz。其原理图如下图3-1时钟生成电路可显示输出波形如下图3-2生成信号波形图3.2定时器设计定时器实质上是对秒脉冲的计数。由于交通灯是按倒计时显示的，所以使用倒计时计数芯片。所谓倒计时计数是指进行减计数。这里我们采用功能强大的74LS192n芯片。它是一块可预置数可逆计数芯片。由于显示2位数，我们需要采用两片74LS192级联构成。当减到00时，让芯片置成25，这样第00秒将显示25，而不显示00。我们注意到十位显示只显示0、1、2，数25。从74LS192的时序逻辑图中可以看出，它是在计数脉冲的升沿时进行的相应动作，所以当它置数后要等到下一秒钟的上升沿到来时再进行一次减计数。在multisim选出元件74LS192N。图3-3 74LS192NLOAD:置数端； CLR：异步清零端； UP：加法计数； DOWN:减法计数； BO：借位； CO：进位； A B C D：输入端； QA QB QC QD：输出端。级联两片可得如下图图3-4定时器电路图3.3控制器电路设计控制器是交通灯控制电路的核心。通过主控制计数器（74LS160）控制电路的运作和红绿黄灯三种信号灯的转换，用两条Q1Q0输出取四种状态。采用译码器（74LS138）译码。减法计数器的十位和个位分别接译码器和静态数码管来显示时间的倒计时。通过电路与静态显示管来循环显示25,5,25,5这四个数。通过74LS160控制主支干道红绿黄灯亮灭的四种状态： 主干道绿灯亮和支干道红灯亮，主干道通行，启动25s定时器，状态为S0； 主干道黄灯亮和支干道红灯亮，主干道停车，启动5s定时器，状态为S1； 主干道红灯亮和支干道绿灯亮，支干道通行，启动25s定时器，状态为S2； 主干道红灯亮和支干道黄灯亮，支干道停车，启动5s定时器，状态为S3。 令灯亮为“1”，灯灭为“0”，主干道红绿黄等分别为A、B、C，支干道红绿黄等分别为E、F、G，主支方向干道交通信号灯的工作是同时进行的。前25秒主干道绿灯亮支干道红灯亮，之后5秒南主干道黄灯亮，支干道红灯亮，之后25秒主干道红灯亮。支干道绿灯亮，接着5秒主干道红灯亮，支干道黄灯亮，一次循环为60秒。流程图如下25S5S25SS4状态5SS1状态S2状态S0状态图3-5控制器流程图3.3.1信号灯译码电路真值表如下表3-1 输入输出Q1Q0ABCEFG00010100010011001010001011100001由真值表写出逻辑函数如下： S0= Q1 Q0 S1=Q1 Q0 S2= Q1Q0 S3= Q1Q0 A=Q0 B=( Q1Q0) C=( Q1Q0) E=Q0 F=( Q1Q0) G=( Q1Q0 ) 根据逻辑函数式连接电路图 分析说明：74LS162代替74LS160，用反馈信号接成四进制计数器，CLK接状态转换控制信号。 使用74LS138 预置数，当交通灯控制系统开始工作时，该部分电路将实现各种状态的转换功能。由于Multisim的问题，本来预置数为25,5,25,5，现在根据原理，预置数要改为35,5,35,5,将数码管显示主干道绿灯和支干道红灯的预值（25秒），预置：0011，0101；当其减到0时，计数器产生借位，此时干道绿灯和支干道红灯同时灭。然后将南主干道黄灯和支干道红灯的预值（5秒），预置0000,0101；重复上述转换功能，实现倒计时计数。3.3.2预置数读表表3-2预置数Z7高位DZ6高位CZ5高位BZ4高位AZ3低位DZ2低位CZ1低位BZ0低位A译码器输出3500110101Y05000001013500000101Y474LS138和74LS160实现主控电路如图附：74LS138译码器功能表和引脚如表3-3表3-3输入输出G1G2A+G2BC B AY0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y70X11111111X100000000X X XX X X0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 11 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 1 1 0图3-6 74LS138D 的功能电路74LS138有三个附加的控制端G1、G2A和G2B。当、时，输出为高电平（S1），译码器处于工作状态。否则，译码器被禁止，所有的输出端被封锁在高电平，如表所示。这三个控制端也叫做“片选”输入端，利用片选的作用可以将多篇连接起来以扩展译码器的功能带控制输入端的译码器又是一个完整的数据分配器。在图电路中如果把作为“数据”输入端（同时），而将作为“地址”输入端，那么从送来的数据只能通过所指定的一根输出线送出去。这就不难理解为什么把叫做地址输入了。例如当101时，门的输入端除了接至输出端的一个以外全是高电平，因此的数据以反码的形式从输出，而不会被送