数电设计之交通信号灯.doc

课程设计目的分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合实验阐述了交通灯控制系统的工作原理，设计出一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。通过本次设计来熟悉中规模集成电路进行时序逻辑电路和组合逻辑电路设计的方法，掌握简单数字控制器的设计方法。社会需求：交通信号灯的出现，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。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。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。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。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，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。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。谨以此对下面的课题要求进行分析、设计 。一、设计任务与要求由一条干道和一条支道的汇合点形成的十字路口，两道上的车辆交替通过，为确保车辆的安全,迅速通行,在交叉路口要求主车道和支车道两条交叉道的每个入口设置了红,绿,黄三色信号灯，主道再加一个绿色左拐标志灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯给行驶的车辆有时间停靠到禁行线外；绿色标志信号灯则是让主道的车辆左拐进入支道。1 用红,绿,黄,三色发光二极管作信号灯,主道红,绿,黄,绿（左拐标志）四个信号灯,支道红,绿，黄三个信号灯。2 主干道和支道交替允许通行，主干道每次放行45秒，支道每次放行25秒。设计45秒和25秒计时显示器电路。3 为了方便主干道车辆进入支道, 主干道放行45秒后, 主干道亮红, 绿（左）灯, 支道亮红灯, 主道的车辆可左拐进入支道,时间25秒， 计时显示器电路。4 在每次由红灯转换为绿灯以及亮绿（左）灯的过程中间，要亮5秒黄灯作为过度时间，以使得行驶中的车俩有时间停到禁行线外。计时显示电路。二、总体设计方案1 设计思路系统中要求有45秒，25秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路。计时顺序用顺计时。定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入到主控电路，并通过主控电路去开启和关闭四色交通灯或启动另一种计时电路。主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自45秒，25秒，5秒三个定时信号。2 交通灯态序分析（1） 主车道绿灯亮，支车道红灯亮。表示主车道上的车辆允许通行，支车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔45秒时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。（2）主车道黄灯亮，支车道红灯亮。表示主车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，支车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（3）主车道红灯，绿（左）灯亮，支车道红灯亮，表示主车道上车辆左拐进入支道，支车道禁止通行，如下图。红灯，绿（左）灯亮足规定时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（4） 工作状态同（2）（5） 主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行，支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（6）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行，支车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。交通灯以上6种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为000、001、010、011、100、101，并分别用S0、S1、S2、S3、S4、S5表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示，控制器应送出主、支车道红、黄、绿灯、绿（左）灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：设定： 主道 ： 绿：G1 红：R1 黄：Y1 绿（左）：L1支道 ： 绿：G2 红：R2 黄：Y2 车道运行状态表：交通灯控制的状态图：原理框图：三 各功能模块具体设计过程1 秒脉冲电路（1）由555构成的多谐振荡器产生5V,1Hz时钟信号:由公式1.43/(R1+2R2)C=f和实际情况取得 R1=47K,R2=36K,C1=10F,C2=0.01F。（2）测试555定时器电路产生周期为1s的时钟信号.该电路是由555定时器构成的多谐振荡器,使其产生需要的方波作为触发器的CP脉冲,由于电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频,所以采用555定时器构成的多谐振荡器。2 定时与计时显示电路定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成。计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。3主控电路以上有S0至S5六个状态，在这里我们用3个JK触发器：Q2 、Q1 、Q0来实现，这种方法相对简单些。其中由R和C构成JK触发器的上电复位电路,对JK触发器上电时清零.控制器状态转换表：根据上表，写出状态方程和触发方程：由此可得主控电路原理图如下：4 译码器译码器的作用是将控制器的输出Q2,Q1,Q0及其逻辑非构成的6种状态转换为两车道上6个信号灯的控制信号。交通灯G1、R1、Y1、L1、G2、R2、Y2与Q2,Q1,Q0之间的逻辑关系：由此可以设计出译码器电路图：四、所需元器件 555定时器一个，JK触发器3个，门电路,二极管，电阻，电容等(所需元件清单见附录)。五、参考文献1、数字集成电路应用300例,黄继昌等主编.,人民邮电出版社2、第二届全国大学生电子设计竞赛组委会编.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编(19941995).北京:北京理工大学出版社,1997.3、电子电路设计与实践,姚福安编著.山东科学技术出版社4、电子技术基础(数字部分),康华光主编.第四版.北京:高等教育出版社. 20025、数字逻辑电路设计与实验,绳广基编著.上海交通大学出版社, 1989.6、中国集成电路大全TTL集成电路,中国集成电路大全编写委员会编.北京:国防工业出版社,1985.7、电子技术基础课程设计 ,粱宗善 .华中理工大学出版社 .1995.18、电子技术基础实验与课程设计,高吉祥主编.电子工业出版社 2002.2六、心得体会二周的电子实习,留给我印象最深的是要设计一个成功的电路，必须要有耐心,要有坚持的毅力。在整个电路的设计过程中,花费时间最多的是各个单元电路的连接及个单元电路的细节设计上，如秒脉冲的供给电路和定时器电路的设计。在实习过程中,我深刻的体会到在设计过程中，需要反复思考,其过程很可