毕业论文 城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案

摘 要 I 摘 要 随着我国国民经济的快速发展，我国机动车辆发展迅速，而城镇道路建设由于历史等各种原因相对滞后，交通拥挤和堵塞现象时常出现。如何利用当今计算机和自动控制技术，有效地疏导交通，提高城镇交通路口的通行能力，减少交通事故是很值得研究的一个课题。目前，国内的交通灯一般设在十字路口，在醒目位置用红 、 绿 、 黄三种颜色的指示灯加上一个倒计时的显示器来控制行车。 本文 分析了现代城市交通 信号灯 控制与管理的不合理性，进而提出一款更具人性化、智能化的城市交通灯控制 系统 的硬件电路设计方案。本系统 采用 555触发器 为中心 器件 产生 振荡电路来设计交通灯控制器，通过 振荡 产生信号波，经过 4024 加法器 确定 64S 为 一个 周期 。最后 通过 193 减法器与 4511 驱动器 实现对数码管的 控制， 达到 预期 效果。最后通过 真 说明了系统制作 过程 与调试结果 。 本系统设计周期短、可靠性 高 、实用性 强 、操作简单、维护方便、扩展功能强。 关键词 ： 交通灯 555 触发器 真 I of in to as to of of is a At is in in a to of a 55 to a 024 4 s as a At 93 511 to of is 55 目 录 录 第 1 章 引言 . 1 选题背景 . . 1 研究目标和意义 . 1 主要工作 . . 1 第 2 章 设计框图与具体方案 . 3 计方案 . 3 第 3 章 电路原理图与仿真图 . 5 时钟脉冲的设计 . 5 555 触发器 . . 5 555 振荡器 . . 6 计数功能电路的设计 . 9 加法器的设计 . 9 减法器的设计 . 13 译码功能的设计 . 14 译码：七段译码器 /驱动器 74. 14 译码功能：四线 511 . 15 示电路的设计 . 15 数码管 . 15 发光二极管 . 16 真软件及仿真 . 17 仿真软件 绍 . 17 仿真结果 . 19 第 4 章 电路板的设计 . 21 电路设计软件 绍 . 21 路原理图 . 22 目 录 设计 . 24 布线规则 . 24 设计 . 27 第 5 章 电路板的制作与调试 . 28 路板的调试 . 28 路板的测试 . 29 第 6 章 心得体会 . 31 设计资料及参考文献 . 32 致谢 . 33 第 1 章 引言 1 第 1章 引言 题背景 交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。汽车现已成为人们日常生活中必不可少的交通工具。汽车在给人们带来便利的同时，也带来了一系列令人困惑的问题，如环境污染、交通拥挤、交通事故频繁发生，给人们的生命和财产带来了很大的损失。城市交通问题困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素，人们对交通有效控制的意识越来越强烈。城市交通信号控制是通过对交通流的调节、警告和诱导以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量，更好的利用现有运输能力，提高交通流的安全性 、快速性和舒适性。 究目标 和意义 随着经济的发展，城市现代化程度不断提高，交通需求和交通量迅速增长，城市交通网络中交通拥挤日益严重，道路运输所带来的交通拥堵、交通事故和环境污染等负面效应也日益突出，逐步成为经济和社会发展中的全球性共同问题。交通问题已经日益成为世界性的问题，城市交通事故、交通堵塞和交通污染问题愈加突出。为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，即大量修筑道路基础设施的办法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限 的资源和财力以及环境的压力，也将受到限制。这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他办法来满足日益增长的交通需求。在现有的道路交通条件下，实施交通控制和管理，充分发挥现有道路的通行能力正是解决这一矛盾的途径之一，大量事实已经证明这种方法的有效性。 当然，解决该问题最有效的方法是增加道路建设，但由于资金及城市空间的限制，该方法又出现诸多难处。因此，在有效道路的前提下，提高交通控制和管理水平，合理使用现有的交通设施，充分发挥其能力，是解决交通问题有效方法之一。 要工作 电子科技大学成都学院毕业论文设计 2 本次 设计决定使用数字电路 中 的 器件 与逻 辑电路完成 。其中 包括 555 触发器、七位二级制加法计数器 4024， 十进制减法计数器 744511 驱动器 等 器件来完成相关工作。画图 软件 使用 出原理图和 最后通过真 来 查看是否到达 预期要求 。 具体设计 要求如下 设计 一个交通灯控制器，它的 一个 周期 64 秒 ，平均分配，前 32 秒 红灯亮，后 32 秒 绿灯亮。在 红灯 亮的期间的后 8 秒 与红灯在一起的黄灯闪烁；在绿灯亮的期间的后 8 秒 与绿灯在一起的黄灯闪烁；在黄灯闪烁期间，数码管同时倒计时显示，在此期间外，数码管不亮。 第 2 章 设计框图与具体方案 3 第 2章 设计框图 与具体方案 计方案 通过 查阅相关资料，发现有三种方法可以达到 预期 效果 ： 第一种 ： 通过 编写汇编语言程序来 完成 交通灯控制器的设计与实现。 利用 汇编语言程序中的 8255A 的 A 口 和 B 口 对灯的亮与灭进行控制。首先 ， 要了解的是 8255A 是 如何工作的，包括它的 A 口 、 B 口、 C 口 和控制端口是如何写数据的，频率为 所以没 10断 一次。利用 不同 的状态时间计数，用来实现计数器 对设计 要求的定时。中断 子程序 分为数码管显示刷新部分和红绿黄灯各个状态切换部分。 每 进入 中断 即刷新 示 。用对于东西车道黄灯闪烁利用标志位判断实现，满足比较条件就暗，不满足条件就 亮 。 第二种： 运用 现 交通灯控制器。 采用 自顶向下设计，将此设计分为2 个 模块：计时模块（ 计时模块 包括秒模块，分钟模块和小时模块） ， 控制模块。将 两个模块分别用 言编写成 。 采用 自定 向下的设计方法的有点事显而易见的。由于 整个 设计师从系统 顶层 开始的，结合模拟手段，可以从一开始就掌握所实现系统的性能状况，结合应用领域的具体要求，在此时就调整设计方案，进行性能优化或者折中取舍 。 随着 设计 层次向下进行，系统性能参数将得到进一步的细化与确认 ， 保证设计结果的正确性。 相对于前 两种方法，第三种方法 既能实现 预期功能，同时 又 不必像前两种方法那样 复杂 ，不需要通过编程来实现目标 。从 真正意义上做到了用最简单的电路和器件，完成 最 实用的功能。本次设计就是采用的第三种方法，具体 设计 方案如下： 第三 种 ：利用数字电路原理通过纯硬件来 完成 交通灯控制电路的设计。一个555 脉冲 振荡器 ，一个七位二进制加法计数器 4024， 一个十进制减法 计数器 可逆可预置十进制计数器 74驱动器 4511， 发光二极管 ，数码管。红灯 与 绿灯以及黄灯是否亮是由二进制加法计数器的输出端状态来决定的，因此，设计一个组合逻辑电路，它的输入信号就是二进制加法 计数器 的输出信号 ， 它的输出就是发光二极管的控制信号。因此 ， 需要一个组合逻辑电路，六个发光二极管（ 两个 红色发光二极管，两个绿色发光二极管，两个黄色发光二极管） 电路 ，一个数码管显示电路。 如图 2示： 电子科技大学成都学院毕业论文设计 4 图 2计 框图 555 脉冲 振荡器 4024 计数器 组合逻辑电路 发光二极管 193 计数器 4511 驱动器 数码管 第 3 章 电路原理图与仿真图 5 第 3章 电路原理图与仿真图 钟脉冲 的设计 55触发器 555 定时器 是一块常用的集成电路， 电路符号 如 图 3 ： 图 355 定时器 8 为 电源端 1 为公共端 所加 电源电压范围 ： 8V,最大 输出电流 200部 电路原理图如 图 2，内部有三个相同的分压电阻，每个电阻上的电压都为 1/3个 比较器 比较电压为 3/2 比较电压为 3/1比较器 +端 电压大于比较器 -端 电压是，比较器输出高电平（ 用状态 1 表示 ） ， 当比较器 +端 电压低于比较器 -电压 时，比较器输出低电平（ 用状态 0 表示 ） 。 个 与非门构成基本 发器 ， 输出 缓冲 反 向 器，起 整形和提高 带负载 能力的 的 作用。 泄放 三极管为外接电容提供充放电 回路 。利用 555 定时器 设计电路时，主要是考虑如何让 2 和 6 的 点位发生变化（ 外界信号或利用电容器的充放电过程实现） 而让 定时器的输出状态发生变化，而设计成各种具有不同功能的电路。 电子科技大学成都学院毕业论文设计 6 图 355 触发器 内部 55振荡器 555 多谐振荡器 路 原理如图 3（ 4 脚 为高电平时，电路 振荡 ， 4 脚 为低电平时，电路不振荡） 。 开始时 ， 内部泄放三极管由于其基极输入为低电平，是截止的，电源通过 电容器 C 充电 ， 2,6 脚 点位开始上升，当上升到 2/3路状态发生 翻转 ，内部泄放三极管由于其基极输入为高电平，所以饱和导通，电容器通过 电 ， 2,6 脚 点位又开始下降，直至降到 1/3电路状态再次发生翻转，内部泄放三极管截止，电源再次对电容器充电。这样 周而复始 ，输出连续的矩形波信号，有 3 脚 输出 图 355 振荡器 理论 推导：理论推导的依据是电容器的充电时间和放电时间的 讨论 。 充电 时间的计算：从前面对芯片 555 的 了解可知，在 7 脚 内部所劫的泄放三极管截止是，电容器充电，充电电压从 3/1 3/2此时是电源通过第 3 章 电路原理图与仿真图 7 1 电阻 向电容充电，由此可以利用电容器的电压与充电时间的函数计算出电容充电时间；函数关系式可 由 电路分析课程中给出： ) 在充电 过程中， 1+此 13-1) 23-1) 分别 计算出 则充电时间为 T1=电 时间的计算：从前面对芯片 555 的 了解可知，在 7 脚 内部所 接 的放流三极管饱和导通是，电容器放电，放电电压从 2/3止 1/3此时 是 电容通过 阻 向电 容充电，由此可以利用电容器的电压与放电时间的函数关系计算出电容放电时间；函数关系式可由电路分析课程中得出： 在 放电过程中， R=此 23 1 13 2 分别 计算出 则放电时间为 T1= 以上计算出的充电时间和放电时间之和就是周期，周期的倒数就是频率。 最后 得到的结果 ： 振荡器的频率有电阻 电容 C 决定 。 f = 1+ 2) 脉冲 波的占空比由电阻 定 ，结果为 = 1+221+ 2 可见 ，当 小 时，占空比接近 50。 本电路 555 多谐 振荡器的频率的确定，因为信号灯的状态时间是以秒来计量电子科技大学成都学院毕业论文设计 8 的，因此计数器的技术状态应以秒为 计数 最为方便，即指定计 数 器的 最低 位定位一定 是计数器的最低位） ， 因状态 有 64 个 状态，每个状态 对应 时间为 1 秒 （ 频率 为 1） ， 即 1 秒钟 状态 变化 1 次 ，而每一个状态对应 一个脉冲，因此， 是 1 秒钟 产生的 1 个 脉冲，所以 555 的 振荡频率就应该为 2 根据之前对 555 振荡器的 分析可得，电容上的电压 V+与 波形图如图 3示： 图 3图 3的 波形求得电容 C 的充电时间 放电时间 为 故电路的振荡周期为： 因本 振荡 路 2以 用 1M 电阻 ， 用 3M 电阻 ，如图 3示 第 3 章 电路原理图与仿真图 9 图 355 振荡器 输出 的振荡波形如图 3示 ： 图 3一个 周期 刚好 为 数 功能 电路 的设计 法器的 设计 七位 二进制计数器 4024 各 引脚功能如图 3 ： 电子科技大学成都学院毕业论文设计 10 图 3024 加法器 14 脚 为电源端，所接电源电压范围： +3V+5V， 7 脚 接地 2 脚 为复位端（ 清零端 ） ， 高电平有效。 1 脚 为脉冲信号输入端，下降沿有效（ 即 计数器在脉冲下降沿时刻计数） 。 七个数据输出端， 最高位， 最低位。 当 输入脉冲信号后，计数器输出端的状态变化： 00000001111111. 本电路 中的组合逻辑电路的输出信号为二进制 计数器的输出信号计 号 频率为 1，而 输出应为六个表示路口交通灯信号的发光二极管 （一方 为红绿黄灯 一方 为红绿黄灯的 控制信号，分别用 示 。但是一到 态 相同， 态 相同， 态 相同，所以实际上只要三个输出信号 即可 ，分别用 示 。 本电路 因为控制周期是 64 秒 ，所以只需要 64 个 状态，因此只要用 4024 输出端 的 6 个 输出端就可以 了 ，本人决定用状态 组合 逻辑电路的输出信号 电路的输入信号 4， 关系的讨论；信号灯的定义， 示 红灯， 示 绿灯， 示 黄灯 。 对于 其中一路信号灯来说，前 32 秒 （ 对应 的 4024 计数器 输出端状态 000000 111111） 红灯 1 亮 ，绿灯 1 不亮 。 而在 这 32 秒 内的时间内，前 24 秒 （ 对应 的 4024 计数器 输出 状态 000000 111111） 黄灯 不亮。后 8 秒 （ 对应 的 4024 计数器 输出端状态 010111 0111111） 黄灯 亮。 另一路 的灯亮状态分析与上一路的分析完全相同。 第 3 章 电路原理图与仿真图 11 综上所述 用 如下 真值表 表示： 编号 6 4 11 13 22 明 0 15 0 0 X X X X 1 0 0 0 1 0 红 1 绿 2 亮 16 23 0 1 0 X X X 1 0 0 0 1 0 红 1 绿 2 亮 24 31 0 1 1 X X X 1 0 1 0 1 1 红 1 绿 2 黄 12 亮 3247 1 0 X X X X 0 1 0 1 0 0 红 2 绿 1 亮 48 55 1 1 0 X X X 0 1 0 1 0 0 红 2 绿 1 亮 56 63 1 1 1 X X X 0 1 1 1 0 1 红 2 绿 1 黄 12 亮 从 以上可知 11 = 7， 21 = 7,需要 低电平有效 时 ， 1 = 7 12 = 7， 22 = 7,需要 低电平有效 时 ， 2 = 7 13 = 23 = 65 = 65 考虑 到黄灯需要闪烁，可以让 号 和 号 （ 频率 为 1 脉冲波）加到 一个二输入的与非门的两个输入端 ， 输出信号为 4 = 3 1 当 0 时 ， 当 1 时， 1 可见 ，需要 电平 有效，这样 0 时 ，黄灯不亮， 1 时 ，黄灯闪烁。 由 以上讨论可知，需要两个二输入的与非门，三个非门，为节约期间，三个非门中的两个非门用与非门实现，另一个非门用三极管实现。这样 ， 需要四个二输入的与非门，正好可以用芯片 74一个三极管构成的与非门 。 74形 为 74 一块四 有四个完全一样的二输入的与非门， 14 脚 接 +5V） ， 7 脚 接地 它们 中 的 四个二输入的与非门如 示 ： 电子科技大学成都学院毕业论文设计 12 图 34中 A,B 为 与非门的两个输入端， Y 为 输出端。额定 拉 电流 4额定灌电流 8额定输出高电平电压为 当 脉冲从 555 振荡器 发出后，通过 4024 计数器 ， 因为 1 脚 为脉冲信号输入端，下降沿有效（ 即 计数器在脉冲下降沿时刻计数） 。 所以 通过 成 叠加功能，使其周期达到 64s。 4024 计数器 电路图如 图 3示： 图 3024 计数器 出 的波形如 图 3示： ， 图 3法器 输出信号 第 3 章 电路原理图与仿真图 13 法器 的设计 可预置二进制可逆计数器 74预置二进制可逆计数器 74图 3 393 减法器 74形 结构为 其中 8 脚 接地 16 脚 接 +5V 电源 。 加 计数 脉冲信号输入端。 减计数脉冲信号输入端。 计数器数据输出端， 最高位， 最低位。 计数器 预置数输入端，当计数器处于预置数状态时，通过该输入端预置数，此时 3 复位信号输入端，上升沿有效，即当 0 跳到 1 时 ，计数器复位，此时 000。 当 时 ，计数器处于技术状态。 预置数功能控制器，低电平有效，当 时 ，计数器处于预置数状态，当 时 ，计数器处于计数状态。 加计数 进位 信号输出端。 减计数借位信号输出端。 根据 设计 要求 ， 预置 数为 8， ， 接高电平（ 电源 ） ， 1=， 接低电平（ 地 。 黄灯 不亮，即 时 ，计数器需要处于预置数状态 ； 即 ， 黄灯亮 ，即 时 ，计数器需要处于计数状态，即 。 可见 ， 3。 作为 减法器使用， 高电平 ， 脉冲信号 电子科技大学成都学院毕业论文设计 14 因 计数器处于计数状态或预置数状态，不能处于复位状态，因此让 。 从 前面讨论可知，多谐振荡器振荡频率为 2此 确定多谐振 荡器电路的电容和电阻。 193 减法器 在电路中如图 3示： 图 393 减法器 码 功能的设计 码： 七段 译码器 /驱动器 74线 七段 译码器 /驱动器 74 图 3： 图 38 驱动器 16 脚 接电源 8 脚 接地 8421数据输入端 ， 高位， A 为 最低位。 电平 有效，输出电流 小于 6为 7 个 输出端，分别接七段数码管的 7 个 输入端 接数码管 必须是共阴数码管。 第 3 章 电路原理图与仿真图 15 测试输入端，低电平有效，即当此灯为低电平切 高电平（ 或开路） 时 ，输出 全为 高电平，数码管内所有发光二极管全亮。 隐输入（低电平 有效） /脉冲 消隐输出（ 低电平 有效） ， 只要此 端 为低电平，输出 全为 低电平 ， 数码管内所有发光二极管全不亮。 冲 消隐输入端，低电平有效。当此端 为 低电平且 同时为低电平是，输出全为低电平，数码管 内 所有 发光二极管 全不亮。 从 以上结果知道，要让数码管正常显示 0 9,3,4,5 脚 都要接高电平。要让 数码管 1 9 而不显示 0， 则 3 接高电平 ， 5 接 低电平， 4 悬空 （ 或 电源通过电阻接4） 。这实际 上就是消 0， 例 于 最高位的数码管就希望是这样 。 码功能 ：四线 511 四线 七段 译码器 /驱动器 4511(内带 上拉电阻 )如图 3 ： 图 3511 驱动器 4511 的 使用与 74本相同 ，但是有两点需要注意： 功能脚 5的 使用 区别 ， 74 高电平有效，而 4511 是 低电平有效。 74 内带限流电阻的，而 4511 是 不带限流电阻的，因此，在使用 451时 ， 4511 的 输出端与数码管的输入端 之间是要串接限流电阻的。 示 电路 的设计 码管 数码管 的输出引脚排列方式如下图 3示： 电子科技大学成都学院毕业论文设计 16 图 3码管 数码管 的符号 数码管的 输出引脚有两种形式，一种是上下排列，一种是两边排列。 组成数码管 的七段实际上就是七个发光二极管， 当 这七个发光二极管中不同的二极管 亮时，就是现实 0 9 中 不同的数字。 数码管 的使用需要注意的是： 数码管 有共阴数码管和供养数码管之分，所谓共阴数码管就是公共端 所谓供养数码管就是公共端 电源 。 二是 要注意数码管的电流大小，一般不要超过 10三 是要注意各管脚功能的确定。 在 不清楚数码管的基本情况时，可用测量的方法确定。电源 腹肌 接公共端，电源正极通过一个电阻（ 5V 电源 时，电阻可为 500 到 1K， 12V 电源 时 ， 电阻可为 2K） ， 再加到任一输入端，观察数码管的灯亮与不良情况，判断数码管的类型各管脚。 光二极管 电路最后实现 的功能就是通过红黄绿三种颜色的发光二极管表现的，如图3示： 第 3 章 电路原理图与仿真图 17 图 3极管 电 路 一个 周期 64 秒 ，平均分配，前 32 秒 红灯亮，后 32 秒 绿灯亮。在 红灯 亮的期间的后 8 秒 与红灯在一起的黄灯闪烁；在绿灯亮的期间的后 8 秒 与绿灯在一起的黄灯闪烁；在黄灯闪烁期间，数码管同时倒计时显示，在此期间外，数码管不亮。 真软件 及 仿真 真软件 称司 )推出的以 其（即 新推出的 目前美国 司的 包含有电路仿真设计的模块 计软件 线引擎 通信电路分析与设计模块 个 个部分有增强专业版（ 专业版（ 个人版（ 教育版（ 学生版（ 演示版（ 多个版本 各版本的功能和价格有着明显的差异。 3 用软件的方法虚拟电子与电工元器件 虚拟电子与电工仪器和电子科技大学成都学院毕业论文设计 18 3 是一个原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。 3 的元器件库提供数千种电路元器件供实验选用同时也可以新建或扩充已有的元器件库而且建库所需的元器件参数可以从生产厂商的 产品使用手册中查到 因此也很方便的在工程设计中使用。 3 的虚拟测试仪器仪表种类齐全 有一般实 验用的通用仪器如万用表、函数信号发生器、双踪示波器、直流电源而且还有一般实验室少有或没有的仪器 如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换器、失真仪、频谱分析仪和网络分析仪等。 3 具有较为详细的电路分析功能 可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电 路分析方法3 可以设计、测试和演示各种电子电路 包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。可以对被仿 真的电路中的元器件设置各种故障如开路、短路和不同程度的漏电等从而观察不同故障情况下的电路工作状况。在进行仿真的同时软件还可以存储测试点的所有数据列出被仿真电路的所有元器件清单 以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。 3 有丰富的 能 其 统不仅包括软件本身的操作指南更要的是包 含有元器件的功能解说 这种元器件功能解说有利于使用行 学。另外 提供了与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件 能通过 持 言的电路仿真与设计。 利用 3 可以实现计算机仿真设计与虚拟实验与传统的电子电路设计与实验方法相比具 有如下特点设计与实验可以同步进行可以边设计边实验修改调试方便设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全 可以 完成各种类型的电路设计与实验可方便地对电路参数进行测试和分析可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图实验中不消耗实际的元器件实验所需元器件的种类和数量不受限制实验成本低实验速度快效率高 设计和实验成功的电路可第 3 章 电路原理图与仿真图 19 以直接在产品中使用。 3 易学易用 便于电子信息、通信工 程、自动化、电气控制类专业学生自学、便于开展综合性的设计和实验 有利于培养综合分析能力、开发和创新的能力 。 真结果 0s 24s： 绿灯 1，红灯 1 亮 ，其余全不亮 ， 如图 3示 图 3真图 24s 32s： 绿灯 1，红灯 1 亮， 黄灯 1、 黄灯 2 闪烁 ，数码管从 8 开始 计时，如图 3示 图 3真图 电子科技大学成都学院毕业论文设计 20 32s 56s： 绿灯 2、红灯 2 亮 ，其余全不亮 ， 如图 3示 图 3真图 56s 64s： 绿灯 2、红灯 2 亮， 黄灯 1、 黄灯 2 闪烁 ，数码管从 8 开始 计时，如图 3示 图 3真图 第 4 章 电路板的设计 21 第 4章 电路板 的设计 路 设计软件 供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化开发所需的所有必须技术和功能。 单一设计环境中集成板级和 统设计、基于 分立处理器的 嵌入式 软件开发 以及 图设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能 ,使得 为电子产品开发的完整解决方案一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决方案。 最新发布的 您带来了一个全新的管理 元器件 的方法 ，其中包括新的用途系统 、 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