交通信号灯控制电路设计报告

湖南文理学院课程设计报告课程名称： 电子技术课程设计 教学院部： 电气与信息工程学院 专业班级： 自动化 09103班 学生姓名： 文志祥（200916010317） 指导教师： 李建英 完成时间： 2011 年6月22日 报告成绩： 评阅意见： 评阅教师 日期 摘要 本文着眼于目前普遍应用在城市道路上的交通灯控制系统，从课程设计的题目要求出发，由于所学有限我们用数字电路组成实现交通灯的设计，设计了一个东西方向（支干道）和南北方向（主干道）十字路口的交通灯控制电路。首先进行交通灯状态变换的分析和交通灯总体框架的设计，接着提出了几种不同的电路设计方案，通过优劣比较后选定了其中一种较为合适的方案。起初1KHz方波脉冲由555定时器产生，再由三块74161N实现1000分频，最终输出1Hz的脉冲信号即秒脉冲信号；利用一片74LS161四分频器和74161N相应门电路共同控制交通灯信号灯4个状态的循环转换；用六块74LS190N单时钟十进制可逆集成计数器、六块4511BP七段显示译码器与六块七段数码管实现倒计时的设计，三块显示十位，三块显示个位；最后通过红绿黄灯的亮去控制相应的倒计时模块进行倒计时。关键词：交通灯； 控制电路； 倒计时器； 秒脉冲； 分频器 目录第1章 设计任务及目的5第2章 系统概述5第3章 单元电路设计与分析6 1.脉冲发生器设计6 2.分频器设计10 3.控制器的设计11 4.倒计数电路的设计14 5.显示电路的设计15第四章 控制电路与显示模块仿真18第五章 系统综述19第六章 总体电路图20结束语21心得体会及建议21参考文献21原件明细清单22交通信号灯控制电路前言随着社会经济的发展，城市交通问题愈来愈受到人们的关注，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。我国城市现代化进程的不断推进，交通问题与我国社会经济高速发展现状的矛盾日益突出，而城市道路交通问题的核心就是对十字交叉路口交通信号灯的控制。因此，国外一些发达国家把城市交通信号灯控制研究的重点放在城市交通干线和区域的控制上，可是控制效果并不明显。人们对十字路口交通信号灯的控制方法大致有如下两种方式：其一是建立城市交通流的数学模型，提出优化算法，但由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂多变的，随机的和不确定，所以数学模型很难建立，控制策略的最优目标也很难实现，且算法复杂，计算量大，实践证明控制效果不明显，实时性差；二是根据模糊控制的方法，根据十字路口交通的车辆数确定某一相位的绿灯初始时间和绿灯延长时间，对交通灯的控制实现了一定程度的模糊化，但是在控制过程中相位转换的顺序不变，因而面对我国如此复杂的城市交通系统，难以保证其灵活性和实时性。因此，结合我国城市交通道路的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统是当前的主要任务，以最大限度地减少十字路口的车辆平均延误时间，提高了路口通行能力，从而达到缓解交通拥挤的目的。 在选择这一课题之时，我以本学年所学电子技术基础知识为基础，通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计，用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法，指挥各种车辆和行人的安全通行，实现十字路口的自动化管理。第1章 设计任务及目的一、设计任务设计一个有一条主干道和一条支干道汇合形成的十字交叉路口的交通信号灯控制电路。基本要求：1、通行，在交叉路口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮提醒司机将行使中的车辆靠在禁行线之外。2、主、支干道交替通行，主干道每次放行40s，支干道每次放行20s，在每次有亮绿灯变成红灯的转换过程中，要求亮4s的黄灯作为过渡。3、 十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体要求主、支干道通行时间及黄灯的时间均以秒作为单位，采用倒计时的方式显示。4、 画出电路原理图。5、 进行电路的仿真与调试。二、设计目的1、巩固加深对电子线路的基本知识，提高综合运用专业知识的能力；2、培养学生查阅参考文献，独立思考、设计、钻研专业知识相关问题的能力；3、通过实际制作安装电子线路，学会单元电路以及整机电路的调试与分析方法；4、掌握相关电子线路工程技术规范以及常规电子元器件的性能技术指标；5、了解电气图国家标准以及电气制图国家标准，并利用电子multisim正确绘制电路图；6、培养严肃认真的工作作风与科学态度，建立严谨的工程技术观念；7、培养工程实践能力、创新能力和综合设计能力。 第2章 系统概述一、交通信号灯基本原理及设计方法要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时秒脉冲发生器、分频器、主控制器、倒计数器、数字显示译码器几部分组成。A、秒脉冲发生器：脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐振荡器振荡频率为：f=1.43/(R1+2R2)C；B、分频器：由于灯亮的最小时间是黄灯4秒，另有40秒和20秒，而时钟信号为一秒，所以用4分频器；C、主控制器：灯亮的转换由主控制器控制，由于一个周期为64秒，且经分频后的脉冲为4秒一个脉冲，所以主控制器控要有十六进制；D、倒计数器：由分析得知，主干道上的绿灯一次亮40秒，红灯一次亮20秒，黄灯一次亮4秒，则设计三个倒计数器，分别由40秒20秒和四秒开始倒计数；E、数字显示译码器：该电路主要使倒计数器上的二进制数经过译码显示出来，且当红灯不亮时对应的显示器显示置数。二、计整体框架图如图1分频器主控制器控制交通指示灯 5v直流源到计数器数字显示译码器秒脉冲发生器控制显示管图1 系统总设计框图第3章 单元电路设计与分析一、秒脉冲发生器1、利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出1Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。2、555定时器的原理图如图3.1.1及引脚图如图3.1.2所示： 图2 555定时器原理图图3 555定时器引脚图.附：555定时器信息The 555 timer is an IC chip that is commonly used as an astable multivibrator, a monostable multivibrator or a voltage-controlled oscillator. The 555 timer consists basically of two comparators, a resistive voltage divider, a flip-flop and a discharge transistor. It is a two-state device whose output voltage level can be either high or low. The state of the output can be controlled by proper input signals and time-delay elements connected externally to the 555 timer. 3、设计思路考虑脉冲精度，先555定时器为主组成多谐振荡器，输出1KHz的矩型方波，再通过三片74161N实现三次十分频从而得到秒脉冲。 1、 1KHZ的矩形方波设计电容C1上的充电时间： T1=(R1+R2)CLn2 电容C1上的放电时间： T2=R2Cln2输出矩形波的周期： T=T1+T2振荡频率： f=1/T=1.44/(R1+2R2)C 通过计算可以设：C=10nF R1=28 .86K R2=57.72K 设计如图4图4 1KHZ矩形方波设计图2、三次十分频设计74xx161 (Sync 4-bit Bin Counter) This synchronous, presettable binary counter features an internal carry look-ahead for fast counting. Sample 4-bit bin counter truth table: 74161N的引脚图如图5图5 74161N引脚图由于74161是十六进制，故可以通过如下图6方式得到三次十分频图6 三次十分频图3、秒脉冲波形检测如图7图7 秒脉冲波形图二、分频器设计 采用74161N实现四分频，如图8接线及检测图如图9图8 四分频图9 检测图 此设计亦可证明秒脉冲设计中的十分频设计的正确性。三、控制器的设计1、主控制器控制着电路中的灯亮与对应的时间，主干道与支干道的时间转换图如图10所示主干道绿灯支干道红灯40s主干道黄灯只干道红灯4s主干道红灯支干道黄灯4s主干道红灯支干道绿灯20s图10 状态转换图根据上图可以得到，每一次转换的周期为64s，而且最小的周期为4s,因此我们可以设计一个一周期为十六进制，每进制4s的控制器。可以利用74161N的十六进制功能实现控制器。设ABCD分别为74161N的四个输出端，再假设主干道上的绿灯亮、黄灯亮、红灯亮分别为G、Y、R，支干道上的绿灯亮、黄灯亮、红灯亮分别为g、y、r，那么主控制器的真值表可以得到，如表一所示。表1 主控制器的真值表CP顺序DCBAGYRgrym000000100010m110001100010m220010100010m330011100010m440100100010m550101100010m660110100010m770111100010m881000100010m991001100010m10101010010010m11111011001100m12121100001100m13131101001100m14141110001100m15151111001001根据真值表及计算可得： 选择半导体法官二极管模拟交通灯，由于门电路的带灌电流能力一般比带拉电流能力强，要求门电路输出低电平点亮相应发光二极管。故主控电路如图11所示。图11 主控图2、状态效果仿真 a、主干道绿灯只干道红灯如图12 b、主干道黄灯只干道红灯如图13 c、主干道红灯只干道绿灯如图14 d、主干道红灯只干道黄灯如图15 图12 图13 图14 图15四、倒计数电路设计根据主干道与支干道红绿灯交替状况可知：当主干道绿灯亮40s开始计时，支干道亮红灯，当到第0s时，主干道黄灯亮；倒计时4秒，只干道亦亮红灯，再主干道为红灯，此时从20s开始计时，支干道绿灯亮。当倒计时味第4秒时，只干道亮黄灯4秒。如此循环往复，整个倒计时器完成。 由此可知，倒计数器的时钟脉冲应为秒脉冲，控制倒计数器开始工作和停止工作的都是主控制器。由于是由灯亮控制相应倒计时器，根据百度所查加减计数器元件中我们可以用74LS190、74LS191、74LS193、CD4518等集成元件实现倒计数的设计，亦可利用所学74LS161外加非门做成十进制减计数器，而由于74LS190N是十进制可逆计数器，考虑到元件连接的简单性，我采用74LS190设计倒计数器。74LS190的信息图16所示 74xx190 (Sync BCD up/down Counter) This device is a synchronous, BCD, reversible up/down counter 图16 74LS190N分析可知，显示器需有三个置数端，分别是39s、19s和3秒置数端，个位上直接接上信号脉冲，综上所述，可以画出电路图，如下图17所示图17计数器其中J1接主干道绿灯控制信号，J2接主干道红灯控制信号，J3接主干道黄灯控制信号。此为主干道倒计数器的设计；支干道的倒计时设计同理，其接相应的支干道控制信号，再此设计中就省略其设计。五、显示电路设计1、倒计数器通过显示管译码器与数码管连接，最终使倒计数器中的数据读出来。并且显示管的显示可以通过显示管译码器控制，所以显示管在电路中起到很重要作用，根据所学的采用七段显示译码器4511CD。其4511BP信息: a、4511BP的引脚如图18图18 4511BP引脚图b、4511(BCD-to-seven segment latch/Dec) The 4511 BCD (Binary-Coded Decimal)-to-seven-segment latch decoder translates a 4-bit BCD input into hexadecimal, and outputs high on the output pins corresponding to the hexadecimal representation of the BCD input. There are provisions for lamp testing and for blanking the outputs. 图19 4155BP信息根据4511功能可画出如图20电路其中电阻其限流作用。图20 译码电路第4章 控制电路与显示电路模块仿真一 、主干道绿灯倒计时模块仿真如图21图21绿灯模块计时二、主干道黄灯倒计时模块仿真如图22图22 黄灯模块计时 三、主干道红灯倒计时如图23图23 红灯模块计时第5章 系统总述系统由五大部分组成分别为：脉冲发生器、分频器、主控制器、倒计数器、显示管译码器。整个系统内含有一个开关控制总体电路的工作，开关闭合后输入信号通过脉冲发生器变成秒脉冲，然后秒脉冲分别输入到分频器和倒计数器，接入分频器的部分经分频后变成周期为4秒的脉冲并且每个周期里只有一个下降沿和一个上升沿，然后把这个分频后的信号输入到主控制器，使主控制器工作以便控制指示灯的工作和显示管译码器的工作。接入倒计时器的秒脉冲起到计时的作用，每次来一个脉冲倒计时器就变化一下（即为递减一次）耗时一秒。然后把倒计时的信号通过显示管译码器译码输入到显示管内显现出来，以通知路人红灯离转换到绿灯还需要多长时间。在交通灯的变换过程中，绿灯变成红灯时中间有个过渡时期即绿灯停止计时后黄灯亮四秒秒钟后红灯才亮，中间穿插黄灯这个时间内是为了提醒路人过斑马线的赶快走过十字路口，没有过斑马线的就在斑马线前停一会，等下次绿灯亮时再过十字路口。第6章总体电路图总电路如图24图24 总电路图结束语 从选课题开始，到写出实验报告，整个过程充满了挑战与困难，我利用一切可以利用的资源，如图书馆资料，互联网资料，不断的摸索，不断的克服，利用multisim成功的模拟出了交通信号灯控制器这一课题。但是在设计模拟过程中，并不是一帆风顺的，我遇到了一些问题，比如刚开始数码管都亮不起啦(加电阻限流);再到十进制减计数器的设计中出现11-00-09的问题而不是11-10-09（级联错误），且用多种芯片都不能很好实现置数功能(运用异步置数知识解决)；在总电路图中出现绿灯在一周期中两次置数等等问题