交通灯控制系统设计

四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 交通灯控制系统设计交通灯控制系统设计 学生姓名学生姓名XXXXXX 学学 号号XXXXXXXXXXXXXXXXXX 所所 在在 系系XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 专业名称专业名称XXXXXXXXXXXXXXXX 班班 级级XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 指导教师指导教师XXXXXXXXXXXXXXXXXX 四川师范大学成都学院四川师范大学成都学院 二二一二年六月一二年六月 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 1 交通灯控制系统设计交通灯控制系统设计 学生：XXX 指导教师：XXX 内容摘要内容摘要：因为社会经济的发展，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。 实现路口交通灯系统的控制方法很多，可以用标准逻辑器件、可编程序控制器 PLC、单片机等 方案来实现。其中用标准逻辑器件来实现电路在很大程度上要受到逻辑器件如门电路等的影响，调 试工作极为不易，而笔者对单片机运用来进行系统的设计开发也不是很熟悉，因此，最终笔者选择 了用可编程的控制器 PLC 来实现系统功能的设计，完成本次课设的题目。 关键词：关键词：PLC 交通灯 程序 报告 设计 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 2 TrafficTraffic lightlight controlcontrol systemsystem designdesign Abstract：Along with the development of the society economy, the city transportation problem causes peoples concern more and more. The coordination of the person ,car , the road threes relation, have become one of the important problems that the transportation management section demand resolve. The city transportation control system is the calculator that used for the city transportation data monitor. The transportation signal beacon control and transportation to appease comprehensive management system, it is in the modern city transportation supervision conductor system to constitute part most importantly. Carry out the control method of the street corner transportation light system a lot of, can carry out with the standard logic spare part. Programmable preface controller PLC, single slice machine etc. Carries out the influence that the electric circuit wants to be subjected to the logic spare part, such as door, electric circuit to a large extent etc. with the standard logic spare part among them, adjust to try a work extremely not easy, and writer to single slice the luck use is not very either to acquaint with to the design development of carry on the system, therefore, the end writer chooses to use programmable controller PLC to carry out the design of the system function, completion originally time the lesson establish of topic. Keywords:Keywords: The PLC transportation light procedure report design. 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 3 目 录 前言 .1 1 交通信号灯的设计目的以及要求 .1 2 交通信号灯基本原理及设计方法 .2 3 主控制器 .4 3.1 74LS90 引脚排列图与逻辑图 .4 3.2 74LS90 的功能表及引脚功能 .5 4 计数器 .6 4.1 计数器的作用.6 4.2 计数器的工作情况.6 4.3 控制信号灯的译码电路的真值表.7 4.5 状态译码电路.9 5 译码显示电路 .9 5.1 共阳极 LED 七段数码管.9 5.2 74LS247 译码器 .11 5.2.1 以下介绍各引脚的功能： .11 5.2.2 数码连接译码电路 .11 5.2.3 真值表 .12 6 555 振荡器构成的秒脉冲电路 .13 6.1 555 定时器的引脚 .13 6.2 555 定时器构成的多谐振荡器 .14 6.3 555 定时器工作原理 .15 7 组装和调试过程 .16 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 4 8 结束语 .17 参考文献 .18 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 5 交通灯控制系统设计 前言 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。 1 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： 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； 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。 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。 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 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 6 晰； 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； 在实践中运用理论知识，培养实际动手能力； 主干道的通行时间长于支干道的通行时间； 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； 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； 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。 2 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 2-1 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。 七七七 七七七 七 七 七 七 七 七 图 2-1 路口交通指挥系统示意图 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 7 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。 图 2-2 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。 图 2-3 交通信号灯控制原理电路框图 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 8 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。 图 2-4 状态转换图 3 主控制器 3.1 74LS90 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 3.3-1 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。 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 9 图 3.1-1 74LS90 管脚排列图 图 3.1-2 主控制器的逻辑图 3.2 74LS90 的功能表及引脚功能 表 3.2-1 74LS90 功能表 输入输出 清 0置 9时钟 R(1)、 R（0） S9(1) S9(2) CP1 CP2 QD QC QB QA 功能 110 X X 0 X X 0000 清 0 0 X X 0 11X X 1001 置 9 1 QA 输出二进制 计数 1 QDQBQC 输出五进制 计数 QA QDQCQBQA 输出 8421BCD 码 十进制 计数 0 X X 0 0 X X 0 QD QAQDQCQB 输出 5421BCD 码 十进制 计数 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 10 1 1 不变保持 如表 7 4LS90 功能表：7 4LS90 逻辑功能为 计数脉冲从 CP1 输入，QA 作为输出端，为二进制计数器； 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； 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； 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； 清零、置 9 功能； 第一，异步清零当、均为“1”、中有“0”时，实 ) 1 ( 0 R)2( 0 R) 1 ( 9 S)2( 9 S 现异步清零功能，即QDQCQBQA=1001；第二，置 9 功能当、均为“1”;) 1 ( 9 S)2( 9 S 、中有“0”时，实现置 9 功能，即 QDQCQBQA=1001) 1 ( 0 R)2( 0 R 4 计数器 4.1 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： 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 11 L=A+B+C (4.2-1) 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 4.2-1 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 5.2.2-1 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 LED七七七七七 . 图 5.2.2-2 码连接电路图 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 17 5.2.3 真值表 共阳极数码管 0-9 的数字显示真值表如下图所示 表 5.2.3-1 七段显示译码电路真值表 输入输出字形 D C B Aa b c d e f g 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6 555 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 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。 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 18 图 6.1-1 555 的内部电路图 555 定时器个引线端的用途如下： 1 端为接地线； 2 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； 3 端 U0为输出端； 4 端是复位端，当=0 时，基本触发器直接置 0，使 Q=0，=1； 3 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； 6 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 U0=0； 7 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； 8 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 8.8-1 555 定时器功能表，它全面表示了 555 的基本功能。 表 8.8-1 55 定时器功能表 输入输出 阀值输入触发输入复位输出放电管 T X DD DD DD U U U 3 2 3 2 3 2 DD DD DD U U U X 3 1 3 1 3 1 0 1 1 1 0 1 0 不变 导通 截止 导通 不变 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 19 6.2 555 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 6.2-1 555 定时器采用 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。 图 6.2-1 本次设计的秒脉冲电路图 6.3 555 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 1 R 2 R C U CC U 3 2 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 0 UQ 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” ， 2 R C U C U CC U 3 1 将触发器置“1” ， 又由“0”变为“1” 。由于0，放电管 T 截止，又经过 0 UQ CC U 和对电容 C 充电。如此重复上述过程，为连续的矩形波。 1 R 2 R 0 U 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 20 第一个暂稳状态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的 1P T C U CC U 3 1 CC U 3 2 (6.3-1)(7 . 02ln 21211 RRCRRTP 第二个暂稳状态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时间： 2P T C U CC U 3 2 CC U 3 1 (6.3-2)CRCRTP 222 7 . 0ln (6.3-3)CRRTTT PP )(7 . 0 2121 (6.3-4) T T q CRRT f P1 21 )2( 43 . 1 1 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： 5.1K (6.3-5) 1 R 5.1K (6.3-6) 2 R 100uF (6.3-7) 1 C 0.01uF (6.3-8) 2 C 7 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： 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。 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。 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 主控制器的状态信号送入主控制器的 CP 端，观察计说器是否按 60 秒、5 秒、50 秒、5 秒、60 秒循环计数。 四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计 21 把主控制器的状态转换信号 X1、X0 接至信号灯的译码电路，观察 6 个发光 二极管是否按设计要求发光。 整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作。 以上是本次设计的全过程，由以上分析知此设计所需材料有：3 片 74LS90、2 片 74LS247 和 2 个共阳数码管、1 个 555 定时器、3 片 74LS04、2 片 74LS20、1 片 74LS00、21 个 1k 电阻、2 个 5.1k 电阻。1 个 100UF 电容、1 个 0.01UF 电容和导线若 干。 8 结束语 通过此次交通控制信号灯的分析和设计，我深深感到学好数字逻辑电路的重要性。 这一次设计对我来说，感触最深的就是要想做好一个设计课题首先要对每一部分所涉 及的知识点掌握好，只有这样才能对设计做的得心应手。通过此次焊接使我的焊接技 术得到了加强，动手能力也有了进一步的提高，它锻炼了我的分析、设计动手的能力， 培养我思考问题的全面性。 在整个课程设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白 了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去 解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下 去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的 意见，这样做起事情来就可以事倍功半。 本课程设计的完成是在孙老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时