基于数字电路的交通灯控制系统毕业设计

内江师范学院本科毕业设计 i 目目 录录 1 引 言.1 2 设计目的和要求.2 3 设计方案的比较和选定.3 4 系统方框图.4 5 电路工作原理.5 6 电路设计.6 6.1 555 定时器构成的秒脉冲信号发生器.6 6.1.1 555 定时器的引脚.6 6.1.2 555 定时器工作原理.7 6.1.3 秒脉冲信号发生器.8 6.2 定时器电路.8 6.2.1 定时器的作用.8 6.2.2 定时器的构成.9 6.3 控制器电路.11 6.4 译码器.12 7 系统总电路图.15 8 总结.16 参考文献.17 致 谢.18 附录.20 内江师范学院本科毕业设计 ii 摘 要 随着社会不断的发展，人民的生活水平不断的提高，汽车已经成为人们生活必不可 少的一部分,伴随而来的是日趋复杂的交通问题。日趋复杂的交通指挥系统仅靠人力来 完成是远远不够的，这就需要设计一个简单有效的交通灯控制系统来完成这些复杂的工 作，从而使城市交通系统有序，安全地运行。交通灯控制系统的出现是社会发展下的必 然产物，在城市道路系统中占有举足轻重的地位，它直接影响到城市的通车质量。所以， 一个简单有效的交通灯控制系统对一个城市的发展具有巨大的意义。本电路也正是基于 前人设计的基础上进行改进，全部由数字电路组成，比以前的方案更为精确。 关键词关键词：汽车；交通问题；交通灯控制系统；发展；数电 内江师范学院本科毕业设计 iii Abstract With the development of the society, peoples living standard continues to improve, the automobile has been an integral part of peoples life, together with the increasingly complex traffic problem. It is far from enough to manage the increasingly complex command system just depend on human, it requires a simple but effective traffic lights command system to complete these complex work, which makes the urban transport system work in order and safety. So, a simple but effective traffic lights command system means a lot to the growth of a city . Therefore, many designer have worked out a lot of programs, most are traffic lights. This circuit develop on the predecessors programs, all made up of digital circuit, which is more accurate than forever. Key words: automobile; traffic problem; traffic lights command system; develop; digital circuit 内江师范学院本科毕业设计 0 1 引 言 中国最早的马路红绿灯，是于 1908 年出现在上海的英租界。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，大量的交通信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三 者关系的协调方向发展。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，城市交通问题越来越引起人们的关注。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。 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，我们不但要在经济、文化、科技等各WTO 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。以下就交通灯控制系统的电路原理、设计等问题来进行具体分析讨 论。 内江师范学院本科毕业设计 1 2 设计目的和要求 利用所学数字电路等知识，设计简单交通灯控制电路。在由主干道和一支干道汇合 形成的十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉路口的每一个入口处设置 红、黄、绿三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆 有时间停靠在禁止线外，以此实现红绿灯对城市交通的自动指挥。要求如下： (1) 用红、黄、绿三色发光二极管作为信号灯，设计由一个主干道和一个支干道形 成的十字路口的交通灯控制系统。 (2) 当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许通行亮绿灯时，主 干道亮红灯。 内江师范学院本科毕业设计 2 3设计方案的比较和选定 设计方案一： 本设计为交通灯系统。首先考虑设计秒脉冲发生器，常见的是使用 555 定时器和 一些分立元件组合设计，使其产生 1Hz 的方波信号，作为后面电路的时钟触发信号； 其次是计时器的设计，使用两片 74LS163 级联组成 25 进制的计数器；系统的主控制电 路是整个系统的核心，控制信号灯的工作状态，使用 74LS153D 数据选择器和 7474N 触发器组成主控电路；最后是译码输出，选择使用灯显示。LED 设计方案二： 首先是秒脉冲的设计，由完全的分立元件组成，要使用变压器，放大器，运算器 等器件；计时器的设计，使用 74LS163 级联组成 25 进制的计数器，由前级的秒脉冲信 号作为触发信号；主控制电路的设计，使用分立元件和集成电路的组合实现。 方案的比较： 通过以上方案的比较，方案一更适合。 内江师范学院本科毕业设计 3 4 系统方框图 控制系统主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码器和显示器等部分组成，如 图 1 所示。 图图1 系统原理方框图系统原理方框图 秒脉冲 发生器 控制器 译码器 主干道 信号灯 支干道 信号灯 定时器 内江师范学院本科毕业设计 4 5 电路工作原理 十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。如图 2 所示，十字路口中， 主干道和支干道都设置了红、黄、绿三色交通信号灯，红灯停，绿灯行。十字路口的车 辆运行情况有 4 种可能： (1)设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主干道绿灯和支干道红灯亮， 持续时间为 25s； (2) 25s 后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主干道黄灯和支干道红灯亮， 持续时间为 5s； (3) 5s 后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主干道红灯和支干道绿灯亮， 持续时间为 25s； (4) 25s 后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主干道红灯和支干道黄灯亮， 持续时间为 5s。5s 后又回到第一种情况，如此循环反复。在这两个黄灯的 5 秒内，越 过停车线的车辆可以继续前进。 图图 2 十字路口示意图十字路口示意图 设计使用 555 定时器作为秒脉冲发生电路，调节的大小可以使电路输出 1Hz 的C 脉冲信号，并以此脉冲信号输出作为后级电路的触发信号。因要求车道通行时间为 25 秒，黄灯亮 5 秒，所以使用两片 74LS163 级联作为电路的计时器电路，74LS163 是二 进制同步计数器，两片级联可以构成 25 进制的计数器。当计数至 5 秒和 25 秒时选择 输出信号，作为主控制电路的计数时间，主控制电路使用数据选择器和触发器根据不 同的信号控制要求进行连接，控制输出信号经过译码器再接灯，显示不同的交通LED 信号。 内江师范学院本科毕业设计 5 6 电路设计 6.1 555 定时器构成的秒脉冲信号发生器 6.1.1 555 定时器的引脚 555 定时器内部含有一个基本触发器，两个电压比较器、,一个输出缓冲RS1C2C 器，一个放电三极管和由三个 5K 的电阻组成的分配器， 。比较器的参考电压为3GT1C ，加在同相输入端；的参考电压为，加在反相输入端，两者均由分配器上 3 2 CC V 2C 3 CC V 取得。555 定时器的内部电路图和引脚排列图如下所示。 图图 3 555 的内部电路图的内部电路图 图图 4 555 定时器引脚排列图定时器引脚排列图 内江师范学院本科毕业设计 6 555 定时器 8 个引线端的用途如下： 1 端：接地线； 2 端：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时，C2 输 3 CC V 出为 1；当输入电压低于时，C2 的输出为 0，使基本触发器置 1； 3 CC V 3 端：输出端； 0 U 4 端：复位端，当=0 时，基本触发器直接置 0，使=0，=1；RQQ 5 端：电压控制端，如果端另加控制电压，则可以改变，的参考电压。 UCO1C2C 工作中不使用 端时，一般都通过一个 0.01uF 的电容接地，以防旁路干扰；CO 6 端：放电端。当基本触发器的=1 时，放电晶体管导通，外接电容元件通过QT 放电；T 7 端：高电平触发端，当输入电压低于时，的输出为 1；当输入电压高于 3 2 CC V 1C 时，的输出为 0，使基本触发器置 0，即=0，=1，这时定时器输出=0； 3 2 CC V 1C 0 QQ 0 U 8 端：电源端，可在 4.3-1.6v 范围内使用，若为电路，则=3-18v。CMOS CC V 6.1.2 555 定时器工作原理 接通电后，定时器经过电阻和对电容充电，当上升略高于时，比 1 R 2 RC C u CC U 3 2 较器的输出为“0” ，将触发器置“0” ，为“0” 。这时， 1，放电管导通，电 1 C o uQT 容通过和放电，下降。当下降略低于时，比较器的输出为“0” ，C 2 RT C u C u CC U 3 1 2 C 将触发器置“1” ，又由“0”变为“1” 。由于0，放电管截止，又经过和 o uQT CC U 1 R 对电容充电。如此重复上述过程，为连续的矩形波。 2 RC o u 第一个暂稳状态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的时间 p1 t C u CC U 3 1 CC U 3 2 (1)CR0.7(R)Cln2R (Rt 2121p1 第二个暂稳状态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时间： 2 tp C u CC U 3 2 CC U 3 1 (2)CRCR 22p2 7 . 02lnt 内江师范学院本科毕业设计 7 振荡周期 (3)CRRT)2(7 . 0tt 21p2p1 振荡频率 (4) CRRT f )2( 43. 11 21 6.1.3 秒脉冲信号发生器 123456 A B C D 654321 D C B A Titl e Nu mberRev isionSize B Date:4-J an-20 02 Sheet o f File:C:Do cuments an d Set tingsAd minis trator件件件件件件件esig n.ddbDrawn B y: TR IG 2 OU T 3 4 CV OLT 5 TH OLD 6 DIS CHG 7 8 1 RE SETVC C GN D U8 NE 555 C4 10n f R5 15k R6 68k VC C C6 10u f 图图 5 555 定时器电路定时器电路 根据上述 555 定时器产生脉冲信号的频率计算公式： (5)CRRT)2(7 . 0tt 21p2p1 (6) CRRT f )2( 43. 11 21 得 (7) 565 )2(7 . 0CRRT 665 )2( 43 . 1 CRR f 6.2 定时器电路 6.2.1 定时器的作用 定时器的功能是精确定时，主要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 25s、5s 等方式的计数；二是向控制器发出状态转换信 号，控制器根据状态转换信号进行状态转换。 内江师范学院本科毕业设计 8 6.2.2 定时器的构成 定时器由与秒脉冲发生器发出的秒脉冲同步的计数器构成.要求计数器在状态信号 作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增 1 计数， T S 向控制器提供信号。这里计数器选用 74LS163。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。由于绿灯时间为 25 秒，所以绿灯定时器应由两块 74LS163 级联组成，定时器由秒脉冲计数器构成，计数器在状态信号作用下，首先 T S 清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增 1 计数，向控制器提供 模 5 的定时信号 和模 25 的定时信号。 r T L T 74LS163 的外引线排列图、逻辑功能表和时序波形图如下所示。图 6 中，是低CR 电平有效的同步清零输入端，是低电平有效的同步并行置数控制端，、是 LD P CT T CT 计数控制端，是进位输出端，是并行数据输入端，是数据输出端。CO 30 DD 30 QQ 电路的工作原理如下：当电路刚开始工作时左边的高位片=0,=0,=1，右边 P CT T CTLD 的低位片=1,=1,=1，来自编码器的控制信号=0,即 =1，在输入时钟 P CT T CTLD T SCR 脉冲上升沿的作用下，并行输入的数据被置入计数器，即=CP 30 DD 0123 QQQQ =0000,同时右边的低位片开始计数，当它计数到 0100 时，=1, =0，计 0123 DDDD T SCR 数器被置 0，即=0，然后低位片又从 0 开始计数，当低位片计数到 0123 QQQQ =1111 时，向左边的高位片进 1，当计数器计数到 0123 QQQQ =00011000 时，控制信号=1，=0，计数器又被置 0，接着计数 01234567 QQQQQQQQ T SCR 器又重复以上过程。 内江师范学院本科毕业设计 9 74LS163 外引线排列图外引线排列图 74LS163 逻辑功能表逻辑功能表 输输 入入输输 出出 CRLD P CT T CPCP 0 D 1 D 2 D 3 D 0 Q 1 Q 2 Q 3 Q 0 0 0 0 0 1 0 0 d 1 d 2 d 3 d 0 d 1 d 2 d 3 d 1 1 1 1 计数 1 1 0 保持 1 1 0 保持 图图 7 74LS163 时序波形图时序波形图 内江师范学院本科毕业设计 10 所以定时器电路如下： 123456 A B C D 654321 D C B A Title Nu mberRev isionSize B Date:4-Jan-20 02 Sheet o f File:C:Do cuments an d SettingsAd ministrator件件件件件件件esig n.ddbDrawn B y: CLR 1 CLK 2 P1 3 P2 4 P3 5 P4 6 PE 7 LD 9 TE 10 Q4 11 Q3 12 Q2 13 Q1 14 CO 15 U1 9 PO T2 CLR 1 CLK 2 P1 3 P2 4 P3 5 P4 6 PE 7 LD 9 TE 10 Q4 11 Q3 12 Q2 13 Q1 14 CO 15 U1 8 PO T2 C5 100 nf VC C R8 2 98 U5 D 74L S04 VC C 定时器电路定时器电路 6.3 控制器电路 控制器的功能是按预定的时间控制着每个交通灯的亮和灭。控制器是交通管理的核 心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。根据系统工作原理可 以列出控制器的状态转换表，如表 2。选用两个触发器做为时序寄存器产生 4 种状D 态，控制器状态转换的条件为和，当控制器处于=0 状态时，如果=0，则 L T Y T nnQ Q 01L T 控制器保持在 00 状态；如果=1，则控制器转换到状态。这两种情况与条件 L T 1 0 1 1 nn QQ 无关，所以用无关项“”表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信 Y T 号。 T S 根据以上方程，选用数据选择器 74LS153 来实现每个触发器的输入函数，将触D 发器的现态值（）加到 74LS153 的数据选择输入端作为控制信号，即可实现控制 nnQ Q 10 器的功能。使用 74LS153D 数据选择器和 7474N 触发器组成主控电路如图 9： 内江师范学院本科毕业设计 11 123456 A B C D 654321 D C B A Titl e Nu mberRev isionSize B Date:4-J an-20 02 Sheet o f File:C:Do cuments an d Set tingsAd minis trator件件件件件件件esig n.ddbDrawn B y: VC C 1G 1 B 2 1C3 3 1C2 4 1C1 5 1C0 6 1Y 7 2Y 9 2C0 10 2C1 11 2C2 12 2C3 13 A 14 2G 15 U9 PO T2 1G 1 B 2 1C3 3 1C2 4 1C1 5 1C0 6 1Y 7 2Y 9 2C0 10 2C1 11 2C2 12 2C3 13 A 14 2G 15 U1 0 PO T2 VC C 34 U5 B 74L S04 D 2 Q 5 Q 6 CL K 3 41 PR E CL R U1 1A 74L S74 D 12 Q 9 Q 8 CL K 11 1013 PR E CL R U1 1B 74L S74 图图 9 控制电路控制电路 表表 2 控制器状态转换表控制器状态转换表 输输 入入 输输 出出 现现 态态 状态转换条件状态转换条件 次次 态态 次态转换信号次态转换信号 n Q1 n Q0 L T Y T 1 1 n Q 1 0 n Q T S 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 6.4 译码器 译码器输入为二进制代码，输出为与输入代码对应的特定信息，它可以是脉冲， 也可以是电平，根据需要而定。译码器的主要任务是将控制器输出的四种工作状态， 内江师范学院本科毕业设计 12 翻译成主、支车道上 6 个信号灯的工作状态。 表表 3 状态表状态表 控制状态控制状态 信号灯状态信号灯状态车道运行状态车道运行状态 （00） 0 S主绿，支红主车道通行，支车道禁止通行 （01） 2 S主黄，支红 主车道缓行，支车道禁止通行 （11） 3 S主红，支绿主车道禁止通行，支车道通行 （10） 4 S主红，支黄主车道禁止通行，支车道缓行 交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用、 0 S 、表示。 1 S 2 S 3 S 状态：主干道绿灯亮，支干道红灯亮。此时主干道允许车辆通行，支干道禁止 0 S 车辆通行。当主干道绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下 一个状态。 状态：主干道黄灯亮，主干道红灯亮。此时主干道允许超过停车线的车辆继续 1 S 通行，而未超过停车线的车辆禁止通行，支干道禁止车辆通行。当主干道黄灯亮够规 定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。 状态：主干道红灯亮，支干道绿灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许 2 S 车辆通行，当支干道绿灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一 个状态。 状态：支干道红灯亮，支干道黄灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许 3 S 超过停车线的车辆通行，而未超过停车线的车辆禁止通行。当支干道红灯亮够规定的 时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态 状态。 0 S 因此，用定时器产生时间间隔后，向控制器发出“时间已到”的信号，控制器根据 定时器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，则控制器发出状态转换信号， T S 定时器开始清零，准备重新计时。 内江师范学院本科毕业设计 13 123456 A B C D 654321 D C B A Title Num berRevisionSize B Date:11-Dec-2005Sheet of File:C:Docum ents and S ettingsAdm inistrator件件esign.ddbDrawn By: R7 10 VCC D1 LE D 1 1 2 2 D11 LE D D12 LE D D2 LE D D9 LE D D10 LE D E 1 A 2 B 3 Q0 4 Q1 5 Q2 6 Q3 7 U13A 74LS139 1 2 3 U3A 74LS32 4 5 6 U3B 74LS32 图图 译码电路译码电路 内江师范学院本科毕业设计 14 7系统总电路图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:11-Dec-2005Sheet of File:G:esign.ddbDrawn By: R7 10 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g DS3 DPY_7-SEG BI/RBO 4 RBI 5 LT 3 A 7 B 1 C 2 D 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 U16 74LS48 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g DS4 DPY_7-SEG BI/RBO 4 RBI 5 LT 3 A 7 B 1 C 2 D 6 a 13 b 12 c 11 d 10 e 9 f 15 g 14 U17 74LS48 VCC D1 LED 1 1 2 2 D11 LED D12 LED D2 LED D9 LED D10 LED E 1 A 2 B 3 Q0 4 Q1 5 Q2 6 Q3 7 U13A 74LS139 VCC TRIG 2 OUT 3 4 CVOLT 5 THOLD 6 DISCHG 7 8 1 RESETVCC GND U8 NE555 CLR 1 CLK 2 P1 3 P2 4 P3 5 P4 6 PE 7 LD 9 TE 10 Q4 11 Q3 12 Q2 13 Q1 14 CO 15 U19 POT2 CLR 1 CLK 2 P1 3 P2 4 P3 5 P4 6 PE 7 LD 9 TE 10 Q4 11 Q3 12 Q2 13 Q1 14 CO 15 U18 POT2 1G 1 B 2 1C3 3 1C2 4 1C1 5 1C0 6 1Y 7 2Y 9 2C0 10 2C1 11 2C2 12 2C3 13 A 14 2G 15 U9 POT2 1G 1 B 2 1C3 3 1C2 4 1C1 5 1C0 6 1Y 7 2Y 9 2C0 10 2C1 11 2C2 12 2C3 13 A 14 2G 15 U10 POT2 C5 10uf C4 10nf R5 15k R6 68k VCC VCC VCC 1 2 3 U20A 74LS86 1 2 13 12 U21A 74LS27 C6 100nf R8 2 34 U5B 74LS04 56 U5C 74LS04 98 U5D 74LS04 12 U5A 74LS04 1110 U5E 74LS04 VCC D 2 Q 5 Q 6 CLK 3 41 PRE CLR U11A 74LS74 D 12 Q 9 Q 8 CLK 11 1013 PRE CLR U11B 74LS74 1 2 3 U3A 74LS32 4 5 6 U3B 74LS32 1 2 3 U4A 74LS08 4 5 6 U4B 74LS08 图图 系统总电路图系统总电路图 内江师范学院本科毕业设计 15 8 总结 该设计电路基本能满足交通信号灯控制器的设计要求，通过控制十字路口两组红、 黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，能够实现交通十字路口管理 的自动化控制。该电路设计相对来说比较简单，实用。但设计中存在很多的不足之处， 比如说该秒脉冲发生器的时间精度不够精确，假如采用单片机中的计时器来控制的话就 会相当准确；另外该电路不能显示倒计时的时间，如果采用 74LS192 替换 74LS163 就可 实现减法计数，然后再接上 CT74LS138 译码芯片和数码管就可显示倒计时的时间，但后 来发现在对 74LS192 的定时控制方面有错误，由于知识有限，也一直找不到突破口，因 此放弃了该方案。 交通信号灯在我们的生活中随处可见，其规则都为我们所熟悉，因此这次的设计 相对来说比较容易理解，比较简单，但是，通过对交通信号灯控制器的设计，我学到了 很多的知识，一方面，我掌握了常用元件的识别和测试方法；熟悉了常用的仪器仪表； 以及如何提高电路的性能等等。另一方面，我深刻认识到了“理论联系实际”这句话的 重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而 且也巩固了以前知道的知识。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