交通信号灯课程设计

1、1目录目录摘摘 要要.3 3关键词关键词.3 3引引 言言.3 3一、交通信号灯的设计目的以及要求一、交通信号灯的设计目的以及要求.4 4二二. .交通信号灯基本原理及设计方法交通信号灯基本原理及设计方法.5 5三、主控制器三、主控制器.7 73.1 74LS90 引脚排列图与逻辑图.73.2 74LS90 的功能表及引脚功能.8四、计数器四、计数器.9 94.1 计数器的作用 .94.2 计数器的工作情况 .94.3 控制信号灯的译码电路的真值表 .104.4 置数电路 .114.5 状态译码电路 .13五五. .译码显示电路译码显示电路.14145.15.15.1 共阴极共阴极共阴极 LE

2、D 七段数码管 .145.2 CD4511 译码器.14六六.555.555 振荡器构成的秒脉冲电路振荡器构成的秒脉冲电路 .17176.1 555 定时器的引脚.176.2 555 定时器构成的多谐振荡器.186.3 555 定时器工作原理.19七、交通灯信号灯控制总体框图七、交通灯信号灯控制总体框图.2121八八. .组装和调试过程组装和调试过程.2222总总 结结.2323参考文献。参考文献。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。

3、。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。232摘摘 要要交通信号灯控制系统的设计十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆安全通行，实现红绿灯的自动指挥是城市交通管理自动化的重要课题。因为交通信号灯控制系统是要根据计时的情况实现对交通信号灯的控制和对数字显示器的控制,所以用微控制器MCU（Microcontroller Unit,又称单片机）实现交通信号控制系统的设计。又因为微控制器MCU 应用系统抗干扰性差，故一般应该综合采用软、硬件抗干扰措施，才能获得好的抗干扰效果，以便交通信号的控制系统更好的实现。随着交通工具的发展

4、和交通指挥的需要，第一盏红、黄、绿三种标志的三色灯于 1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通环境大为改善。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。关键词关键词：控制器 计数器 信号灯 译码电

5、路3引引 言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

6、控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。4一、交通信号灯的设计目的以及要求一、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。本课题的任务是设计制作一个余下的全在任务书上！全抄完二二.交通信号灯基本原理及设计方法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。有南北和东西方向的十字路口如图 3-1 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

7、秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。5南北 东西 路口交通指挥系统示意图设东西道通行时间为 t1，南北道通行时间为 t2，东西，南北道路黄灯的时间均为 t3，6东西绿灯亮，南北红灯亮计数器由N1 到 20 递减计数东西黄灯亮，南北红灯亮计数器由N3 到 5 递减计数东西红灯亮，南北绿灯亮计数器由N2 到 15 递减计东西红灯亮，南北黄灯亮计数器由N3 到 5 递减计S1S2S3S0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

8、8421BCD 码的计数、译码显示器。 7显示器译码器计数器时钟信号发生器南北信号灯信号灯译码驱动电路东西信号灯主控电路交通信号灯控制原理电路框图十字路口车辆运行情况只有 4 种可能：1）设开始时东西通行，南北不通行，这种情况下东西绿灯和南北红灯亮，持续时间为 15s。2）15s 后，东西停车，东西仍不通行，这种情况下东西黄灯和南北红灯亮，持续时间为 5s。3）5s 后，东西不通行，南北通行，这种情况下东西红灯和南北绿灯亮，持续时间为 15s。4）15s 后，东西仍不通行，南北停车，这种情况下东西红灯和南北黄灯亮，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

9、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。8S0S1S2S315s 后5s 后15s 后5s 后状态转换图 三、主控制器三、主控制器3.1 74LS90 引脚排列图与逻辑图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4-1 74LS160 管脚排列图,逻辑图如图所示。为以后叙述方便，设 X1=QB,X0=QA。 974LS

10、160 管脚排列图主控制器的逻辑图3.2 74LS160 的功能表及引脚功能的功能表及引脚功能. .74LS90 功能表10四、计数器四、计数器4.1 计数器的作用计数器的作用计数器的作用有二：一是根据东西干道和南北干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行 20s、5s、15s 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 20s 计数；20s 后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使

11、计数器归零，主控制器进入状态 S1，计数器开始 15s 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 20s 计数；20s 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 20s、15s、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：L=A+B+C其中：A=S0A=S0 Q QC2C2= = Q QC2C2 B=S2B=S

12、2 Q QB2B2 Q QA2A2= = Q QB2B2 Q QA2A2C=S1 QB1 QA1+S3 QB1QA1= X0 QB1 QA1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11制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器(74LS160)。图计数器(利用 74LS160 正计数功能)4.3 控制信号灯的译码电路的真值表控制信号灯的译码电路的真值表主控制器的 4 种状态分别要控制东西、南北干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为 1，灯灭为 0，则控制信号灯的译码电路的真值表。表控制信号灯的译码电路的真值表主控制器状态东西道 南北道 X1 X0

13、红灯 R 黄灯 Y 绿灯 G红灯 r 黄灯 y 绿灯 gS0 0 0 S1 0 1S2 1 0S3 1 1 001010100100100100001010由灯控真值表可写出六盏等的逻辑式,经化简获的六盏灯逻辑式为： 由真值表得灯控函数逻辑表达式R=QB r =Q BY=QB QA y =QBQA G=QBQA g =QBQA4.4 置数电路置数电路由真值表可分别写出各灯的逻辑表达式：12 R=S2+S3=X1X0+X1X0=X1 Y=S1=X1X0 G=S0=X1X0 r=S0+S1=X1X0+X1X0=X1 y=S3=X1X0 g=S2=X1X0根据功能要求采用以下逻辑门电路构成：门电路是

14、数字逻辑电路的基本组成单元，门电路按逻辑功能可分为：与门、或门、非门以及与非门、或非门、异或门、同或门、与或非门。若按电路结构组成的不同，可分为立元件门电路、CMOS 集成门电路、TTL 集成门电路等。各种集成门电路通常都封装在集成芯片内。此次设计采用的集成电路有 74LS48、74LS160、74LS192、74LS194 引脚排列图如下图所示 这些集成电路的封装形式均为双列直插式。为双列直插式集成电路的右下方通常是地线GND，左上方引脚一般是电源线 VCC，其它引脚的用途如图中符号所示，每个集成电路都有自己的代号，与代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途。74LS48、74LS160、7

15、4LS192、74LS194引脚图如下图所示：.图 74LS48 内部结构引脚图13图 74LS160 内部结构引脚图图 74ls192 内部结构引脚图 图 74LS194 三输出与非门内部结构引脚图 4.5 状态译码电路状态译码电路根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图所示。将状态控制器，状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，如图所示。14图 态译码电路五五.译码显示电路译码显示电路译码显示电路主要是由共阴极共阴极共阴极 LED 七段数码管，CD4511 译码器组成。5.15.15.1 共阴极共阴极共阴极共阴极 LED 七段数码管七段数

16、码管数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。此次设计采用的是共阴极连接如图15图 共阴极数码管引脚图5.2 CD4511 译码器译码器图 74LS48N 管脚功能排列图1.以下介绍各引脚的功能：其功能介绍如下： BI：4 脚是消隐输入控制端，当 BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3 脚是测试输入端，当 BI=1，LT=0 时，译码输出全为 1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当 L

17、E=0 时，允许译码输出。 LE=1 时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在 LE=0 时的数值。 A1、A2、A3、A4、为 8421BCD 码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平 1 有效。162.数码连接译码电路。CD4511 是一种 BCD 码输入端,其中 D 是高电位;a、b、c、d、e、f、g 是输出端,输出高电平有效,和共阴极半导体发光数码管各发光段的阳极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，CD4511 和数码管的管脚排列图:图 段数码显示器管脚接法图 数码管连接电路图173. 真值表共阳极数码管的数字显示真值表如下表所示表 七段显示译码

18、电路真值表18六六.555 振荡器构成的秒脉冲电路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的引脚 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。图 555 的内部电路图 555

19、 定时器引脚排列图555 定时器个引线端的用途如下：1911 端为接地线；22 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；33 端 U0为输出端；44 端是复位端，当=0 时，基本触发器直接置 0，使 Q=0，=1；53 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；66 端 TH 为高电平触发端，当输入电压低于 2VCC/3 时，C1 的输出

20、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；77 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；88 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 7-1 555 定时器功能表，它全面表示了 555 的基本功能。55 定时器功能表6.2 555 定时器构成的多谐振荡器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 7-3 555 定时器图 7-4

21、 波形图采用 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。20图 本次设计的秒脉冲电路图6.3 555 定时器工作原理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 C1 的输出为“0” ，将触发器置“0” ，为“0” 。这时， 1，放电管 T 导通，电

22、容 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” ，将触发器置“1” ，又由“0”变为“1” 。由于0，放电管 T 截止，又经过和对电容 C 充电。如此重复上述过程，为连续的矩形波。第一个暂稳状态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的（）Cln20.7（）C 第二个暂稳状态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时间：Cln20.7C 21振荡周期 T=+0.7(2)C 振荡频率 占空比 q=tp1T 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：R128.86KR257.72KC110nFC210nF七、交通灯信号灯控制总体框图七、交通灯信号灯控制总体框图根据设计各部分功能可画出交通信号灯控制系统总体框图：22 图 交通信号灯控制系统总体框图 23八八.组装和调试过程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：1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