交通信号灯控制电路的设计

1、课程设计课程设计1 前言前言21 世纪是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制、突发事件、故障处理等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（表示禁止通行） 、绿灯（表示允许通行） 、黄灯（表示警示）组成。分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。道路交通

2、信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际生活中！唐山学院课程设计唐山学院课程设计2 2 交通信号灯控制电路的设计交通信号灯控制电路的设计2.1 设计设计题目题目设计题目：交通信号灯控制电路的设计2.2 设计设计要求要求1.信号灯白天工作要求某方向绿灯点亮 20 秒，然后黄灯点亮 4 秒，最后红灯

3、点亮 24 秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以 4 秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为 5：1：6。从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用 LED 红、绿、黄发光二极管模拟。信号指示灯白天点亮流程图如下图。2.夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。图 1-1 信号指示灯白天点亮流程图南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t南

4、北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t唐山学院课程设计唐山学院课程设计33 交通信号灯控制电路的性能简介交通信号灯控制电路的性能简介1 秒脉冲产生电路:由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器 555 和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，建议用 555 定时器组成多谐振荡器。十二进制计数器: 计

5、数器可以用触发器组成，也可以用中规模集成计数器组成，以及用移位寄存器组成环形或扭环形计数器。建议用中规模移位寄存器组成扭环形 12 进制计数器。分频器: 上述十二进制计数器的时间单位为 4 秒，即它的 CP 脉冲为 4 秒。为了使整体电路工作步调一致，4 秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个 4 分频器电路。秒脉冲经 4 分频后得到 4 秒脉冲，将其作为十二进制计数器的 CP 脉冲。采用两个 D 触发器组成 4 分频器电路。控制电路的特点：从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南

6、北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。其整体电路框图如下图所示：根据交通灯的性能要求以及整体电路图，设计本次课程设计的交通灯电路。图 3-1 整体电路框图唐山学院课程设计唐山学院课程设计44 交通信号灯控制电路的设计交通信号灯控制电路的设计4.1 直流稳压电源的设计直流稳压电源的设计直流稳压电路的作用是将整流滤波输出的不稳定直流电进行稳定，输出负载需要的稳定直流电。从稳压电路中起稳压作用的器件的工作状态角度分为：线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源从稳压器件与负

7、载的连接方式角度分为：串联型稳压电源和并联型稳压电源。本章介绍串联型稳压电源（并联型输出电流较小）。串联型线性稳压电源从电路组成角度分为：分立元件稳压电源和集成稳压电源。本章两种情况都介绍，但重点在集成稳压电源。作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的 5V 直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为 5V 的直流稳压电源。78 系列和 79 系列三端线性集成稳压器为输出固定电压的集成稳压器。78 系列输出正电压，79 系列输出负电压。它们输出的固定电压标称值分别为:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V。如 7

8、805 输出电压为 5V，7806 输出电压为 6V，7824 输出电压为 24V。79 系列输出电压与此类同。输出电流档次由78（79）与输出电压档次之间的英文字母决定：L(0.1A)、M(0.5A)、空（1.5A）、T(3A)、H（5A）、P(10A)。由于建议系统的集成芯片选用 TTL 类型，要求直流稳压电源输出+5V 直流电压。其额定输出电流视系统所需电流。决定，系统负载电流小于 1.5A 是选用 7805 芯片即可，系统负载电流大于1.5A 时，可选用 78T05(3A)、78H05(5A)，78P05(10A)。根据电源的负载电流，折算成值，利用有关公式选择滤波电容的容量。LR其耐

9、压应高于变压器次级电压峰值 2 倍以上。根据负载电流，选择整流二极管，要求二极管最大整流电流大于负载电流的2 倍以上。其耐压应大于变压器次级电压峰值的 2 倍以上。压器的功率应大于系统功率 2 倍以上，次级输出电压有效值根据桥式整流电容滤波输出电压为，而这个值应大于稳压输出电压值的，从而选21.11.2U35V定变压器次级电压的有效值。而整流滤波的输出为，本系统采用 8299 整流810V桥。变压器选择即可。9/12V直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。唐山学院课程设计唐山学院课程设计5因此直流稳压电源的设计电路如图 4-1 所示。其中 780

10、5 的引脚为：1 入，2 地，3 出。电容选用。3300 F4.2 秒脉冲产生电路的设计秒脉冲产生电路的设计由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器 555 和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，采用 555 定时器组成多谐振荡器。555 定时器外接少量元件就可以组成脉冲波形产生和变换电路。由于内部有3 个 5k 的电阻分压器，故称 555。由于该器件的第一个应用电路为单稳态触发器，而此单稳态触发器用来作定时器，因此将 555 器件命

11、名为 555 定时器。555器件的应用很多，在自动检测及控制、定时器、报警器、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。现已出版 555 应用 800 例，900 例，1500 例等书籍。分析这些应用电路归类发现，应用举例中 555 器件不外组成三种基本电路：555多谐振荡器、555 单稳态触发器、555 施密特触发器。其中由 555 构成本次课设的 1 秒脉冲电路如下图所示：振荡周期与频率的计算公式为：，1212T(R2R ) C1n20.7(R2R )C图 4-1 直流稳压电源原理图图 4-2 555 多谢震荡器原理图唐山学院课程设计唐山学院课程设计6。电源电压，其中电路图中的作用是防止

12、电磁干扰对振荡电1Tf CCV=+5V2C路的影响，一般选用的瓷片电容。再次课程设计中要求输出，选取0.01 FT=1S电容为，根据震荡周期计算，选择电阻。当原件选1C =1 F1R =3601R =560取完成之后，根据电路原理图连接电路即可。4.3 十二进制计数电路的设计十二进制计数电路的设计由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为 5：1：6） ，因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。按设计思路中的设计，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用 8 位串入并出移位寄存器 74LS164。（1）74LS164 有关资料

13、： 74LS16 引脚图如下图所示：74LS164 功能表如下图所示：分别为寄存器输出A0 B0C0D0 E0F0G0H0QQ Q QQ Q Q Q、在指明稳态输入条件建立之前的电平。A BC DEFGHQQQQQQQQ、分别为寄存器输出AnBnCnDnEnFnGnQ Q Q Q Q Q Q、A Q在时钟最近出现上升沿之前电平。A BC DEFGHQQQQQQQQ、图 4-3 74LS164 引脚图图 4-4 74LS16 功能表器原理图唐山学院课程设计唐山学院课程设计7：异步清零端，低电平有效。 DR应用电路：用 74LS164 组成的 12 进制扭环型计数器电路 ，其电路图如下图所示。A、

14、B:串行输入端。当两个输入端任何一个或两个为低电平时禁止新数据输入，并在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（）置为低电平。当两A Q个均为高电平时，在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（）置为高A Q电平。其 12 进制扭环型计数器真值表如下图所示： 由上图可以看出，根据 CP 脉冲的变化，图 4-5 12 进制扭环型计数器电路原理图图 4-6 12 进制扭环型计数器真值表唐山学院课程设计唐山学院课程设计8的输出有 12 个不同的状态，从而实现了电路的A BC DEFGHQQQQQQQQ、12 进制计数。在构成以上 12 进制扭环型计数器时用到了 2 输入的非门，本次课程设计选用的 2

15、 输入的非门芯片为 74LS04。其引脚结构图如下图所示：根据 74LS04 的引脚结构图选择合适位置的引脚连接电路。4.4 分频器电路的设计分频器电路的设计上述十二进制计数器的时间单位为 4 秒，即它的 CP 脉冲为 4 秒。为了使整体电路工作步调一致，4 秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4 分频器电路。秒脉冲经 4 分频后得到 4 秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP 脉冲。本次课程设计使用两个 D 触发器组成 4 分频器电路。4S 脉冲是为 74LS164 提供的 CP 脉冲。从理论上讲，4S 脉冲可以用多谐振荡器来产生。为了使整体电路的脉冲协调一致，4S 脉冲应将秒脉冲

16、经过 4 分频器得出。因此，4S 脉冲电路的设计实际上就是 4 分频器的设计。使用 74LS74 实现 4 分频器。其四分频的电路原理图如下图所示：74LS74 是内有两个 D 触发器的 TTL 集成电路，将每一触发器接成触发器，两级串联就实现 4 分频，即输入 1S 脉冲，输出 4S 脉冲。本次课程设计使用的 D 触发器为 74LS74，其外部引脚结构图和其真值表如图 4-7 74LS04 引脚结构图图 4-8 四分频的电路原理图唐山学院课程设计唐山学院课程设计9下图所示：根据 74LS74 真值表和外部引脚图，选择合适的引脚连接电路即可构成四分频的电路。4.5 组合逻辑电路的设计组合逻辑电

17、路的设计根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。组合逻辑电路的真值表如图所示：。图 4-9-a 74LS74 引脚结构图 图 4-9-b 74LS74 真值表图 4-10 组合逻辑电路的真值表唐山学院课程设计唐山学院课程设计10根据上图真值表写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得： FEQQNSG FEQQEWG FEQQNSY FEQQEWY FQNSR FQEWR 由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。建议非门选用 TTL 集成门 74LS04，与门选用 TTL 集成门 74LS08。 当

18、然，以上仅是考虑白天工作方式时的情况。下面将介绍白天和夜间综合考虑的情况，综合考虑后，表达式需要修改，则门电路也需要作响应的修改。黄灯点亮的按秒闪动，将在下面考虑。白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使 74LS164 停止循环工作，即通过开关将 74LS164 的接地，使DR74LS164 的所有 Q 端全部清零。白天为高电平，74LS164 循环工作。DR 由 74LS164 组成的 12 进制扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。在夜间由于使所有的 74LS164 的 Q 端清零，因此会出现

19、以下问题：0RD(1)，由于夜间 Q 端均为低电平，则 NSG 为高电平，即南北绿FEQQNSG 灯点亮，显然这是不允许的，所以 NSG 的表达式需要修改；(2)，由于夜间 Q 端均为低电平，则 EWR 为高电平，即东西红灯FQEWR 点亮，显然这是不允许的，所以 EWR 的表达式需要修改；(3) 由于夜间 、均为低电平时，则FEQQNSY FEQQEWY EQFQNSY、EWY 为低电平，即南北和东西方向的黄灯不能点亮，显然这是不允许的，所以 NSY、EWY 的表达式需要修改。上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下：(1)在夜间由于,将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间由于EF

20、Q =Q =0，则 NSG0，即夜间南北绿灯不点亮；在白天由于，则0RD1RD即南北绿灯按白天工作方式点亮。DEFEFNSGR Q Q =Q Q(2)在夜间由于,的解决方法：令，即将FQ =0FEWRQ1EWRRQDFEWR 与之间的连线改为额两输入的与门。那么，在夜间由于，则FQDR0，即夜间东西红灯红灯不亮；而在白天，则，即EWR=0DR1DFFEWRR Q =Q东西方向红灯按白天工作方式点亮。虽然，在夜间由于，则，即南北红灯不亮。但为了对FNSG=QFQ0NSG0称也将其修改为。DFNSGR Q唐山学院课程设计唐山学院课程设计11(3)在夜间由于，使均为 0 的解决方法：使EFQ =Q0

21、ENSYQ Q，即将原来的两输入与门改为在与门之后增加FDENSYRQ QEDFEWYRQ Q一级两输入或门，其中一个输入端为，即将经过一级非门后输出，另一个DRDR输出端为原来两输入与门的输出(的输出或的输出)。那么在夜间由于FEQ QFEQ Q，则，即南北和东西方向的黄灯点亮；而在白天由DDR1,R0NSYEWY=1于，则，即各方向DDR0,R1DFENWYRQ QDEEFFNWYRQ Q =Q Q的灯按白天工作方式点亮。经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式为： DEFNSGQ Q RDEFEWGQ Q R FEDNSYQ Q +REFDEWYQ Q +R DFNSRQ RDFEW

22、RQ R在此次逻辑电路的设计过程中用到的芯片有：74LS04，74LS08，74LS32，74LS11。则各芯片的外部引脚如下图所示：74LS04 为六组一输入与门；74LS08 为四组二输入与门；74LS32 为四组二输入或门；74LS11 为三组三输入或门。各个芯片的驱动电压均为+5V。根据各芯片外部引脚不，选择合适位置的引脚，连接电路。其逻辑控制原理电路如下图所示：图 4-11 各芯片引脚图图 4-12 逻辑控制原理图唐山学院课程设计唐山学院课程设计12通过以上电路图，根据芯片引脚位置，选择合适位置的引脚连接电路可以实现交通灯的点亮要求。4.6 信号灯驱动电路的设计信号灯驱动电路的设计本

23、次课程设计选择使用基本共射放大电路对发光二极管进行驱动，使其点亮。其设计电路如下图所示：对此基本共射放大电路进行设计几参数的选择：电源电压：；CCV=5V集电极直流负载电阻的计算与确定：电路的直流输出回路电压方程为：CR，发光二极管的驱动电压大概是 0.7V 左右，一般发光管的驱动电CECCC1U=V-I R流取，大功率白光二极管可以到 300mA（1W）600mA（2A)。此10mA20mA次课设所用的二极管电流为，则选取，根据电路的直流10mA20mACEU=0.7V输出回路电压方程计算得：，其功率：CR =230则选取的电阻即可。RC1RCW=R U=230 *20mA=4.6mW11R

24、 =2308，的阻值计算与确定：，确定为统一BRCQBQI20I0.25mA80CCBBQVR5kI选取，则取电阻。BR11R =1K8，4.7 白天夜间模式切换的设计白天夜间模式切换的设计为了使实验在一次课时间内完成，本设计中白天与夜间的转换开关为手动开关。在实际应用中可以设计自动转换开关。用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自动图 4-13 发光二极管进行驱动电路唐山学院课程设计唐山学院课程设计13转换开关。这样当天黑以后经一

25、段延时，系统自动转成夜间工作方式。第二天天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出，白天与夜间模式的转换由 74LS164 的引脚控制。当时为白天工作模式，时为夜DRDR =1DR =0晚工作模式。根据此次电路设计要求，以上为所有基本电路的单元电路的详细设计。4.8 整体电路电路设计整体电路电路设计根据各单元电路的设计，将各单元电路连接即可构成本次课设的整体电路。由于要进行实物焊接，因此须掌握焊接的基本技巧几步骤，在进行焊接之前，首先进行电路的布局布线。其整体电路的不线图见附录。IC

26、555 的脉冲输出端接 74LS74 的脉冲输入端 3 引脚；经电路连接 74LS74分频输出 4S 脉冲，连接至 74LS164 的脉冲输入 8 引脚；组合逻辑电路的输出分别接对应的发光二极管小灯。在此次课程设计过程中需要每次焊接完一步电路后都应对其进行调试。秒脉冲的确定：简易方法，用发光二极管的正极接 IC555 的脉冲输出 3 引脚，其负极接地。若发光二极管频闪，则证明秒脉冲正确。用万用表伏安档测量秒脉冲，若指针摆动，则证明秒脉冲正常。若不正常，应检查电路连接是否有短路或是虚接。同样 4 秒脉冲的测量过程相同。唐山学院课程设计唐山学院课程设计145 器件清单器件清单芯片：74LS08 2 个74LS11 1 个 74LS32 1 个74LS04 1 个 74LS164 1 个74LS74 1 个 IC555 1 个整流桥：KBP206G电容：耐压 各一个1000 F 1 F