电子技术课程设计交通灯控制电路设计

交通灯控制电路设计摘要: 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。进而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。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。 关键字： 交通控制 交通灯 译码器 计数器 控制器一、设计任务与要求1设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路 上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；2要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道； 3黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次；4每路口均有时间显示（两位LED）。二、设计目的1掌握综合应用理论知识和中规模集成电路设计方法。2熟练掌握万用电表、函数信号发生器、数字电路实验箱、示波器的正确使用方法。3能识别和正确使用各种所需的集成块、电阻、电位器等，熟悉集成块的管脚功能结构。4自行设计实验图、检查和排除故障。5掌握调试及电路主要技术指标的测试方法。三、设计原理与单元电路的设计 1分析系统的逻辑功能，画出其框图 交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中： TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。秒脉冲发生器定时器控制器译码器甲车道信号灯乙车道信号灯 图1 系统的原理框图2画出交通灯控制器的ASM（Algorithmic State Machine，算法状态机）如图2（1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。状态转换的流程图如下： 状态S0甲绿灯，乙红灯状态S3甲红灯，乙绿灯 状态S1甲黄灯，乙红灯状态S2甲红灯，乙黄灯定时25s定时25s定时5s定时5s 图2 整体流程图交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：表1 控制器工作状态及功能控制状态信号灯状态车道运行状态S0（00） 甲绿，乙红甲车道通行，乙车道禁止通行S1（01） 甲黄，乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行S3（11） 甲红，乙绿甲车道禁止通行，甲车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，甲车道缓行AG=1：甲车道绿灯亮；BG=1：乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮； BY=1：乙车道黄灯亮； AR=1：甲车道红灯亮；BY=1：乙车道红灯亮； 由此得到交通灯的ASM图，如图3所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。依此类推可以弄懂ASM图所表达的含义。TLAGBRSTSTAYBRTYARBYTYSTSTAGBRTL 图3 交通灯的ASM图3单元电路的设计（1）电源电路 电源电路主要由整流、滤波、稳压三部分组成，用于供给数字电路的工作电源。整流部分由变压器与整流桥KBP210G组成。220V、50Hz的交流输入经过变压器之后，输出9V、50Hz的交流电压。该电压输入整流桥，整流桥由四只整流二极管接成电桥的形式组成。整流桥输出8.1V的直流电压。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，由1mF的电容组成电容滤波电路。电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小，适合负载电压较高，负载变动不大的场合。 稳压电路用于稳定电压的输出，由三端集成稳压器L7805和电容组成。C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4用于减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。其电路如下： 图4 稳压电源（2）秒脉冲的设计脉冲信号发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R8、R9、C3 的电阻电容值决定了脉冲宽度。既T=(R8+2R9)C2ln2当T=1S，即可凑出R8、R9、C3其中C3=0.01uF是为了保持输出的波形的稳定。 如图4所示，R9、C3组成一个串联RC充放电电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C3上得到一个三角波，此三角波送到NE555的2脚输入端，由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。脉冲输出端图5将输出脉冲接入示波器可得输出波形：图6（3）定时器本设计用74LS192芯片计数，它是同步十进制可逆计数器，具有双时钟输入，清除，置数。直接构成减法计数器，时钟脉冲下降沿到来时，实现30进制的倒计时，与数字显示倒计时相符合。74LS192可以级联，需要两片即可实现三十进制的倒计时，用74LS192节省材料，节约成本，而且由于经常应用，因而使用起来比较方便，具有其独特的优良性。其引脚排列及逻辑符号如下所示：图7 74LS192引脚排列及逻辑符号图（a）引脚排列 (b) 逻辑符号74LS192的功能图中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。其功能表如下：表2 74LS192功能表 图8中U2是个位计数器，U1是十位计数器。U2由秒脉冲供给脉冲。设计中采用置数发，U1和U2输入分别为0011（3）和0000（0），U1计数从3倒计时，U2计数从9计数到0倒计时，在U2计数为0时，BO端口产生一个低电平，供给U2做时钟脉冲，此时U2计数减一，实现两片芯片的级联。由于整个电路是从30计数，减一到01，再恢复至30，重新开始计数。此电路实现了交通灯三十进制的计数模块。经过门电路的简单译码把三十进制的数字译码成一个控制信号，最后提供给控制电路，实现了计数显示部分与控制部分的连接。译码仿真图如下，在计数为0110（6）和0000（0）的时候输出对应的TL=1和TY=1。图8 计时器（3）控制器 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。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表3所示。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1nQ0n 00状态时，如果TL 0，则控制器保持在00状态；如果TL=1，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项X表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。表3控制器状态转换表根据表3可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和 ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中1用原变量表示，0用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（Q1nQ2n ）加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号即可实现控制器的功能。控制器的逻辑图如图8所示。图中R、C构成上电复位电路 。图9控制器逻辑图（4）译码器 译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 4所示。表4控制器状态编码与信号灯关系表状态（Q1Q0）AG AY ARBG BY BR00 1 0 00 0 101 0 1 00 0 111 0 0 11 0 010 0 0 10 1 0由表得到灯光信号与控制器状态变量的关系为: 图10 译码输出图（器件:选用74LS155 或74LS138，74LS139）注：为了让黄灯每秒闪烁一次，要将频率为2Hz的脉冲分别与Y1,Y2相与再接入黄灯，图9未画出脉冲。(5)显示电路采用74LS192进行减计数，输出的四位BCD码，不能直接显示在七段显示数码管上面，所以我们要通过CD4511进行译码然后接到七段显示译码器上才能正确的显示；为了保证数码管不被烧坏，在CD4511与数码管之间串500到1000欧姆的电阻。如图11图11 数码显示电路四、总电路设计图五、元器件清单：元器件数量电阻 51K1电阻 2006电阻 1K20可调电阻 10K1电容 15pF2电容 10 pF1电容47uF1电容 4700uF1电容 0.33uF174LS1533计数器74LS19224060BD1CD45111D触发器74LS742JK触发器74LS7322输入与或门74LS0442输入与门74LS0833输入与门74LS113非门74LS045发光二极管10整流桥KBP210G1脉冲信号发生器由NE5551七段显示译码器1导线若干六、设计总结经过一周的努力终于完成了关于交通灯控制电路的电子课程设计，通过不断的查资料让我积累了许多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术。巩固了数电课程知识，加深对基本器件、FF、时序电路、逻辑电路的理解。我深刻体会到数字电子技术对当今现代社会的重要作用。经过这次设计，我学会了严密的思考，构想及怎样把计划付诸于实际行动中。同时与社会的不断高速发展的步伐相比，我认识到自己所学的知识和技能还远远不足，有些实际问题还不能解决，很多更好的设想也无法实现，缺少很多有实际运用价值的知识储备，缺乏应有的动手解决实际问题的能力，缺乏高效利用及筛选大量资料的能力，有待在今后的学习实践中进一步提高。经过这次课程设计，我更加认识到要学好自己的专业知识以适应不断发展的社会。除此之外通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。电路原理和连接，和芯片上的选择,也略懂。巩固数字逻辑电路的理论知识， 方案总共只用了十个芯片，对计数器更加了解，懂得它的功能与其它芯片替换等.使D触发器从书本上的理论知识联系到实际,让我更加了解它的功能.还有如何利用555芯片产生秒脉冲.计数器的工作原理。 更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活。协作的重要性。做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时弄不懂的一些问题，做完课程设计，就迎刃而解了。而且还记住了很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。这次课程设计很有意义。七、参考文献1.数字电子技术基础教程阎石主编 清华大学出版社2.中国集成电路大全编写委员会编 国防工业出版社3.电子电路测试与实验朱定华主编 清华大学出版社4.数字逻辑电路设计与实验绳广基编 上海交通大学出版社5.电子电路实验及应用课题设计卢结成编 中国科技技术大学出版社6.电子技术课程设计指导彭介华编 高等教育出版社