《交通灯控制系统设计》

理学院课程设计指导书 交通灯控制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，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。本课题利用数字电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。一、交通信号灯基本原理及设计方法 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。 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20秒；而支干道通行时间为10秒。 路口交通指挥系统示意图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。主干道绿灯亮，支干道红灯亮计数器由N1到20递增计数主干道黄灯亮，支干道红灯亮计数器由N3到5递增计数主干道红灯亮，支干道绿灯亮计数器由N2到10递增计主干道红灯亮，支干道黄灯亮计数器由N3到5递增计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8421BCD码的计数、译码显示器。 显示器译码器计数器时钟信号发生器支干道信号灯信号灯译码驱动电路主干道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20s。2）20s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10s。4）10s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。状态转换图S0S1S2S320s后5s后10s后5s后二、主控制器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 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。 74LS90管脚排列图 主控制器的逻辑图 74LS90逻辑功能为(1)计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。 (2)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。 (3)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。 (4)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。 (5)清零、置9功能。a) 异步清零 当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA0000。b) 置9功能 当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA1001。三、计数器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20s、10s、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。图 计数器(利用74LS90正计数功能)四、控制信号灯的译码电路的真值表主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、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主干道支干道 X1 X0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 001010100100100100001010五、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。图 态译码电路六、译码显示电路译码显示电路主要是由共阳极LED七段数码管、74LS247译码器组成。1.共阳极LED七段数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阳极连接如图图 共阳极数码管引脚图图 共阳极数码管接法 图 74LS247管脚功能排列图2.数码连接译码电路。74LS247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 段数码显示器管脚接法图 码连接电路图七、555定时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。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定时器引脚排列图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。如图采用555设计的多谐振荡器，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 本次设计的秒脉冲电路图 八、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： 图 交通信号灯控制系统总体框图九、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，使输出设计符合设计要求。2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。3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20秒、5秒、10秒、5秒、20秒循环计数。4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。5整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作。 总 结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。 在整个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更顺利。参 考 文 献1.徐锦 数字电路与逻辑设计 第2版 北京 高等教育出版社2.夏路易 石宗义 电路原理图与电路板设计教程 第1版 北京希望电子出版社 3.方至烈 第三代LED信号灯 复旦大学出版社4.王军华 LED道路交通信号灯测试研究 交通管理学院研究所5.郭玉平 探讨交通信号灯 北京工业技术出版社