交通信号灯电路设计.docx
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交通信号灯电路设计
交通信号灯设计
摘要
在交通日益繁杂的今天，十字道口的红绿灯是交通法规的无声命令，是司机和行人的行为准则。
十字道口的交通红绿灯控制是保证交通安全和道路畅通的关键。
当前，国内大多数城市正在采用“自动”红绿交通灯，它具有固定的“红灯—绿灯”转换间隔，并自动切换。
它们一般由“通行与禁止时间控制显示、红黄绿三色信号灯和方向指示灯”三部分组成。
在交通灯的通行与禁止时间控制显示中，通常要么东西、南北两方向各50秒；要么根据交通规律，东西方向60秒，南北方向40秒，时间控制都是固定的。
但是，实际上不同时刻的车辆流通状况是十分复杂的，是高度非线性的、随机的，还经常受认为因素的影响。
采用定时控制经常造成道路有效应用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车辆积压。
它不顾当前道路上交通车辆数的实际情况变化，其最大的缺陷就在于当路况发生变化时，不能满足司机与路人的实际需要，轻者造成时间上的浪费，重者直接导致交通堵塞，导致城市交通效率的下降。
代码是我们一行一行写出来的，通过各位组员们的努力，这一次的课题设计实验成功顺利完成，这离开各组员的努力和大家的配合。
也让我体会到团队的力量，让我意识到做一个项目最基本的必须具有团队协作的精神。
关键词：
城市交通现代化交通控制交通灯脉冲信号发生器；计数器；译码器；555多谐振荡器
目录
内容摘要-2-
前言-4-
交通信号灯定时控制系统的基本原理及框图-5-
设计方案-7-
方案
（一）、控制电路的组成及原理-7-
方案
（二）交通信号灯的可编程控制器控制-8-
1．交通灯布置及控制要求-8-
2．可编程序控制器如下所说-9-
方案（三）-10-
1.控制电路的组成及原理-10-
（1）脉冲发生器-10-
（2）环形脉冲分配器-12-
（3）功率放大器-12-
方案比较：
-12-
元器件清单-14-
电路制作、调试与指标测量-14-
安装工艺与要求-15-
参考文献-15-
附件：
-17-
1、原理图-17-
2、PCB图-18-
3、3D图-19-
前言
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、路三者关系的协调，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。
，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。
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。
实物图一
交通信号灯定时控制系统的基本原理及框图
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、路三者关系的协调，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。
，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。
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。
交通信号灯定时控制系统的组成框图如图1_1_1所示。
状态控制器主于记录十字路口交通信号灯的工作状态，通过状态译码器分别点亮相应状态的信号灯。
秒信号发生器用以产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器对秒脉冲进行减计数，达到控制没一种工作状态的持续时间。
减法技术器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态决定计数器下一次见减计数的初始值。
减法计数器的状态由BCD译码器译码，由数码管显示。
在黄灯亮期间，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁。
图1_1_1交通信号定时控制系统组成框图
根据设计要求，各交通信号灯的工作流程如图1_1_2所示。
交通信号灯4种不同状态分别用S0（主绿灯亮，支红灯亮）、S1（主黄灯亮，支红灯闪烁）、S2（主红灯亮、支绿灯亮）、S3（主红灯闪烁，支黄灯亮）表示，其状态编码及状态转换.。
图1_1_2交通信号灯工作信号流程图
显然，这是一个二位二进制计数器，可用中规模集成计数器构成状态控制器，电路.
设计方案
方案
（一）、控制电路的组成及原理
该控制机用于控制十字路的交通信号灯，查个电路采用七块集成电路，组成程序式的定时电路，自动按三个程序循环控制东西\南北方向的红、黄、绿信号灯的亮与灭。
定时电路器由IC1（555）、R1、C1及四双开关向开关IC6控制的定时电阻RT、RG、RG1、RG2等组成，IC6采用CD4066、RT、RG是秒步进和十秒步进的波段开关，其电阻均为6.2KΩ，最大定时时间为10S。
RG1、RG2是秒步进和十秒步进的波段开关，秒步进开关的电阻为6.2KΩ，十秒步进开关电阻为6.2KΩ，十秒步进开关电阻为6.2KΩ，最大可设置时间为110S，时间长短要预置，六程序电路IC3采用十进制计数器/脉冲分配器CD4017，将5脚和复位端15脚相连，使之成为六进制计数分配器，加电源后，IC3的Q0-Q5依次，输出高电平，至第六个定时器脉冲到来时，Q6（5脚）的高电平加至15脚，使IC3复位，然后又重复循环，形成六程序控制。
闪烁电器电器IC2和R2、R3、C3组成无稳态多谐振荡器，f=1.44/（R2+2R3）C3，它的输出经选通门IC4加至译码和驱动电路，矩阵电路由D1-D10组成，用来选择每步程序的交通信号灯，并推动IC3、IC7为专用灯驱动电路MC1413,可接控制L1-L5的通断,点亮各色信号灯。
方案
（二）交通信号灯的可编程控制器控制
1．交通灯布置及控制要求
控制要求如下：
（1）当按下按钮后，系统开始工作。
首先是南北红灯亮，东西方向绿灯亮。
按下停止钮后，系统停止工作，所有灯均熄灭。
（2）南北，东西绿灯不允许同时亮，如果同时亮则应立即关闭系统，且发出报警信号。
（3）控制的时序要求：
时序要求可叙述为：
启动信号给上后，南北红灯维持25S，在这25S的时间内，东西方向先是绿灯亮20S，接下来绿灯闪烁3次（每次亮和暗都各占0.5S），合计闪烁占3S，然后黄灯再亮2S。
当南北红灯亮过25S后，转成东西红灯亮。
东西红灯亮时间设为30S，在这30S钟内，南北绿灯先是亮25S，接下来闪烁3S，再接下来黄灯亮2S。
当东西方向红灯亮完30S后，南北红灯再次开始亮，工作进入下一个循环。
按下停止钮，则系统停止工作，所有灯熄灭。
2．可编程序控制器如下所说
考虑到本系统要求的输入输出点数不多，且主要是时序逻辑控制，则绝大多数型号的PLC均可胜任。
本例中选OMRON公司的CPM1A系列的20点输入输出型。
考虑到开关寿命问题，最好选用晶闸管输出模块。
输入电数12，通道号000，输出8点，通道010。
3.工作过程介绍
加上电源后，运行用户程序。
按下启动钮后，20000接通且自锁。
TIM000接通计时，TIM006同时接通计时，01002接通，南北红灯亮，同时有01002使01004接通，东西绿灯亮。
当TIM006计满20S时，使TIM007接通计时，同时TIM006常闭点打开，使东西绿灯亮的功能停止，而YIM006的一个常开接点接通，该接点与时钟周期为1S的25502一起控制01004的周期为1S的25502一起控制01004的周期通、断工作，使得东西绿灯闪烁。
当TIM007计满3S后，其常开接通点使TIM005开始计时。
其另一常闭接点断开东西绿灯闪烁电路，而一常开接点则使01005接通，东西黄灯亮。
在TIM005计满2S后，东西黄灯断开，完成了循环控制的前半周期。
在TIM005计满2S的同时，恰好TIM000计满25S，此时循环工作的下半周期开始。
TIM000常开接点首先启动TIM004和TIM001定时器开始计时，而其常闭接点断开01002，常开接点接通01006，使得南北红灯熄灭，东西红灯亮，在此同时由01006和01001接通，南北绿灯亮起来。
TIM001计满25S，其一常开接点起动TIM002计时开始，一常闭断开南北绿灯，而另一常开与25502一起使南北绿灯闪烁。
TIM002计满3S后，起动TIM003计时开始，TIM002的一常闭接点使得南北绿灯停止闪烁，而TIM002的一常开接点使01002通，南北黄灯亮。
方案（三）
1.控制电路的组成及原理
交通信号灯控制电路由脉冲发生器环型脉冲分配器和功率放大器组成，
（1）脉冲发生器
它由NE555组成的多谐振荡器构成。
NE555的3脚输出控制脉冲信号，脉冲的功率可通过RP进行调节。
NE555绍
NE555（TimerIC）大约在1971年由SigneticsCorporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的TimerIC，在往后的30年來非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，尽管近年來CMOS技术版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。
a.NE555的特点有：
1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。
3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
b.NE555引脚位功能配置说明下：
图1-2NE555各脚功能-管脚图
Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。
（2）环形脉冲分配器
本电路产用3相3拍工作秩序，其红、绿、黄灯通电状态的转换关系为：
红—绿—黄—红，即根据上述移动原理，可用6个P触发器彼此首位相接构成移位寄存器实现环型脉冲分配器，6个D触发器的CP端均由控制脉冲同步控制，D触发IC2a的位置端由SD和IC2b、IC3a的清零端RD连在一起与启动开关相连，用来设置动态为100。
（3）功率放大器
由于环形脉冲分配输出的逻辑脉冲信号难以驱动大功率的红、绿、信号灯、所以在脉冲信号灯与信号灯之间加一功放电路。
方案比较：
1．
（1）方案一时全部采用与电路控制，具有（1便于高度集成化。
由于本电路是数字电路全部采用二进制，凡具有两个状态的电路读可用来表示0和1两个数，因此，基本单元电路的结构简单。
允许电路参数有较大的的离数性，有利于将众多基本单元电路集成在同一块硅片上生产。
（2）工作可靠性高，抗干扰能力强。
本电路信号是用1和0表示信号的有和无数字电路辨别信号的有和无很容易做到，从而大大提高了电路的工作可靠性。
（3）数字信号便于长期保存。
（4）本电路采用集成元件，系列多，通性强，成本低。
（5）保密性好，数字信息易于加密处理，不易被窃取。
2．方案二全不采用电脑脉冲信号进行控制，这使数字控制装置中有广泛的应用。
本电路中电源电压只需要15V，节约电能，但此电路功能较单一，不具有大规模控制的能力。
3．方案三PLC可编程控制器控制，具有下列特点：
（1）此方案编程简单，可以现场修改程序。
（2）维护方便，最好为插件。
（3）可靠性高，抗干扰能力强，PLC在硬件上一般采用隔离，滤波，屏蔽，接地等一系列措施，机箱进行了完善的电磁兼容设计，对元件进行精心处理；在软件上采用了数字滤波，指令复执，程序转回等一系列措施和故障诊断技术。
（4）本电路功能完善，除具有逻辑运算、定时、计数和顺序控制功能外，还有较强的数字数值处理能力，模拟量输入输出能力，还可扩展位置控制，运动控制等各种特殊功能的智能模块，使基本功能更加强大。
（5）体积小，重量轻，等多优点。
{方案选取
由于考虑电路生产成本和功能。
本次设计采用方案一，因为数字电路成本低，易于大规模生产。
{仿真过程
按通仿真开关，激活电路，观察红绿黄三个发光二极管的亮灭情况，分析电路是否正常工作。
双击示波图，按a键或者是按A键，改变电位器的百分值，观察示波器波形的变化。
将百分值调整为0%或100%.
图1—1—1中灯亮时间可通过电位器调节，但绿灯亮时间和红灯亮时间，时间的比值是固定的，绿灯亮时间加黄灯亮时间等于红灯亮时间，即车辆通行时间和禁止通行时间是相同的，在有主干道和支干道之分的十字路口，要求主干道比支干道通行时间长，如果红灯亮时间和绿灯亮时间是孤立可调的，就能满足主干道不同通行时间的要求。
图1—1—2就是通行时间和禁止通行时间孤立可调的信号灯控制电路。
假设开始时4013中D触发第一脚01输出低电平。
IC2工作，红灯亮，此时，IC3清零端有效，绿灯、黄灯均不亮，当IC2的09输出高电平时，D触发器直接置“1”，IC4的01输出变为高电平，IC2清零，红灯灭，IC3工作，绿灯亮后黄灯亮IC3的09输出高电平时，D触发器直接置“0”，IC2工作，红灯亮，绿灯，黄灯灭，按此方式循环工作。
由于IC2，IC3，由不同的振荡器提供时钟信号，因此，禁止通行时间和通行时间可分开调节。
元器件清单
根据原理图1—1—3。
需要转被1—1—9所示元件。
集成电路CD4096、CD4017可用SUPERPRO系列通用编程器测试，或自己在面包板上搭接简单电路测试。
电位器要用万能表检查是是否调节阻值，阻值变化是否均匀。
识别二极管、发光二极管、电解电容的正负性，并检测好坏。
1—1—9元器件清单
名称
型号
数量
名称
型号
数量
集成电路
IC4081
2
二极管
IN4148
10
IC555
2
CD4066
1
MC1413
1
发光二极管
Ф5mm红色
2
CD4017
1
电阻
2K
7
Ф5mm绿色
2
3.3K
2
Ф5mm黄色
2
电位器
100KΩ
4
电容
100uF
1
0.1uF
2
电路制作、调试与指标测量
根据PCB图制作印制电路板，根据工艺的要求正确安装元器件，注意集成块的方向是否正确。
有极性元件的极性是否正确。
如果安装正确。
本电路一般不需要调试即能实现所需功能，若不能实现可能为元器件损坏、虚焊、有极性元件的管脚接错等原因造成故障。
用示波器测试振荡周期是最大值和最小值，填入表及防真测试比较，分析误差原因。
安装工艺与要求
1．电阻二极管（发光二极管除外）均采用水平安装，贴紧印制板，电阻的色环方向应该一致。
安装图
2..二极管单向可控硅。
场效应管采用直接安装，底面离印制板5+-1mm.
3.发光二极管均直立安装，底面离印制板6+-mm
4.电解电容器，电阻器尽量插到底，元件底面离印制扳最高不能超过4mm
5.微调电位器尽量直立不倾斜，三个脚均需焊接。
6.输入，输出变压器装配时紧贴印制板
7.集成电路不是电器，轻触式按钮开关底面与印制板相贴
8.电源变压器用螺丝钉固定在接线片上。
用固定220V电源线，变压器次致饶阻向内，外出线焊在印制板上。
9.插件装机美观，均匀，端正，整齐，不能歪斜。
10.在有焊孔的元件引线及导线均采用直角焊，剪脚留同头在焊面以上±0.5mm，焊点要求圆滑，光亮，防止虚焊，搭焊。
参考文献
1．廖先芸电子技术实践与训练北京高等教育出版社2007年
2．陈晓文电子线路课程设计电子工业出版社出版社2007年
3．邵群涛电气制图与电子线路CAD北京机械工业出版社2003年
4．扬志忠数字电子技术北京高等教育出版社2002年
5．齐占庆王振臣电气控制技术北京机械工业出版社2002年
6．扬承毅电子技能实训基础北京人民邮电出版社2003年
7．周政新电子设计自动化实践与训练北京中国民航出版社1998年
8.杨志忠数字电子技术高等教育出版社2007年
9.胡宴如模拟电子技术高等教育出版社2007年
附件：
1、原理图
2、PCB图
3、3D图
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