信号灯红绿灯电子电路设计.docx
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信号灯红绿灯电子电路设计
信号灯红绿灯电子电路设计
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电子电路课程设计报告
课题名称
十字路口自动红绿灯指挥系统
课题编号
8
学院（系）
机械与能源工程学院
专业
机械设计制造及自动化
学生姓名
学号
2013
年
8
月
30
日
1、设计目标
1.设计背景
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。
其广泛用于公路交叉路口，弯道、桥梁等存有安全隐患的危险路段，指挥司机或行人交通，促进交通畅通，避免交通事故和意外事故发生。
交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。
本设计便是为了能够得出这样一个可行的自动化方案，应用于交通繁杂的十字路口，以实现十字路口方便的交通管理。
2.功能概述
（1）基本功能：
信号灯的自动转换，即：
绿灯亮20秒——→黄灯亮5秒——→红灯亮15秒，如此循环。
（2）扩展功能：
声光提示：
十字路口有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。
具体为：
当某方向绿灯亮时，置显示器为20秒，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿等交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。
当倒计时进入最后三秒时，蜂鸣器开始工作，提示正在过马路的人群快速穿越，或进入马路中央的交通岛等安全地带。
图1交通信号灯效果图
2、设计方案
1.系统组成
图2系统组成图
一个信号源，两个计时电路，分别控制基本功能和扩展功能。
信号灯计时电路采用加法计数计时，计数达到特定值时，由附属的控制电路调控信号灯的点亮与熄灭，达到信号灯的基本功能。
倒计时电路独立于信号灯计时电路，采用减法计数计时，并通过显示电路显示出来。
同时，倒计时电路也控制着声音提示电路，使其在倒数结束最后3秒时，发出蜂鸣，提醒路人。
一个信号源保证基本功能和扩展功能之间达到同步，不会有错时现象出现；而两个计时电路的设计可以方便维护和更换，而在两个电路中还设置了两个独立的开关，如有故障，可以保证随时可以关闭任意一个电路。
2.元器件清单
序号
材料名称
型号
数量
备注
1
同步十进制计数器
74LS160
2
信号灯计时电路
2
可逆双时钟BCD计数器
74LS192
2
倒计时电路
3
非门
74LS04
1
/
4
与非门
74LS00
2
/
5
或非门
74LS27
1
/
6
电阻
100Ω
若干
/
7
红黄绿发光二极管
/
2*3
信号灯
8
7SEG-BCD数码管
DCD_HEX_BLUE
4
倒计时显示
9
蜂鸣器
/
1
/
10
开关
/
2
/
表1元器件清单
三、仿真电路
1.秒时钟信号电路
秒时钟信号的产生可以采用555定时器组成的多谐振荡器，采用如图所示的接法。
图3秒脉冲电路原理图
在本次设计中，为了表示方便，仅采用了由函数信号发生器产生秒时钟信号。
该信号源由一个方波发生器构成，实际使用时应使用1Hz5V的发生器，为了便于仿真观察，在multisim中仿真时使用的是100Hz的。
图4本设计采用的信号发生器
2.信号灯计数电路
信号灯计时电路由两个74LS160芯片构成。
第一个芯片U1从十进制用置数法改装为五进制，作为个位计数器；第二个芯片U2亦用置数法从十进制改装为八进制，作为十位计数器。
再将两块芯片通过串联进位方式连接，将其连接成为40进制的计数器。
1秒记一个数，40正好是一个信号灯变换周期。
而个位5进制也可以同时满足对需要的5、15、20秒的利用。
图5信号灯计数电路
3.信号灯控制电路
信号灯全部利用门电路控制实现，通过对计数器十位输出端电压值的判断，来决定信号灯的点亮与熄灭。
以下表2、3为从代码和信号灯两个角度出发，得到的信号灯控制规则，也可以参照表4信号灯时间安排：
时间（s）
计数器十位二进制代码
点亮信号灯
0
0000/1000
东西绿、南北黄
5
0001/1001
东西绿、南北红
10
0010/1010
东西绿、南北红
15
0011/1011
东西绿、南北红
20
0100/1100
东西黄、南北绿
25
0101/1101
东西红、南北绿
30
0110/1110
东西红、南北绿
35
0111/1111
东西红、南北绿
表2各代码控制的信号灯
信号灯
点亮规则
东西绿
百位为0
东西黄
末三位为0
东西红
百位为0，末两位不全为0
南北绿
百位为1
南北黄
末三位为100
南北红
百位为1，末两位不全为0
表3各信号灯点亮规则
0-5s
5-10s
10-15s
15-20s
20-25s
25-30s
30-35s
35-40s
东西绿
东西黄
东西红
南北黄
南北红
南北绿
表4信号灯时间安排
通过以上的三个表格，可以很快用各门电路的组合得出信号灯控制电路。
（各门电路输出低电平有效）如下图所示：
图6信号灯控制电路
以上是信号灯基本功能，以下为扩展功能
4.倒计时电路，其显示电路及声音提示电路
如下图所示，最左边是倒计时电路，中间部分为显示电路，右下角的是声音提示线路。
图7倒计时电路，其显示电路及声音提示电路
其中倒计时电路采用了两块可逆双时钟BCD计数器74LS192。
个位十进制，十位以置数法改为二进制，用串联进位方式连接成为二十进制计数器。
与信号灯的技术方式不同，这里的计数采用减法计数方式，即每次计数从19开始一直到00，故满足每个路口20秒的绿灯时间。
显示电路模块采用了DCD_HEX_BLUE数码显示管。
由于基本功能和扩展功能分离的设计带来了更多的芯片，这里不再使用7段数码管，以免增加至少两个七段显示译码器，造成电路面积的冗余。
而DCD_HEX系列的显示管内置了译码器，所以不用译码器的配合，而引脚也从7+1个减少至3个，接线方便。
声音提示电路由或门控制，在倒计时进入最后三秒时，计数器个位的三四位为0，计数器十位为0，仅此时或门输出低电平，蜂鸣器导通，发声提示，直到计数器十位置数以后，或门输出高电平，蜂鸣器停止工作。
5.总体结构框图
图8总体结构
4、存在问题及改进方法
1.信号灯的点亮与熄灭时间是定死的，如果其等待时间需要作出调整，将极为不便。
解决方案：
增加编码器，通过编码器能实现对预置时间更复杂的控制。
2.由于基本功能和扩展功能是分离式的设计，扩展功能故障不会引起基本功能的运作。
但一旦基本功能故障，扩展功能将会继续工作。
在没有信号灯工作的路口，仅仅显示倒计时数字和声音提示，这恰恰是一项没有意义的工作。
解决方案：
增加基本功能的故障检测电路，一旦检测到信号灯无法正常工作，强迫扩展功能停止工作。
分离式设计在扩展功能入口预留了开关，仅需将故障检测输出与该开关相关联即可。
3.倒计时只有一种颜色，无法区分红绿灯。
解决方案：
增加判断电路，采取不同颜色的数码显示管。
绿灯时，使用绿色或蓝色倒计时数码显示管，红黄灯时采用黄色或橙色带有警戒意义颜色的倒计时数码显示管。
五、参考资料及网站
1.
《简易交通灯控制逻辑电路设计报告》
2.
《数字电子技术红绿灯课程设计报告》
3.
《红绿灯电路设计》
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