交通信号灯PLC控制系统设计.docx
《交通信号灯PLC控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交通信号灯PLC控制系统设计.docx（16页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
交通信号灯PLC控制系统设计
摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．
1绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.1前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.2目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
1.3任务和要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
2整体结构设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
2.1整体控制设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
2.2工作原理分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.3系统的总体逻辑设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
3整体电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
4仿真运行图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
参考资料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
1绪论
1.1前言
随着社会的不断进步和发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加，人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。
在一个交通十字路口，如果还是像以前一样由单纯的一种信号灯和交通警察的协调来维持交通是不够的，这就需要设计各种交通指挥自动化系统来完成这些复杂的工作，从而使交通指挥系统更加有秩序，更加安全。
十字交叉路口交通灯信号控制器就是在此环境下萌生的，用来指挥十字路口车辆的停通，使红绿灯指挥系统实现自动化，无人化。
交通灯是我们最常见的系统，随着科技的日益创新，交通灯的设计也多式多样，不同的地点不同的路况需要不同的交通灯，但其设计原理都是大同小异的。
我们这次的设计是用硬件实现交通灯的全部功能。
这里用简单的电路来介绍交通灯的工作原理。
介绍了数字电子技术中非常重要的几个芯片：
定时器NE555、4位十进制可逆同步计数器（双时钟）74LS192、七段显示译码器74LS48、带小数点（DP）的七段数码管、数据分配器74LS138。
1.2目的
通过课程设计，使学生加巩固和加深对电子电路基本知识的理解，学会查寻资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高学生综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。
锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。
1.3任务和要求
任务：
设计一个由一条主干道和一条支干道的汇合点形成的十字交叉路口交通信号灯控制电路。
要求：
（1）用红绿黄三色发光二极管作信号灯。
（2）主、支干道交替通行。
主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。
设计45秒和25秒的计时显示电路。
（3）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5秒黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外，设计5秒的计时显示电路。
上述时间可以酌情修改并在以上基础上发挥。
2整体结构设计
2.1整体控制设计
分析系统的逻辑功能，画出交通灯控制系统的原理框图如图2.1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；控制器是系统的核心，由它控制定时器和译码器的工作。
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，翻译成主、支车道上6个信号灯的工作状态。
计时模块用来设定主干道和支干道计时器的初值，并为扫描显示译码模块提供倒计时时间。
图2.1交通灯控制原理框图
图2.1中：
TH:
表示主干道绿灯亮的时间间隔为45秒,即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到，TH=1，否则，TH=0。
TL:
表示支干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。
2.2工作原理分析
根据设计要求可知交通信号灯工作过程可分为以下四阶段，并实现其循坏。
（1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。
表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔TH时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
（2）主干道黄灯亮，支干道红灯亮。
表示主干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，支干道禁止通行。
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）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。
表示主干道禁止通行，支干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）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。
表示主干道禁止通行，支干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。
按上述分析交通灯的工作状态为如下四种，分别为S0:
主干道绿灯，支干道红灯；S1:
主干道黄灯，支干道红灯；S2:
主干道红灯，支干道绿灯；S3:
主干道红灯，支干道黄灯。
状态转换图如图2.2所示。
TY=1,ST=1
TH=1,ST=1TL=1,ST=1
TY=1,ST=1
图2.2状态转换图
2.3系统的总体逻辑设计
控制电路总逻辑图初步描述各单元电路的连接，如图2.3所示。
图2.3控制电路总逻辑图
（1）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），并转换到下一个状态。
依此类推即可。
（2）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。
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图列出了控制器的状态转换表，如表2-2所示。
选用两个D触发器FF1、FF0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OO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“×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2-2控制器状态转换表
输入
输出
现态
状态转换条件
次态
状态转换信号
Q1nQ0n
TLTY
Q1n+1Q0n+1
ST
O0
0O
01
Ol
1l
1l
1O
1O
O×
l×
×0
×1
0×
1×
×0
×l
OO
O1
O1
ll
11
l0
10
00
O
1
O
l
0
1
0
l
根据表2-2，可以推出状态方程和转换信号方程，即将Q1n+1、Q0n+1和ST为l的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中“l”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74LSl53来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（Q1n、Q0n）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。
控制器状态编码与信号灯关系如下表：
表2-3控制器状态编码与信号灯关系表
状态
AGAYAR
BGBYBR
00
0l
11
10
1O0
OlO
OOl
OOl
0O1
O01
lO0
0lO
（3）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。
（4）定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态转换信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号Ty和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LSl63进行设计。
74LSl63是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。
74LSl63的外引线排列图如图2.5所示，其功能表如表2.4所示。
图中，
是低电平有效的同步清零输入端，
是低电平有效的同步并行置数控制端，CTp、CTT是计数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。
表2-474ISl63功能表
输入
输出
CTpCTTCPD0D1D2D3
Q0Q1Q2Q3
0××××××××
1O××↑d0d1d2d3
1111↑××××
110×↑××××
1l×O×××××
O0OO
0d1d2d3
计数
保持
保持
由两片74LSl63级联组成的定时器电路如图2.6所示。
图2.6定时器电路图
（5）倒计时器由两位4位十进制可逆同步计数器（双时钟）74LS192、一个非门和一或门构成。
其组成如图2.7所示，其中74LS192是上升沿触发，CPU为加计数时钟输入端；CPD为减计数时钟输入端；LD为异步预置端，低有效；CR为异步清零端，高有效；CO为进位输出端，当1001后输出低电平；BO为借位输出端，当0000后输出低电平；D3D2D1D0为数据预置端；Q3Q2Q1Q0为数据输出端。
倒计时器初始状态为01100000，当输入一个脉冲，计时器就会减一。
低位的状态是0000时，再来一个脉冲，BO端就会由1—〉0，这是高位的CPD端由0—〉1。
高位因得到一个上升沿，从而触发，进行减1运算。
低位的状态变为1001。
当高低位的状态都为0000时，它们的LD端就会接低电平，从而进行异步置数。
计时器状态变为01100000。
秒脉冲再来就会重复以上操作。
计时器电路图如下：
图2.7计时器电路图
（6）系统所需要的秒脉冲由定时器NE555所构成的多谐振荡器提供，多谐振荡器如图2.8所示，其中1脚是电路地GND；8脚是正电源端Ucc，工作电压范围为5~18V；2脚是低触发端TR；3脚是输出端OUT；4脚是主复位端R；5脚是控制电压端Uc；6脚是高触发端TH；7脚放电端DISC。
R1、R2和C为定时电阻和电容，C1为电压控制端稳定电容。
在信号的输出端产生矩形脉冲，其振荡频率为f=1.44/（R1+2R2）C。
图2.8定时器NE555
（7）时间显示器由两片七段显示译码器74LS48和两片半导体数码管构成。
其组成如图2.9左侧所示，74LS48的外引线排列如图2.10右侧所示。
A3A2A1A0组成8421BCA码为输入端，Ya~Yg为输出端。
LT、RBI、BI/RBO为使能控制端，都是低有效。
LT为灯测试输入端，RBI为灭零输入端，BI/RBO为灭灯输入/灭零输出端。
此半导体数码管为带小数点（DP）的七段数码管，分为共阴和共阳型。
共阴型数码管的COM端接低电平，共阳型的则接高电平。
图2.9液晶显示图
3整体电路设计
交通灯控制器整体电路如图3.1所示。
图3.1整体电路图
4仿真运行图
按照要求设计电路图后，仿真运行如图4.1所示。
运用proteus软件对整体电路图进行仿真，在软件中打开设计好的仿真电路,点击开启运行,刚开始是主干道绿灯亮,支干道方向红灯亮，且主干道绿灯亮45S，之后，黄灯亮5S，在支干道绿灯亮25S，再黄灯亮5S，再主干道绿灯亮，以此循环。
在运行过程中，整体电路能正常运行，各部分电路均能正常工作。
结束语
本设计在老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着老师的心血和汗水，在课题设计期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。
在此向老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。
正是有了他们的悉心帮助和支持，才使我的课题设计工作顺利完成
在设计过程中，通过针对性地查找资料，了解有关电子方面的资料，既增长了自己的知识面，补充最新的专业知识，又提高了自己的应用能力。
以前学过的理论知识起到了很好的回顾作用。
通过交通灯控制系统的设计，让我很好的运用了数电、模电方面的知识，对其加以进一步的消化和巩固，
虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇到问题和同学互相讨论交流。
多和同学讨论。
我们在做课程设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这样也是为了方便最后设计和在一起。
讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。
多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题
参考文献：
[1]张克农主编.《数字电子技术》.高教出版社出版.第一版.2006
[2]彭介华主编.《电子技术课程设计指导》.高教出版社出版.第一版.2002年
[3曾建唐主编.《电工电子基础实践教程》.机械工业出版社.2002年
[4]康光华主编.《电子技术基础》.高教出版社出版.第四版.1999年
[5]胡晏如主编.《模拟电子技术基础》高等教育出版社.第一版.2004年
[6]陈晰主编.《数字电路试验技术基础》.北京：
电子工业出版社，1999
[7]李元主编.《数字电路与逻辑设计》.南京：
南京大学出版社，1997
[8]郝波主编.《数字电子技术》.西安：
西安电子科技大学出版社，2004
[9]郭斌主编.《数字逻辑电路》.北京：
电子科技大学出版社，1995
升级会员 