交通灯控制器设计.docx

1、交通灯控制器设计学校代码： 11061 学 号： 20113532 芜湖职业技术学院毕业论文（设计） 论文题目： 交通灯控制器设计 学科专业： 机电一体化 作者姓名： 指导教师： 完成时间： 选题背景随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。 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.随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约

2、城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确。关键词：控制器 计数器 信号灯 译码电路毕业论文进度安排：2013.11.15-2013.12.17确定研究课题2013.12.18-2013.12.27进行相关资料的查找2013.12.28-2014.03.19硬件电路与程序设计2014.03.20-2014.04.15总结以及整理打印指导教师意见： 指导教师签名： 年 月 日毕业论文（设计）写作提纲一、论文题目交通灯控制器设计二、论题观点来源： 随着社会

3、的发展，时代的进步，各种机动车辆的不断增加，在过十字路口的时候如果没有一个交通灯来引导车辆通过的话很容易引发交通事故和交通混乱，所以我们需要设计一个交通灯来让车辆有序通过十字路口。 三、基本观点： 交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。交通指挥灯是非裔美国人加莱特?摩根在1923年发明的。此前，铁路交通已经使用自动转换的灯光信号有一段时间了。但是由

4、于火车是按固定的时刻表以单列方式运行的，而且火车要停下来不是很容易，因此铁路上使用的信号只有一种命令：通行。公路交通的红绿灯则不一样，它的职责在很大程度上是要告诉汽车司机把车辆停下来。 四、论文结构： 1、设计总体方案2、硬件电路设计3、程序设计4、结论毕业论文（设计）工作中期检查表系别： 电气工程学院 班级： 11级机电一班 学生姓名许祥斌学号20113532指导教师 段淑霞职称论文（设计）题目交通灯控制器设计选题是否有变化如有，请填写原因是否一人一题是否进行了选题背景、及写作提纲是否进行了文献调研本论文拟解决的关键问题教师填写部分论文（设计）进度情况： 提前完成 正常进行 延期滞后（请写出

5、原因）工作态度情况（学生对毕业论文（设计）的认真程度、完成指导教师布置任务情况）： 认真 较认真 一般 不认真中期质量评价（学生已完成部分的工作质量情况）： 好 中 差存在的问题与建议： 指导教师（签名）： 年 月 日系毕业论文（设计）工作领导小组意见（如被查学生为差的，请系毕业论文设计领导小组写出处理意见）： 领导小组组长（签名）： 年 月 日目 录论文题目 1中 文 摘 要 1前 言 21、设计任务和要求 32. 系统设计 33、单元电路设计 63.1主控制器 63.1.1 74LS90引脚排列图与逻辑图 63.1.2 74LS90的功能表及引脚功能 73.2、计数器 83.2.1计数器的

6、作用 83.2.2计数器的工作情况 83.2.3控制信号灯的译码电路的真值表 93.2.4置数电路 93.2.5状态译码电路 113.3译码显示电路 133.3.1共阴极LED七段数码管 133.3.2 CD4511译码器 133.4 555振荡器构成的秒脉冲电路 153.4.1 555定时器的引脚 153.4.2 555定时器构成的多谐振荡器 173.4.3 555定时器工作原理 183.5交通灯信号灯控制总体框图 204、电路安装、调试与测试 21结 论 22致谢 23参考文献 24论文题目交通灯控制器设计中 文 摘 要在一个交通繁忙的十字路口，没有交通灯来控制来往车辆和行人的通行，假设也

7、没有交警，那会发生什么事情呢？后果是难以想象的，可能会陷入一片混乱，甚至瘫痪。当然我们每个人都不希望这样。我们作为社会的一员，每人都有责任为它的更加先进和快捷做出力所能及的事情。我们设计的这个信号控制系统可以通过交通灯控制东西方向车道和南北方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都可以根据实际情况预设,用以减少交通事故的发生概率。并且经过些次实验使得我们对电子技术课程内容的理解和掌握有了更深一层的认识，也学会使用半导体元件和集成电路，掌握电子电路的基本分析方法和设计方法，进一步提高分析解决实际问题的综合能力，也为将来的就业或继续深造做好准备。关键词:控制器 计数器 信号灯 译码电路

8、前 言交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。绿灯亮时，准许车辆通行，黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；红灯亮时，禁止车辆通行。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。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。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

9、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。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市

10、高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。设计一个十字路口的交通灯控制电路，实现东西方向车道和南北方向车道两条交道路上的车辆交替运行的控制，每次通行时间都设为25秒。时间可设置修改。在绿灯红灯亮前，要求黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道；黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。方向南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显（采用倒计时的方法）。同步设置人行横道红、绿灯指示。 1、设计任务和要求设计一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆通行。基本要求：1、每条道路设一组信号灯，每组信号灯

11、由红、黄、绿三个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆停止通行；2、每条道路上每次通行的时间为25S；3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道；4、黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次。5、电源：220V/50HZ的工频交流电供电；（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。发挥

12、部分：1、按照交通规则设计人行道指示灯2、其它恰当的功能2. 系统设计十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。图2.1 路口交通指挥系统示意图设南北干道通行时间为N1，东西干道通行时间为N2，南北、东西干道黄灯的时间均为N3，按南北、东西干道通行的时间来看，设置N1=N2N3。系统工作流程图如图所示。图2.2 系统工作流程图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

13、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。 图2.3 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）设开始时南北干道通行，东西干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30s。2）30s后，南北干道停车，东西干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5s。3）5s后，南北干道不通行，东西干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为30s。4）20s后，南北干道仍不通行，东西干道停车，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

14、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。3、单元电路设计3.1主控制器3.1.1 74LS90引脚排列图与逻辑图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。 图3.1 74LS90管脚排列图图3.2 74LS90功能表3.1.2 74LS90的功能表及引脚功能输 入 输

15、出 功 能 清 0 置 9 时 钟 QD QC QB QA R0(1)、R0(2) S9(1)、S9(2) CP1 CP2 1 1 0 0 0 0 0 0 清 0 0 0 1 1 1 0 0 1 置 9 0 0 0 0 1 QA输出二进制计数 1 QDQCQB输出五进制计数 QA QDQCQBQA输出 8421BCD 码 十进制计数 QD QAQDQCQB输出 5421BCD 码 十进制计数 1 1 不 变 保 持 如表74LS90功能表：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

16、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。3.2、计数器3.2.1计数器的作用计数器的作用有二：一是根据

17、南北干道和东西干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行30s、20s、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。3.2.2计数器的工作情况计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态S0时开始60s计数；30s后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始5s计数；5s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始20s计数；20s后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零

18、，主控制器进入状态S3，计数器又开始5s计数；5s后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0，开始新一轮循环。根据以上分析，设30s、20s、5s计数的归零信号分别为A、B、C，则计数器的归零信号L为： L=A+B+C其中：A=S0 QC2= QC2 B=S2 QB2 QA2= QB2 QA2C=S1 QB1 QA1+S3 QB1QA1= X0 QB1 QA1考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将L取反后送到主控制器的CP端作为主控制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器(74LS90)。图5-1计数器。图3.3 计数器(利用74LS90正

19、计数功能)3.2.3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 0 0 10 1 01 0 01 0 01 0 01 0 00 0 10 1 0由灯控真值表可写出六盏等的逻辑式,经化简获的六盏灯逻辑式为： 由真值表得灯控函数逻辑表达式： R=QB r =Q B Y=QB QA y =QBQA G=Q g =QBQA 3.2.4置数电路由

20、真值表可分别写出各灯的逻辑表达式： R=S2+S3=X1X0+X1X0=X1 Y=S1=X1X0 G=S0=X1X0 r=S0+S1=X1X0+X1X0=X1 y=S3=X1X0 g=S2=X1X0根据功能要求采用以下逻辑门电路构成：门电路是数字逻辑电路的基本组成单元，门电路按逻辑功能可分为：与门、或门、非门以及与非门、或非门、异或门、同或门、与或非门。若按电路结构组成的不同，可分为立元件门电路、CMOS集成门电路、TTL集成门电路等。各种集成门电路通常都封装在集成芯片内。此次设计采用的集成电路有74LS04、74LS00、74LS20、74LS12、74LS08引脚排列图如下图所示 这些集成

21、电路的封装形式均为双列直插式。为双列直插式集成电路的右下方通常是地线GND，左上方引脚一般是电源线VCC，其它引脚的用途如图中符号所示，每个集成电路都有自己的代号，与代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途。如74LS00是二输入端四与非门，它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门。74LS04、74LS00、74LS20引脚图如下图所示：图3.4 74LS04六非门内部结构引脚图图3.5 74LS00四入与非门内部结构引脚图图3.6 7420四输出与非门内部结构引脚图图3.7 74LS10三输出与非门内部结构引脚图3.2.5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

22、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3.8 态译码电路3.3译码显示电路译码显示电路主要是由共阴极LED七段数码管，CD4511译码器组成。3.3.1共阴极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阴极连接如图图3.9 共阴极数码管引脚图3.3.2 CD4511译码器图3.10 CD4511管脚功能排列图1.以下介绍各引脚的功能：其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入

23、端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。2.数码连接译码电路。CD4511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,输出高电平有效,和共阴极半导体发光数码管各发光段

24、的阳极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，CD4511和数码管的管脚排列图:图3.11 段数码显示器管脚接法图3.12 数码管连接电路图3. 真值表共阳极数码管的数字显示真值表如下表所示表 七段显示译码电路真值表3.4 555振荡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。3.4.1 555定时器的引脚时器555定时器内部结构和引脚排列图，如内部电路图，引脚排列图。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

25、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3.13 555的内部电路图图3.14 555定时器引脚排列图555定时器个引线端的用途如下：11端为接地线；22端为低电平触发端，也称为触发输入端。当2端的输入高电压高 于VCC/3时，C2输出为1；当输入电压低于VCC/3时，C2的输出为0，使基本触发器置1；33端U0为输出端；44端是复位端，当=0时，基本触发器直接置0，使Q=0，=1；53端UDD 为电压控制端，如果CO 端另加控制电压，则可以改变C1，C2的参考电压。工作中不使用CO 端时，一般都通过一个0.01uF的电容接地，以防旁

26、路干扰；66端TH 为高电平触发端，当输入电压低于2VCC/3时，C1的输出为1；当输入电压高于2VCC/3时，C1的输出为0，使基本触发器置0，即Q0=0，=1，这时定时器输出U0=0；77端D为放电端。当基本触发器的=1时，放电晶体管T 导通，外接电容元件通过T放电；88端VCC为电源端，可在4.3-1.6V范围内使用，若为CMOS电路，则VCC=3-18V。表7-1 555定时器功能表，它全面表示了555的基本功能555定时器功能表3.4.2 555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7-3 555定时器图7-4

27、 波形图采用555设计的多谐振荡器及其工作波形，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3.15 本次设计的秒脉冲电路图3.4.3 555定时器工作原理接通电后，它经过电阻和对电容C充电，当上升略高于时，比较器C1的输出为“0”，将触发器置“0”，为“0”。这时， 1，放电管T导通，电容C通过和T放电，下降。当下降略低于时，比较器C

28、2的输出为“0”，将触发器置“1”，又由“0”变为“1”。由于0，放电管T截止，又经过和对电容C充电。如此重复上述过程，为连续的矩形波。第一个暂稳状态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的（）Cln20.7（）C 第二个暂稳状态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时间：Cln20.7C振荡周期: T=+0.7(2)C振荡频率 占空比 由式可得,占空比大于总是%50。若设占空比=%50，又知交通信号灯的振荡周期是1S，可得到本次所需要的元器件阻值：R14.7KR24.7KC1100nFC210nF3.5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 3.16 交通信号灯控制系

29、统总体框图4、电路安装、调试与测试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30秒、5秒、30秒、5秒、30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。 以上是本次设计的全过程，由以上分析知此设计所需材料有：3片74LS90、2片CD4511和2个共阴数码管、1个555定时器、2片74LS04、1片74LS20、1片74LS00、1片74LS10、1片74LS08、14个220 ohm电阻、2个4.7k电阻、1个100nF电容、1个10nF 电容和导线若干。结 论经过这个课程设计，我真正体会到