交通信号灯设计.docx

1、交通信号灯设计1、预备知识1.1交通信号灯的诞生19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩 ，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突

2、然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。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。目前城市中最多的是四组的三方向指示灯：一个红灯常亮，一个向右、向前、向左的绿色箭头，依次亮的是向右、向前、向左的绿灯箭头。一个绿灯亮时，另两个为红灯。三种颜色的光波长较长，不易发生色散，

3、传的较远，而其他颜色的光波长较短，容易发生色散，穿透能力弱，所以不用其他色光。一般的红绿灯上面是红灯，中间是黄灯，最下面是绿灯。1.2交通信号灯的发展随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素, 在城镇街道的十字路口，为保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。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。因此,有许多设计工作者为改善

4、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,较以前的方案更为精确。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。信号灯自动指挥系统的是典型

5、的数字电子控制系统。通过系统的设计和仿真实验。我们可以得到电路的系统的综合训练，设计十字路口主干道和一些小干道的支干组成。1.3该设计方案的特点通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,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。 因此，在本次设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。本文是关于电子电路的一个教学实习实验，通过采用自定向的层次式输入方式进行设计。有以下优点：制作简单；结构简单；功耗小；价格便宜；使用寿命长；性能稳定，适用于比较落后的地方使用。1.4技术要求该电路的安装

6、调试人员应具备以下技能：1、了解手工制作电路板的方法和一般步骤，能用手工方法制作简单的印制电路板，具体的制作方法和步骤在制作工艺中有详细讲解。2、具备元器件的检测能力。由于在安装过程中是从准备好的大批量元器件中挑选，所以安装人员必须能识别各种元器件，并对各元器件好坏进行检测，具体方法在此不在详细讲解。、具有一定装配、调试和指标测量的能力。指标测量可以通过钟表观察，记下每一个发光二极管点亮时间，再做比较，看是否满足技术指标；也可以用示波器来观察555的Q输出端的输出脉冲信号频率，再通过计算来判定检测是否满足技术指标。电路中黄灯的驱动信号虽然是由CD4017的两个清零端MR提供的，但Q9在变为高电

7、平的一瞬间因自身的清零端MR输入了高电平，其计数输出端被封锁，致使Q9维持高电平的时间几乎为零。2、课程设计目的及基本要求2.1设计任务 （1）主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒，此时原红灯不变。2.2设计思路本设计基于集成电路技术，利用环形振荡电路的思路，提出组成整个电路的各个部分555、CD4017等常见芯片，并逐一介绍设计选择该芯片的原因。555芯片时基电路是一种将模拟功能和数字功能巧妙的结合在同一硅片上的组合电路。CD4017有较宽的输入电压，较高的抗扰度及标准的对称输出特性、功耗低等显著特点。经过对数字电路和实际的

8、交通情况的研究，得知要完成时间上的控制，必须有时钟振荡电路来产生脉冲信号，并且产生脉冲信号的频率应该可以调节。时钟振荡电路可以由分立元件通过合理连接来完成，也可用集成电路完成。为了使设计制作简单、安装调试方便、提高运行的可靠性、降低成本、减小体积等原因，最终选择用集成电路来实现信号灯的控制。该电路用于十字路口，要有振荡电路产生脉冲信号来驱动发光二极管，而且很难达到三种灯之间的合理转换，为此选择“十进制计数分配器”（CD4017）来接收时钟振荡电路输出的脉冲信号，CD4017每接收一个脉冲信号计数一次，共有10个计数输出端Q0Q9，（其中Q0在清零端MR为高电平时仍保持高电平，使发光二极管处于常

9、亮状态，所以在设计时舍去不接），合理分配红、黄、绿三个发光二极管上的计数脉冲的个数即可满足技术指标中“干路绿灯时间+干路黄灯时间=支路红灯时间，支路绿灯时间+支路黄灯时间=干路红灯时间”的要求。在设计过程中将一片CD4017Q0Q4并联在一起作为干路绿灯的驱动信号，Q5作为干路黄灯的驱动信号，其余输出端为红灯驱动信号，将另一片CD4017支路红灯的驱动信号接Q0Q5，Q9作为驱动支路黄灯的信号，其余输出端为红灯驱动信号，这样即满足要求也简化了电路结构。根据十字路口的特点，通过调节振荡周期来满足设计要求。根据设计前的市场调查与实际经验可知，一条道路上的红、绿灯不能同时亮，干路与支路上相同颜色的灯

10、不能同时亮。也就是说，接在两个CD4017计数输出端上的发光二极管不能同时被点亮，其中一个在计数状态时，必须封锁另外一个芯片。综上所述，555是独立的多谐振荡器，用来产生独立的脉冲信号；CD4017接收脉冲信号来分配计数脉冲和输出驱动信号；2.3各芯片功能介绍2.3.1 CD4017芯片简介 CD4017：十进制计数器/脉冲分配器CD4017 是5 位Johnson 计数器，具有10 个译码输出端，CP、CR、INH 输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH 为低电平时，计数器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR 为高电平时，计数器清零

11、。Johnson 计数器，提供了快速操作、2 输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10 个时钟输入周期CO 信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。CD4017 提供了16 引线多层陶瓷双列直插(D)、熔封陶瓷双列直插(J)、塑料双列直插(P)和陶瓷片状载体(C)4 种封装形式。CD4017引脚图2.3.1引出端功能符号CO：进位脉冲输出CP：时钟输入端CR：清除端INH：禁止端Q0-Q9 计数脉冲输出端VDD：正电源VSS：地真值表2.3.1输入输出CPCRINHQ0Q9COHQ0计数脉冲为Q0Q4

12、时：CO=H计数脉冲为Q5Q9时：CO=LLL计数HLLL保持HLLL2.3.2 555芯片简介 555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的反

13、相输入端的电压为 2VCC /3，C2 的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC /3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC /3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为 1，可将 RS 触发器置 0，使输出为 0 电平。DIP封装的555芯片各引脚功能如下表所示：图2.3.3它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH

14、处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：TH高触发端。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表2.3.2示。表2.3.2 555定时器的功能表清零端高触发端TH低触发端TLQ放电管T功能00导通直接

15、清零101x保持上一状态保持上一状态1101截止置11001截止置11110导通清零2.4电路的基本组成部分 （1）时钟振荡电路由555芯片以及外围元件（电容C1、C4，电阻RES9、RES10、电位器RP、RP2）组成两个独立的多谐振荡器。电源通过RES101,RES9+RP分别对电容C2、C4充电，利用C2和C4的充放电过程，使555的两个输出端在0和1之间翻转，从而产生振荡脉冲信号。改变电容、电阻、电位器的参数可以实现振荡周期的变化，为了便于调节，电容和电阻设定为固定值。只调节电位器的阻值来改变振荡周期。（2）脉冲信号分配电路电路有两个CD4017以及20个IN4148二极管组成，CD4

16、017的时钟输入端在振荡电路产生的脉冲信号下，其计数输出端产生计数脉冲，计数脉冲通过二极管按比例的连接供放大电路做输入信号。二极管D0D9、D10D19的串入是为了使计数输出端互不影响。（3）LED电路电路有2个黄色的高亮度发光二极管、2个绿色高亮度发光二极管和2个红色高亮度发光二极管组成，共同来实现四个道路上信号灯的指示。2.5工作原理电源VCC通过电阻RES9，RES10、RP分别对电容C2、C4进行充电（调节RP可改变电容的充电时间）。当电容的电压达到2/3VCC时，555的两个输出端分别输出低电平0，同时内部的两个放电管分别导通，致使电容通过放电端3引脚放电。当电容的电压低于1/3VC

17、C时，输出端将发生翻转，使输出端由0变成1，同时放电管截止，电源再次通过电阻对电容充电。当电容电压2/3VCC时，输出端再次发生翻转。如此循环，从而保证555的两个输出端有连续的信号输出。当IC2的输出状态为1时，IC3的THR 端因为输入了高电平而导致IC3的计数输出端被封锁；同时IC2的另外一个输出端为0，对IC4的MR端无效，则进入计数状态，使支路上的绿灯、黄灯及干路上的红灯依次被点亮。当IC4的Q9端输出高电平时，即IC2的CD 端（置0端）有效，所以IC2的状态翻转到0。当IC2的输出状态变为0时，/Q=1，IC4的THR 端因为输入了高电平而导致IC4的计数输出端被封锁；Q=0，对

18、IC3的MR端无效，则进入计数状态，使干路上的绿灯、黄灯及支路上的红灯依次被点亮。当IC4的Q9端输出高电平时，即IC2的SD 端（置1端）有效，所以IC2的状态再次翻转到1。重复IC4的计数状态。3.总体电路安装接线图3.1电路图的生成3.1.1 PCB图的生成首先利用“DXP2004”软件绘制出原理图，并生成网络表，建立好PCB图的设计板层后，先利用自动布线产生元件连接关系的“预拉线”，根据元件布局的准则来做调整。（1）各单元或整机的元器件布局应保证电路性能指标的实现；（2）元器件的布局应有利于散热和耐冲击振动；（3）元器件的布局应使整机的重量平衡，组装机构紧凑、外观良好；（4）各级元件尽

19、量集中布设在一起，并以管子为中心就近排列；（5）注意各级电路、元器件、导线间的相互影响；（6）应该注意接地的方法，以减少电流的干扰。3.1.2 PCB原理图3.1.3 PCB板图图3.1.33.1.3、总体电路安装接线图图3.1.43.2元器件的插装及焊接按照安装图中的元件布局图进行安装、焊接电路板，具体步骤如下：（1）为确保元器件正确安装与工作，安装前必须对各元件进行判别和检测（具体方法参照“技术要求”中的描述）。（2）对各个元件引脚要进行搪锡，防止焊接过程中造成虚焊而影响电路正常工作。（3）按照顺序将各元件插装到位（跳线、二极管、电阻、芯片底座、 电容）。二极管和电阻在焊接时，应先将一端焊

20、接好，进行简单调整后再焊接另外一引脚。对于SB插接件、芯片及底座的焊接，应遵循先焊对角引脚的原则，待调整后焊接其余引脚。每一个元件在焊接完毕后检查无误后将多余的管脚用扁口钳剪掉，使之美观整齐。（4）焊接完毕后要进行必要的检查，是否有漏焊、虚焊、假焊、毛刺或焊点不光滑等现象。3.2.1实物图图3.2.1实物图3.2.2布线图图3.2.24. 技术指标的测试与调整安装完毕并检查无误后，进行简单调。调试实际上包括调整和测试两方面的内容，测试过程将技术指标以波形的形式输出，观察分析是否达到设计技术要求；进行对比计算推导，改变其中外围元件的参数大小，再次进行测试直至达到要求指标，这就是调整阶段。4.1使

21、用仪器和工具500-3型万用表 1块电烙铁 一把40cm弯头镊子 一把秒表 一块4.2调整过程4.2.1发光二极管亮度调整一般情况下可以直接正常工作，如果发现发光二极管的亮度不一致，可以通过调节对应三极管的基极电阻来改善。4.2.2发光二极管点亮的时间调整整机通电，观察各道路上红、绿、黄灯循环点亮的时间，有秒表测量计算，测量结果如下：设计一个十字路口交通灯控制电路，要求:（1）主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30秒，支干道每次放行20秒。（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒，此时原红灯不变。将测量结果和设计指标对比后，结果满足设计要求。4.2.3硬件调整观察电路板的焊接情况、元器件的位置

22、，发现有虚焊和元器件倾斜的情况，用电烙铁加热借用镊子配合对其进行调整。5.电子元器件清单 Comment Pattern Quantity Components- 104 RAD-0.2 1 C2 Capacitor 10K AXIAL-0.4 2 RES7, RES8 10u/16V RB-.2/.4 3 C4, C5, C6 Electrolytic Capacitor 1K AXIAL-0.4 1 RES9 1N4148 DIODE-0.4 20 D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7 Diode D8, D9, D10, D11, D12, D13 D14, D15, D

23、16, D17, D18, D19 D20 4017 DIP-16 2 U3, U4 470 AXIAL-0.4 7 RES1, RES2, RES3, RES4, RES5 RES6, RES10 555 DIP-8 1 U8 GREEN LEDH 2 D22, D26 LED LEDH 1 D21 POT2 VR2 1 R5 Potentiometer RED LEDH 2 D24, D25 YELLOW LEDH 2 D27, RES6.心得体会光阴似箭，课程设计也圆满完成，两年半的大学学习也将画上圆满的句号。找相关材料，到系统的总体设计及论文的写作，都一直得到了老师和同学的耐心指导和帮

24、助，从中提出了许多宝贵的意见和建议，帮助解决了不少难题，使我们系统地掌握了更多的专业知识。不少我们的同学，他们在我们的论文设计过程中给了我们很大的帮助。正是老师及同学们的指导和帮助，我们的课程设计才得以顺利完成。这里也要向他们送上我们真诚的祝福。通过本次设计，掌握了电子电路的基本知识以及DXP2004软件的熟练掌握，熟悉了时序电路、逻辑电路，加强了实践能力的培养,巩固了理论知识和理论知识的实际应用,加强了实际操作能力,培养了初步的职业技能。最后，再次向在本次设计过程中所有帮助和支持过的老师、同学和朋友们表示最衷心的感谢！限于水平有限，文中不妥、疏漏或错误之处在所难免，恳请老师批评指正。7.参考文献1杜虎林.万用表检测电子元器件M.沈阳：辽宁科学技术出版社，2001.2秦曾煌.电工学下册电子技术M.北京：高等教育出版社，2003.3张亚华.计算机辅助分析与辅助设计M.北京：航空工业出版社，2004.4马全喜.电子元器件与电子实习M.北京：机械工业出版社，2007.5杨元.电子技术技能训练M.北京：高等教育出版社，2004.6石小法.电子技能与实训M.北京：高等教育出版社，2006.7张龙兴.电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2002.