基于數(shù)字電路的交通燈控制系統(tǒng)

1、1引言 .12設計目的和要求 .33設計方案的比較和選定 .44系統(tǒng)方框圖 .55電路工作原理 .66電路設計 .76. 1 555定時器構成的秒脈沖信號發(fā)生器 .76. 1. 1 555定時器的引腳.76. 1.2 555定時器工作原理 .86. 1.3秒脈沖信號發(fā)生器 .96.2定時器電路.96.2. 1定時器的作用 .96.2.2定時器的構成 .106.3控制器電路.126.4譯碼器.137系統(tǒng)總電路圖 .168總結 .17參考文獻 .19致 .20附錄 .22AbstractWith the development of the society, people* s living st

2、andard continues to improve, the automobile has been an integral part of peoples life, together with the increasingly complex traffic problem It is far from enough to manage the increasingly complex command system just depend on human, it requires a simple but effective traffic lights command system

3、 to complete these complex work, which makes the urban transport system work in order and safety. So, a simple but effective traffic lights command system means a lot to the growth of a city . Therefore, many designer have worked out a lot of programs, most are traffic 1 ights. This circuit develop

4、on the predecessors* programs, all made up of digital circuit, which is more accurate than foreverKey words: automobile; traffic problem; traffic lights command system;develop; digital circuit中國最早的馬路紅綠燈，是于1908年出現(xiàn)在的英租界。從最早的手牽皮帶到20世紀 50年代的電氣控制，從采用計算機控制到現(xiàn)代化的電子定時監(jiān)控，交通信號燈在科學化、 自動化上不斷地更新、發(fā)展和完善。當前，大量的交通信號燈

5、電路正向著數(shù)字化、小功率、多樣化、方便人、車、路三者 關系的協(xié)調方向發(fā)展。隨著社會的發(fā)展，城市規(guī)模的不斷擴大，城市交通成為制約城市發(fā) 展的一大因素，城市交通問題越來越引起人們的關注。因此，有許多設計工作者為改善城 市交通環(huán)境設計了許多方案，而大多數(shù)都為交通指揮燈，本電路也正是基于前人設計的基 礎上進行改進的.全部有數(shù)字電路組成，比較以前的方案更為精確。交通信號燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對于疏導交通流量、提高道路通行能力， 減少交通事故有明顯效果。隨著中國加入W7U，我們不但要在經(jīng)濟、文化、科技等各方 面與國際接軌，在交通控制方面也應與國際接軌。俗話說“要想富，先修路”，但路修好 了如果在交

6、通控制方面做不好道路還是無法保障暢通安全。作為交通控制的重要組成部 份的交通信號燈也應國際化。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關 注。人、車、路三者關系的協(xié)調，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市 交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導的計算機綜合管理 系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。隨著城市機動車量的不斷 增加，許多大城市如、等出現(xiàn)了交通超負荷運行的情況，因此，自80年代后期，這些 城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通 狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制

7、，高速道路沒 有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市高速道路在構造上的特點，也決定了城市高速道路的 交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控 制方法/最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周 邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。 以下就交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、設計等問題來進行具體分析討論。2設計目的和要求利用所學數(shù)字電路等知識，設計簡單交通燈控制電路。在由主干道和一支干道匯合形 成的十字交叉路口，為確保車輛安全、迅速地通行，在交叉路口的每一個入口處設置紅、 黃、綠三色信號燈。紅燈亮禁止通行，綠燈

8、亮允許通行，黃燈亮則給行駛中的車輛有時 間?？吭诮咕€外，以此實現(xiàn)紅綠燈對城市交通的自動指揮。要求如下：(1)用紅、黃、綠三邑發(fā)光二極管作為信號燈，設計由一個主干道和一個支干道形 成的十字路口的交通燈控制系統(tǒng)。(2)當主干道允許通行亮綠燈時，支干道亮紅燈。而支干道允許通行亮綠燈時，主 干道亮紅燈。3設計方案的比較和選定設計方案一：本設計為交通燈系統(tǒng)。首先考慮設計秒脈沖發(fā)生器，常見的是使用555定時器和一 些分立元件組合設計，使其產(chǎn)生1Hz的方波信號，作為后面電路的時鐘觸發(fā)信號；其次 是計時器的設計，使用兩片74LS163級聯(lián)組成25進制的計數(shù)器；系統(tǒng)的主控制電路是 整個系統(tǒng)的核心，控制信號燈的

9、工作狀態(tài)，使用74LS153D數(shù)據(jù)選擇器和7474N觸發(fā)器 組成主控電路；最后是譯碼輸出，選擇使用LED燈顯示。設計方案二：首先是秒脈沖的設計，由完全的分立元件組成，要使用變壓器，放大器，運算器等 器件；計時器的設計，使用74LS163級聯(lián)組成25進制的計數(shù)器，由前級的秒脈沖信號 作為觸發(fā)信號；主控制電路的設計，使用分立元件和集成電路的組合實現(xiàn)。方案的比較：通過以上方案的比較，方案一更適合。4系統(tǒng)方框圖控制系統(tǒng)主要由秒脈沖發(fā)生器、定時器控制器譯碼器和顯示器等部分組成，如 圖1所示。圖1系統(tǒng)原理方框圖5電路工作原理十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。如圖2所示，十字路口中，主 干道和

10、支干道都設置了紅、黃、綠三色交通信號燈，紅燈停，綠燈行。十字路口的車輛 運行情況有4種可能：(1)設開始時主干道通行，支干道不通行，這種情況下主干道綠燈和支干道紅燈亮， 持續(xù)時間為25s ；(2) 25s后，主干道停車，支干道仍不通行，這種情況下主干道黃燈和支干道紅燈亮， 持續(xù)時間為5s ；(3) 5s后，主干道不通行，支干道通行，這種情況下主干道紅燈和支干道綠燈亮， 持續(xù)時間為25s ；(4) 25s后，主干道仍不通行，支干道停車，這種情況下主干道紅燈和支干道黃燈亮， 持續(xù)時間為5s。5s后又回到第一種情況如此循環(huán)反復在這兩個黃燈的5秒越過停 車線的車輛可以繼續(xù)前進。圖2十字路口示意圖設計使

11、用555定時器作為秒脈沖發(fā)生電路，調節(jié)C的大小可以使電路輸出1Hz的脈 沖信號，并以此脈沖信號輸出作為后級電路的觸發(fā)信號。因要求車道通行時間為25秒， 黃燈亮5秒，所以使用兩片74LS163級聯(lián)作為電路的計時器電路，74LS163是二進制同 步計數(shù)器，兩片級聯(lián)可以構成25進制的計數(shù)器。當計數(shù)至5秒和25秒時選擇輸出信號， 作為主控制電路的計數(shù)時間，主控制電路使用數(shù)據(jù)選擇器和觸發(fā)器根據(jù)不同的信號控制 要求進行連接，控制輸出信號經(jīng)過譯碼器再接厶燈，顯示不同的交通信號。6電路設計 6.1 555定時器構成的秒脈沖信號發(fā)生器6. 1. 1 555定時器的引腳555定時器部含有一個基本RS觸發(fā)器，兩個電

12、壓比較器Cl、C2, 個輸出緩沖器G3，個放電三極管T和由三個5K的電阻組成的分配器，。比較器C1的參考電壓為2VV一工、加在同相輸入端；C2的參考電壓為-工、加在反相輸入端，兩者均由分配器上 3 3取得。555定時器的部電路圖和引腳排列圖如下所示。圖4 555定時器引腳排列圖555定時器8個引線端的用途如下：1端：接地線；2端：低電平觸發(fā)端，也稱為觸發(fā)輸入端。當2端的輸入高電壓高于乞時，C2輸出3為1 ；當輸入電壓低于-時，C2的輸出為0 使基本觸發(fā)器置1 ；33端：/輸出端；uO圖3 555的部電路圖v振蕩周期T = tpl + tp2 a 0.7(& +2RJC(3)4端：復位端，當斥=

13、0時，基本觸發(fā)器直接置0，使0=0，2=1 ；5端：Ux電壓控制端，如果CO端另加控制電壓，則可以改變Cl，C2的參考電壓。 工作中不使用CO端時，一般都通過一個0. OluF的電容接地，以防旁路干擾；6端：放電端。當基本觸發(fā)器的0=1時，放電晶體管T導通，外接電容元件通過T放 電；2V2V7端：高電平觸發(fā)端，當輸入電壓低于時，C1的輸出為1 ;當輸入電壓高于 33時，C1的輸出為0，使基本觸發(fā)器置0，即2=0，8=1，這時定時器輸出；8端：電源端，可在4. 3-1.6v圍使用，若為CMOS電路，則匕匕=3-18v。6. 1.2 555定時器工作原理2接通電后，定時器經(jīng)過電阻&和凡對電容C充電

14、，當上升略高于-Ucc時，比較 器G的輸出為“0”，將觸發(fā)器置“0”，1】“為“0”。這時，0 = 1，放電管T導通，電容C 通過仏和T放電，下降。當陀下降略低于ucc時，比較器C,的輸出為“0”，將觸發(fā) 器置“1”，又由“0”變?yōu)椤?”。由于0=0，放電管T截止，Ug又經(jīng)過尺和尼對電 容C充電。如此重復上述過程，U”為連續(xù)的矩形波。1 2第一個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度tp即從-cc充電上升到亍Ug所需的時間tpl (R + R2)0112 = 0.7(R i + R JC(1)2 1第二個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度即叫從亍Ug放電下降到-ucc所需的時間：tp2 Q凡CIn2 = 0.7尼C(2)RESE

15、TVCCTRIGDI3ZHGTBOLDourCVOLTGND振蕩頻率6.1.3秒脈沖信號發(fā)生器根據(jù)上述555定時器產(chǎn)生脈沖信號的頻率計算公式：T = tpi + tpi a 07(& + 2R、)C(5)1_1.43J T (& + 2RJC(6)得1 43 r-0.7(7?5 + 2/?jC5 f-(R5+2R6)C6(7)6.2定時器電路6. 2.1定時器的作用定時器的功能是精確定時，主要作用有二：一是根據(jù)主干道和支干道車輛運行時間以及黃燈切換時間的要求，進行25s、5s等方式的計數(shù)；二是向控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號， 控制器根據(jù)狀態(tài)轉換信號進行狀態(tài)轉換。24VCCNE55：圖5 555定時器

16、電路R5 15kR668kC6 Ouf6. 2.2定時器的構成定時器由與秒脈沖發(fā)生器發(fā)出的秒脈沖同步的計數(shù)器構成.要求計數(shù)器在狀態(tài)信號作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從零開始進行増1計數(shù)， 向控制器提供信號。這里計數(shù)器選用74LS163 74LS163是4位二進制同步計數(shù)器，它具 有同步清零、同步置數(shù)的功能。由于綠燈時間為25秒，所以綠燈定時器應由兩塊74LS163 級聯(lián)組成，定時器由秒脈沖計數(shù)器構成，計數(shù)器在狀態(tài)信號S?作用下，首先清零，然 后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從零開始進行增1計數(shù)，向控制器提供模5的定時 信號7；和模25的定時信號7；。74LS163的外引線

17、排列圖、邏輯功能表和時序波形圖如下所示。圖6中，祈是低電 平有效的同步清零輸入端，而是低電平有效的同步并行置數(shù)控制端，CTp、C7；是計數(shù) 控制端，CO是進位輸出端，qQ是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q2是數(shù)據(jù)輸出端。電路的 工作原理如下：當電路剛開始工作時左邊的高位片CTp弋C7；=0, LD=，右邊的低位片 CTP=1, CTr=l, LD= 來自編碼器的控制信號Sy=0,艮卩CR=，在輸入時鐘脈沖CP上 升沿的作用下，并行輸入的數(shù)據(jù)q2被置入計數(shù)器即e3e2e1e0=r3r2D1D0=oooo, 同時右邊的低位片開始計數(shù)，當它計數(shù)到0100時，5y.=l, CR=0，計數(shù)器被置0，即 e3e2aeo

18、=o 然后低位片又從o開始計數(shù)，當?shù)臀黄嫈?shù)到時，向左邊 的高位片進1，當計數(shù)器計數(shù)到272625242322&20 =00011000時，控制信號，祁丸，計數(shù)器又被置0，接著計數(shù)器又重復以上過程。輸輸入輸輸出00 000101111計數(shù)110保持110保持74LS163邏輯功能表置數(shù)LD-LJ-rD-IX6時CPLCTV 使能1 JI1豪二二 d+4蠶 co一1_J1_1415012訃散E-保持b)圖7 74LS163時序波形圖所以定時器電路如下：定時器電路6.3控制器電路控制器的功能是按預定的時間控制著每個交通燈的亮和滅?？刂破魇墙煌ü芾淼暮?心，它應該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號燈工作狀

19、態(tài)的轉換。根據(jù)系統(tǒng)工作原理可以 列出控制器的狀態(tài)轉換表，如表2。選用兩個D觸發(fā)器做為時序寄存器產(chǎn)生4種狀態(tài)， 控制器狀態(tài)轉換的條件為7；和7；、當控制器處于Q；%0狀態(tài)時，如果人司，則控制器 保持在00狀態(tài)；如果人“，則控制器轉換到狀態(tài)。這兩種情況與條件7；無關， 所以用無關項“”表示。其余情況依次類推，同時表中還列出了狀態(tài)轉換信號S）。根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實現(xiàn)每個D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸 發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值（Q：Q；）加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇輸入端作為控制信號，即可實現(xiàn)控制器的功能。使用74LS153I）數(shù)據(jù)選擇器和7474N觸發(fā)器組成主控電路如圖9 :圖9控制電珞表2

20、控制器狀態(tài)轉換表輸輸入狀態(tài)轉換條件現(xiàn)0態(tài)CoTLTY次輸輸態(tài)er1出次態(tài)轉換信號ST0000000010110100100111111101101111011001001010016.4譯碼器譯碼器輸入為二進制代碼，輸出為與輸入代碼對應的特定信息，它可以是脈沖，也可以是電平，根據(jù)需要而定。譯碼器的主要任務是將控制器輸出的四種工作狀態(tài)，翻譯成主、支車道上6個信號燈的工作狀態(tài)。表3狀態(tài)表控制狀態(tài)信號燈狀態(tài)車道運行狀態(tài)S。(00)主綠，支紅主車道通行，支車道禁止通行52 (01)主黃，支紅主車道緩行，支車道禁止通行(11)主紅，支綠主車道禁止通行，支車道通行(10)主紅，支黃主車道禁止通行，支車道緩

21、行交通燈控制器的控制過程分為四個階段，對應的輸出有四種狀態(tài)，分別用S。、,、 S2、S3表示。S。狀態(tài)：主干道綠燈亮，支干道紅燈亮。此時主干道允許車輛通行，支干道禁止車 輛通行。當主干道綠燈亮夠規(guī)定的時間后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，系統(tǒng)進入下一個 狀態(tài)。5狀態(tài)：主干道黃燈亮，主干道紅燈亮。此時主干道允許超過停車線的車輛繼續(xù)通 行，而未超過停車線的車輛禁止通行，支干道禁止車輛通行。當主干道黃燈亮夠規(guī)定時 間后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)。S?狀態(tài)：主干道紅燈亮，支干道綠燈亮。此時主干道禁止車輛通行，支干道允許車 輛通行，當支干道綠燈亮夠規(guī)定時間后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，系統(tǒng)進入

22、下一個狀 態(tài)。5狀態(tài)：支干道紅燈亮，支干道黃燈亮。此時主干道禁止車輛通行，支干道允許超過停車線的車輛通行，而未超過停車線的車輛禁止通行。當支干道紅燈亮夠規(guī)定的時間 后，控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，系統(tǒng)進入下一個狀態(tài)一一S。狀態(tài)。因此，用定時器產(chǎn)生時間間隔后，向控制器發(fā)出“時間已到”的信號，控制器根據(jù) 定時器的信號，決定是否進行狀態(tài)轉換。如果肯定，則控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號Sy， 定時器開始清零，準備重新計時。圖譯碼電路7系統(tǒng)總電路圖8 vvviy*:圖系統(tǒng)總電路圖8總結該設計電路基本能滿足交通信號燈控制器的設計要求，通過控制十字路口兩組紅噴、 綠交通燈的狀態(tài)轉換，指揮各種車輛和行人安全通行，能夠實現(xiàn)

23、交通十字路口管理的自 動化控制。該電路設計相對來說比較簡單，實用。但設計中存在很多的不足之處，比如 說該秒脈沖發(fā)生器的時間精度不夠精確，假如采用單片機中的計時器來控制的話就會相 當準確；另外該電路不能顯示倒計時的時間，如果采用74LS192替換74LS163就可實現(xiàn) 減法計數(shù)，然后再接上CT74LS138譯碼芯片和數(shù)碼管就可顯示倒計時的時間，但后來發(fā) 現(xiàn)在對74LS192的定時控制方面有錯誤，由于知識有限，也一直找不到突破口，因此放 棄了該方案。交通信號燈在我們的生活中隨處可見，其規(guī)則都為我們所熟悉，因此這次的設計相 對來說比較容易理解，比較簡單，但是，通過對交通信號燈控制器的設計，我學到了很

24、 多的知識，一方面，我掌握了常用元件的識別和測試方法；熟悉了常用的儀器儀表；以 及如何提高電路的性能等等。另一方面，我深刻認識到了 “理論聯(lián)系實際”這句話的重 要性與真實性。而且通過對此課程的設計，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且 也鞏固了以前知道的知識。通過此次交通控制信號燈的分析和設計，我深深感到學好數(shù) 字邏輯電路的重要性。這一次設計對我來說，感觸最深的就是要想做好一個設計課題首 先要對每一部分所涉及的知識點掌握好，只有這樣才能對設計做的得心應手。在整個設計的過程中我學到了做任何事情所要有的態(tài)度和心態(tài)，首先我明白了做學 問要一絲不茍，對于出現(xiàn)的任何問題和偏差都不要輕視，要通過正確的途徑去解決，在 做事情的過程中要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就可以找 到思路去解決問題的。在工作中要學會與人合作的態(tài)度，認真聽取別人的意見，這樣做 起事情來就可以更順利。參考文獻1 康光華.電子技術基礎數(shù)字部分M