交通信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文

1、交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要交通信號燈常用于交叉路口，用來控制車輛的流量，提高交叉路口車輛的通 行能力，減少交通事故。在城鎮(zhèn)街道的十交義字路口，為了保證交通秩序和行人 安全,一般在每條道路上各有一組紅黃綠交通信號燈，其中紅燈完，表示該道路 禁止通行;綠燈鳧表示該條道路允許通行。交通燈控制電路自動(dòng)控制十字路口兩 組紅黃綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮車輛和行人安全通行，實(shí)現(xiàn)十字路口交通管理的 自動(dòng)化。本文介紹交通信號燈的基本工作原理，基本組成，設(shè)計(jì)步驟及方法，電路說 明等。著重強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)的原理和方法，并附以電路說明，從更深層次的把交通燈的 設(shè)計(jì)原理展現(xiàn)給大家。它結(jié)合模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的基本研究方法

2、并根 據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)電路，并最終實(shí)現(xiàn)指揮交通。本文的思路基于智能交通燈設(shè) 計(jì)方案，并進(jìn)行簡單改進(jìn)。著重從數(shù)字電子的方向研究問題，把與非門和RS密碼 鎖等方面的知識運(yùn)用到實(shí)際的設(shè)計(jì)中，并發(fā)揮實(shí)際作用，最終實(shí)現(xiàn)紅黃綠的三個(gè) 燈的交替自動(dòng)變換。關(guān)鍵詞：555定時(shí)電路;交通信號燈川數(shù)器；譯碼置數(shù)電路1緒論錯(cuò)誤!未定義書簽。1.1 概述錯(cuò)誤!未定義書簽。1.2 基本工作原理及框圖錯(cuò)誤!未定義書簽。2相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計(jì)。錯(cuò)誤!未定義書簽。2.1 信號燈狀態(tài)控制器設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。2. 1 . 1工作原理及電路組成。錯(cuò)誤!未定義書簽。2.1.2 7 4 LS74集成芯片引腳圖及功能錯(cuò)誤!未定義書

3、簽。2.2 信號燈譯碼驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。2.2.1 工作原理及電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。2. 2 .2 74L S 74集成芯片引腳圖及功能錯(cuò)誤!未定義書簽。2. 3 置數(shù)譯碼電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。2. 3. 1 工作原理及電路設(shè)計(jì)。錯(cuò)誤!未定義書簽。2.3.2 74LS 0 4集成芯片引腳圖及功能。錯(cuò)誤!未定義書簽。2.4 計(jì)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。2.4. 1工作原理及電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。1 .4.2 74LS 1 90集成芯片引腳圖及功能錯(cuò)誤!未定義書簽。2 .5 顯示譯碼電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。2.5. 1 工作原理及電路設(shè)計(jì)，錯(cuò)誤!未定義書簽。2. 5.

4、2CD4511集成芯片引腳圖及功能。錯(cuò)誤!未定義書簽。2.655 5秒脈沖發(fā)生器設(shè)小錯(cuò)誤!未定義書簽。1 .6.1工作原理及電路設(shè)計(jì)錯(cuò)誤!未定義書簽。2 . 6 .2555集成芯片引腳圖及功能。錯(cuò)誤!未定義書簽。2. 7 元件清單143電路圖及軟件模擬仿真。錯(cuò)誤味定義書簽。3.1 整體電路圖，錯(cuò)誤!未定義書簽。3 .2原理圖仿真錯(cuò)誤!未定義書簽。3.3軟件調(diào)試錯(cuò)誤!未定義書簽?？偨Y(jié)錯(cuò)誤!未定義書簽。致謝。錯(cuò)誤!未定義書簽。參考文獻(xiàn)錯(cuò)誤!未定義書簽。1緒論1. 1 概述隨著世界范圍內(nèi)城市化和機(jī)動(dòng)化進(jìn)程的加快，城市交通越來越成為一個(gè)全球 化的問題。城市交通基礎(chǔ)設(shè)施供給滯后于高速機(jī)動(dòng)化增長需求，道路

5、堵塞日趨加 重，交通事故頻繁，環(huán)境污染加劇等問題普遍存在。目前，全國大中城市普遍存 在著道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象，交通事故頻發(fā)，這給人民的生 命財(cái)產(chǎn)安全帶來了極大的損失。如何解決城市交通問題已成為全社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn) 和大眾的迫切呼聲。探究城市交通發(fā)展中存在問題的原因,無論是從宏觀上還是 從微觀上分析，其根本原因在于城市交通系統(tǒng)的管理機(jī)制不適應(yīng)。城市交通控制系統(tǒng)(UTC, Urban T r a f f ic Contr o 1 System)是現(xiàn)代城 市智能交通系統(tǒng)(IDJJnte 1 ligent t ransport sy s tem)的組成之一，主要用于 城市道路交通的控制與

6、管理。城市平交路口實(shí)現(xiàn)交通信號控制是城市交通管理現(xiàn) 代化的基本標(biāo)志之一，是提高交通管理效能的重要技術(shù)手段。路口信號控制器是 控制交叉路口交通信號的設(shè)備,它是交通信號控制的重要組成部分。各種交通控 制方案，最終都要由路口信號控制器來實(shí)現(xiàn)。為了確保十字路口的行人和車輛順 利、暢通地通過，往往采用電子控制的交通信號來進(jìn)行指揮。伴隨著社會(huì)的發(fā)展 以及人類生活水平的提高，汽車的數(shù)量在不斷增加。交通信號燈用于道路平面交叉路口，通過對車輛、行人發(fā)出行進(jìn)或停止的指 令，使人與人、車與車之間盡可能減少相互干擾，從而提高路口的通行能力，保障路 口暢通和安全。一般來說，十字路口的兩條相交義的道路是有主次之分，其中車

7、 流量較大的稱為主干道，車流量小的稱為次干道或支干道。有主、次干道交叉口 的城市道路,四個(gè)方向都設(shè)有紅、綠、黃三色信號燈。紅燈亮表示禁止通行，綠 燈克表示可以通行,黃燈先表示讓交叉口停車線以外的車輛停止通行，而交義口停 車線以內(nèi)的車輛快速通過交叉口。交通信號燈控制系統(tǒng)由狀態(tài)控制器、狀態(tài)譯碼 器、定時(shí)系統(tǒng)等幾部分組成。因此本次課程設(shè)計(jì)能深入了解交通信號燈的應(yīng)用原理，更好的掌握所學(xué)知識, 通過對交通信號燈控制電路的設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試，熟練掌握各種電子測量儀器、 儀表的正確使用方法，熟悉掌握數(shù)字邏輯電路原理及各類型數(shù)字單元電路的工作 原理、電路形式、調(diào)試方法、整機(jī)電路統(tǒng)調(diào)技巧等方面知識；同時(shí)，通過對系

8、統(tǒng) 設(shè)計(jì)結(jié)果的理論分析，加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的工作能力，對加強(qiáng)數(shù)字邏輯電路原理 與技術(shù)方法的掌握，得到全面的、系統(tǒng)的訓(xùn)練，為今后從事本專業(yè)工作奠定堅(jiān)實(shí) 的技術(shù)基礎(chǔ)。1.2基本工作原理及框圖因主干道車流量較多，而次干道車流量較少,所以主干道放行的時(shí)間要長，即 綠燈時(shí)間稍長。十字形交通路口信號燈如圖1所示。主干道 紅黃綠圖1 路口交通指揮系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)工作流程圖如下圖2所示。圖2系統(tǒng)工作流程圖要實(shí)現(xiàn)上述交通信號燈的自動(dòng)控制，則要求控制電路由時(shí)鐘信號發(fā)生器、計(jì) 數(shù)器、信號燈譯碼驅(qū)動(dòng)電路、信號燈譯碼驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路等兒 部分組成，整機(jī)電路的原理框圖同如圖3所示。四個(gè)路口設(shè)有紅、黃、綠三色燈

9、和兩位84 2 1 BCD碼的計(jì)數(shù)、譯碼顯示器。圖3 交通信號燈控制系統(tǒng)原理組成框圖十字路口車輛運(yùn)行情況只有4種可能：1)設(shè)開始時(shí)主干道通行，支干道不通 行，這種情況下主綠燈和支紅燈兜，持續(xù)時(shí)間為30so 2)30 s后，主干道停車，支干 道仍不通行，這種情況下主黃燈和支紅燈鳧，持續(xù)時(shí)間為5s。3) 5s后，主干道不 通行，支干道通行，這種情況下主紅燈和支綠燈克，持續(xù)時(shí)間為2 0s。4) 5 0 s后, 主干道仍不通行，支干道停車，這種情況下主紅燈和支黃燈光，持續(xù)時(shí)間為5so 5s 后乂回到第一種情況，如此循環(huán)反復(fù)。因此，要求主控制電路也有4種狀態(tài)，設(shè)這4種狀態(tài)依次為:SO、S 1、SG5s后

10、 T2、S3。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。30s 后 ()S5s 后), 20s 后、/圖4狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖2相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計(jì)2. 1信號燈狀態(tài)控制器設(shè)計(jì)2.1.1 工作原理及電路組成十字路口車輛運(yùn)行情況只有4種可能，實(shí)現(xiàn)這4個(gè)狀態(tài)的電路，可以用兩個(gè) D觸發(fā)器組成一個(gè)四進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。在此采用的一片74LS74實(shí)現(xiàn)。四進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路圖如圖5所示。表3各信號燈邏輯表達(dá)式D觸發(fā)器的狀態(tài)方程為Q*=Q，1 oad每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖Q0的狀態(tài)改變 一次,U 1A將load輸入的時(shí)鐘脈沖二分頻后送給UI B ,即10ad每四個(gè)脈沖U1 A和U1B的狀態(tài)回到原來的狀態(tài)，即四進(jìn)制計(jì)算器。2. 1.2 74 LS74

11、集成芯片引腳圖及功能74LS74芯片引腳圖6所示。1CLRI1D 1CLK IPREt1Q|1Q|GND3 45 67121110 g8VCC j 2m 12D J2CLK 2PRE 2Q 12Q圖674LS74芯片引腳圖74LS74的功能表如表1所示。輸入諭預(yù)置清冬時(shí)鐘數(shù)據(jù)PRECLRCLKD7VLHXXHLHLXXLHLLXXH*H*HHtHHLHHtLLHHHLXOoOoH=高電平L=低電平X=不定，=從彳氐生平過渡到高電平Qo二建立穩(wěn)態(tài)輸入條件之前的Q電平，6。二建立穩(wěn)態(tài)輸入條件之前的。電平*這種情況是不穩(wěn)定的,即當(dāng)預(yù)置和清除輸入到高電平時(shí).狀態(tài)將不能保持。2. 2信號燈譯碼驅(qū)動(dòng)電路設(shè)

12、計(jì)2.2.1工作原理及電路設(shè)計(jì)主、支干道上紅、黃、綠信號燈的狀態(tài)主要取決于狀態(tài)控制器的輸出狀態(tài)。 它們之間的關(guān)系見真值表。對于信號燈的狀態(tài)，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。 列出信號燈的真值表如表2所示。表2 信號燈的真值表狀態(tài)控制器輸出主干道信號燈支干道信號燈QiQ0紅（R）黃(Y)綠（G）紅(r)黃(y)綠(g)01001100000101001110000110100010根據(jù)真值表可以寫出各信號燈的邏輯函數(shù)式如表3所示。Duakln-Une Package圖874LS74集成芯片引腳圖74LS 7 4集成芯片功能表如表4所示：表474LS7 4集成芯片功能表InputInputOutp

13、utABYLl nHLHHHLHHHL2.3置數(shù)譯碼電路設(shè)計(jì) 2.3. 1工作原理及電路設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)3 0秒、2 0秒、5秒倒計(jì)時(shí)，就要在計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)到零的時(shí)候給計(jì)數(shù) 器的置數(shù)端送入下一狀態(tài)相應(yīng)的時(shí)間數(shù)。列出置數(shù)真值表如表5所示：表5 置數(shù)真值表Q 1QOh g f e d cb a000110 0 000 1 0100 1000000 00 00100110 0110 0010根據(jù)真值表可以寫出邏輯函數(shù)表達(dá)式：h=0 g=0 f=QO e=QlQO d=0 c = a=QO' b=02.3. 2 74LS04集成芯片引腳圖及功能74L SO4集成芯片引腳圖川如圖9所示:74LS04集成

14、芯片功能表如表6所示：表6 74LS04集成芯片功能表low Logic2.4計(jì)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.4. 1工作原理及電路設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)系統(tǒng)由兩片7 4LS 1 90構(gòu)成的計(jì)數(shù)器、7 4 LS 0 0和7 4 LS04構(gòu)成的置數(shù)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號輸出電路組成。計(jì)時(shí)系統(tǒng)電路如圖I。所示。用兩片7 4LS190 組成兩位十進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器狀態(tài)為零時(shí)，U9A輸出信號load,作為置 數(shù)控制信號，將置數(shù)譯碼器輸出的數(shù)據(jù)送入計(jì)數(shù)器。Load送入狀態(tài)計(jì)數(shù)器7 4 L S 74,作為狀態(tài)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖。D5D6D4W/i58 . 0。 s .N-LEFXVH8與：<3字 GVQTtU5 ： 74LS190D

15、：猖853U2 74LS190DWS ： GND5V令yiqu八 8牛 g? QVO-7 U10A工二06JcpPDj JQO圖10計(jì)時(shí)系統(tǒng)電路圖2.4. 2 74LS 190集成芯片引腳圖及功能7 4 LSI 90具有可對8 421 BCD進(jìn)行計(jì)數(shù)、可逆計(jì)數(shù)、有聯(lián)級脈沖輸出、可由送數(shù)控制進(jìn)行異步置數(shù)、并行輸出、可聯(lián)級到n位應(yīng)用等功能，所以可以用7 4 LSI90做為計(jì)時(shí)系統(tǒng)的計(jì)時(shí)器。74 LS190的引腳排序圖11。Uu1514413512611yW9閽 D/UC 0cC 0oC gnoTCLK rcoJload圖1174LS1 9 0的引腳排序圖74SL190的功能表如表7所示。表774L

16、S190功能表輸入輸出LD CT U/L CP Do DI D2 D?qo ei q2 Q30 x xxd0dJ d2 d3dO dl a d3100Tx xxx加計(jì)數(shù)111Tx xxx城計(jì)數(shù)11XXXxxx保持2.5. 示譯碼電路設(shè)計(jì)2.5.1 工作原理及電路設(shè)計(jì)2.5. 2 CD451 1集成芯片引腳圖及功能74LS 1 9 0的引腳排序圖如圖13所示。圖13 74 LS19 0引腳排序圖七段顯示譯碼電路真值表川如表8所示。表8 七段顯示譯碼電路真值表輸出D C B Aa b c d. e f g00001111110000101100000010110110100111111001010

17、0011001101011011011011000111110111111000010001111111100111100112.6555秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)2.6. 1 工作原理及電路設(shè)計(jì)引腳OUT輸出的端方波的周期為:T=(R 1 +R2)Cln2本電路采取R1 = 15K, R2=68K, Cl=0.1 u F,C2=1 0 uF。秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)電路圖如圖示12oycc：UT1 555_TIMER_RATED » VCC CUT RSI DIS -THPvcc、R8 ,：|l5kQ, 26Q- -98R仇F&.31nF- T r io27C41.0一28rI-l圖12秒脈

18、沖發(fā)生器設(shè)計(jì)電路圖 8K2. 6.2555集成芯片引腳圖及功能時(shí)器5 5 5定時(shí)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳排列圖,如內(nèi)部電路圖13,引腳排列圖 14o 555定時(shí)器內(nèi)部含有一個(gè)基本RS觸發(fā)器，配個(gè)電壓比較器C1,C2,一個(gè)放電 三極管T由三個(gè)5 K的電阻的分配器，5 55定時(shí)器因此而得名一個(gè)輸出緩沖器G 3 o比較器C1的參考電壓為2 VCC/3加在同相輸入端C2的參考電壓為VCC/3 加在反相輸入端，兩者均由分在器上取得。圖13 555定時(shí)器引腳排列圖V8圖14 55 5的內(nèi)部電路圖555定時(shí)器個(gè)引線端的用途如下：I、端為接地線；2、端為低電平觸發(fā)端,也稱為觸發(fā)輸入端。當(dāng)2端的輸入高電壓高 于VCC

19、/ 3時(shí),C2輸出為1 ;當(dāng)輸入電壓低于VCC/3時(shí)，C2的輸出為0,使基本觸發(fā)器 置1 ；3、端U。為輸出端；4、端是復(fù)位端，當(dāng)R =0時(shí)，基本觸發(fā)器直接置0,使Q=0, Q =1;5、端UDD為電壓控制端，如果CO端另加控制電壓，則可以改變C1 , C2的參考電壓。工作中不使用CO端時(shí)，一般都通過一個(gè)O.OluF的電容接地, 以防旁路干擾；6、端TH為高電平觸發(fā)端，當(dāng)輸入電壓低于2 VCC/3時(shí)，C1的輸出為1;當(dāng) 輸入電壓高于2 VCC/3時(shí),C 1的輸出為0,使基本觸發(fā)器置0,即Q0=0, Q =1,這 時(shí)定時(shí)器輸出U0 = 0 ;7、端D為放電端。當(dāng)基本觸發(fā)器的Q = 1時(shí)，放電晶體

20、管T。導(dǎo)通，外接電容元件通過T放電;8、端VCC為電源端，可在4.3-1.6V范圍內(nèi)使用，若為CMOS電路，則VCC=3-18VO555定時(shí)器功能表如表9所示，它全面表示了 5 5 5的基本功能。表9 55 5定時(shí)器功能表N入輸出閥值篇人融發(fā)輸入復(fù)位福出3）放電管KDXX00導(dǎo)通<U3U 刃11截止>卜3%10導(dǎo)通好心>1/3%1不變多諧振蕩器產(chǎn)生矩形波的自激振蕩電路,由于矩形波包含和高次諧波成分， 因此稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài),同時(shí)毋 須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。用555實(shí)現(xiàn)多諧振 需要外接電阻RLR2和電容C,并

21、外接+5V的直流電源。只需在+VCC端接上+ 5 V的電源，就能在3腳產(chǎn)生周期性的方波。2.7元件清單電路所需原件如表10所示。表10電路所需原件元件數(shù)量74LS190274LS 7 4174L S 00274LS 041CD4 5 112NE5 5 51電阻、電容若干LED6共陰數(shù)碼管23電路圖及軟件模擬仿真3. 1整體電路圖由5 55組成的振蕩器產(chǎn)生周期為一秒的時(shí)鐘信號，送給計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器做 減法計(jì)數(shù)CD451 1譯碼器把計(jì)時(shí)器輸出的842 1 BCD碼譯成驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示的 七段二進(jìn)制代碼，使數(shù)碼管顯示相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)。當(dāng)計(jì)時(shí)器減到零狀態(tài)，RCO1 和RCO2分別輸出一個(gè)低電平信號，通過非門

22、和與非門，load輸出一個(gè)低電平信 號，置數(shù)譯碼電路輸出的數(shù)據(jù)送入計(jì)時(shí)器，load在上升沿到來時(shí),信號燈狀態(tài)控 制器的計(jì)數(shù)器加I ,信號燈轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)。計(jì)時(shí)器繼續(xù)倒計(jì)時(shí)，如此循環(huán)下去。3. 2原理圖仿真這里用的是Mu 1 tis i m 1 0仿真軟件，仿真原理巴圖（總電路圖）如下 圖15所示。圖15仿真原理圖（總電路圖）主干道綠燈先，支干道紅燈亮，開始3 0秒倒計(jì)時(shí)，如圖1 6o圖1 6主干道黃燈先，支干道紅燈殼，開始5秒倒計(jì)時(shí)，圖17。圖17主干道紅燈鳧，支干道綠燈先，開始20秒倒計(jì)時(shí)，圖18。圖18主干道紅燈先，支干道黃燈兜，開始5秒倒計(jì)時(shí)，圖1 9。圖19從仿真結(jié)果可知，計(jì)時(shí)器能夠正確置數(shù)，時(shí)間顯示正常,仿真符合題目要求?？偨Y(jié)課程設(shè)計(jì)主要是考察我們對書上理論的理解以及培養(yǎng)我們的動(dòng)手能力，在這 個(gè)過程中,我認(rèn)為最重要的是設(shè)計(jì)過程，它不僅使我加深了對理論的理解，更對