十字路口交通燈課程設(shè)計論文

./前言數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)是高等學(xué)校弱電類各專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程。這門課程發(fā)展迅速、實用性和應(yīng)用性強,側(cè)重于邏輯行為的認(rèn)知和驗證。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(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào),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(dǎo)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。同時也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(shè)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,高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)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。為此,本次設(shè)計完成的就是交通燈設(shè)計。以下就城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、設(shè)計計算和實驗調(diào)試等問題來進行具體分析討論。一交通燈的組成

交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源,譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號,經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作,控制器是系統(tǒng)的主要部分,由它控制定時器和譯碼器的工作。圖中：

TL:表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒,即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到,TL=1,否則,TL=0。

TY：表示黃燈亮的時間間隔為5秒。定時時間到,TY=1,否則,TY=0。

ST：表示定時器到了規(guī)定的時間后,由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。由它控制定時器開始下個工作狀態(tài)的定時。圖1交通燈控制系統(tǒng)原理框圖一般十字路口的交通燈控制系統(tǒng)的工作過程如下：

〔1甲車道綠燈亮,乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行,乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時間隔TL時,控制器發(fā)出狀態(tài)信號ST,轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。

〔2甲車道黃燈亮,乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行,已過停車線的車輛繼續(xù)通行,乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔TY時,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST,轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。

〔3甲車道紅燈亮,乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行,乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規(guī)定的時間間隔TL時,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST,轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。

〔4甲車道紅燈亮,乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行,乙車道上位過縣停車線的車輛停止通行,已過停車線的車輛停止通行,已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔TY時,控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST,系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第〔1種工作狀態(tài)。

交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器器進行控制的。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、11、10,并分別用S0、S1、S3、S2表示,則控制器的工作狀態(tài)及功能如下表所示表1控制器工作狀態(tài)及其功能控制器狀態(tài)信號燈狀態(tài)車道運行狀態(tài)S0〔00S1〔01S2〔11S3〔10甲綠,乙紅甲黃,乙紅甲紅,乙綠甲紅,乙黃甲車道通行,乙車道禁止通行甲車道緩行,乙車道禁止通行甲車道禁止通行,乙車道通行甲車禁止道通行,乙車道緩行控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見,把燈的代號和燈的驅(qū)動信號合二為一,并作如下規(guī)定：

AG=1：甲車道綠燈亮；

BG=1：乙車道綠燈亮；

AY=1：甲車道黃燈亮；

BY=1：乙車道黃燈亮；

AR=1：甲車道紅燈亮；

BY=1：乙車道紅燈亮；二單元電路的設(shè)計1秒脈沖發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器用的是555定時器構(gòu)成多諧震蕩器,震蕩頻率為：f=1.43/<R1+2R2>C電路圖如下圖示：圖2秒脈沖產(chǎn)生器2定時器定時器由與系統(tǒng)秒脈沖〔由上面時鐘脈沖產(chǎn)生器提供同步的計數(shù)器構(gòu)成,要求計數(shù)器在狀態(tài)信號ST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TY和模25的定時信號TL。計數(shù)器選用集成電路74LS163進行設(shè)計較簡便。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。74LS163的外引線排列圖和時序波形圖如圖下圖所示,其功能表如下表所示。74LS163的外引線排列圖74LS163時序波形圖表274LS163功能表定時器電路圖如下圖3所示：圖3定時器電路圖3控制器

控制器是交通管理的核心,它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。選用兩個D觸發(fā)器FF1、FFO做為時序寄存器產(chǎn)生4種狀態(tài),控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為TL和TY,當(dāng)控制器處于Q1n+1Q0n+1＝00狀態(tài)時,如果TL＝0,則控制器保持在00狀態(tài)；如果,則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0n+1＝01狀態(tài)。這兩種情況與條件TY無關(guān),所以用無關(guān)項"X"表示。其余情況依次類推,下表3為控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,同時表中還列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST。表3控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表根據(jù)表3可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程,其方法是：將Q1n+1、Q0n+1和ST為1的項所對應(yīng)的輸人或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與,其中"1"用原變量表示,"0"用反變量表示,然后將各與項相或,即可得到下面的方程：

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〔Q1n、Q0n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?？刂破鞯倪壿媹D如圖4所示。圖中R、C構(gòu)成上電復(fù)位路。圖4控制器邏輯圖4譯碼器交通信號燈

譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出Q1、Q0的4種工作狀態(tài),翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態(tài)?？刂破鞯臓顟B(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關(guān)系如表4所示。表4控制器狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表狀態(tài)AGAYARBGBYBR001

0

00

0

1010

1

00

0

1100

0

11

0

0110

0

10

1

0由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生了周期性變化的CP脈沖,一部分送給了定時器的74LS163芯片,另一部分送給了控制器的74LS74芯片。在脈沖ST同時加到定時器74LS163芯片的情況下,通過芯片74LS00將會輸出TY。T/Y/；TL。T/L/。即TY和T/Y/放大的結(jié)果是秒脈沖的5倍；TL和T/L/放大的結(jié)果是秒脈沖的25倍。前者輸出的信號是后者的1/5。將定時器輸出的TY。T/Y/；TL。T/L/分別作用于控制器的芯片74LS153中,在CP脈沖置于芯片74LS74中會輸出高低變化的電平?？刂破髦械男盘栐谒徒o由芯片74LS00組成的譯碼器后再通過電路中的指示燈和100歐的電阻從而得到交通燈的邏輯電路,這種電路的結(jié)果最終通過小燈的正常閃爍來實現(xiàn)。圖5譯碼器、交通燈部分邏輯圖三產(chǎn)品仿真制作實踐表明,一個電子裝置,即使按照設(shè)計的電路參數(shù)進行安裝往往也難于達到預(yù)期效果。這是因為人們在設(shè)計時,不可能周全地考慮各種復(fù)雜的客觀問題,必須通過安裝后的測試和調(diào)整,來發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計方案的不足。然后采取措施加以改進,使裝置達到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)。因此調(diào)整電子電路的技能對從事電子技術(shù)及有關(guān)領(lǐng)域工作的人員來說,是不應(yīng)缺少的。利用protel按照原理圖制作出仿真原理圖,然后進行仿真。四調(diào)試檢查電子安裝完畢,通常不宜急于通電,要形成這種習(xí)慣,先要仔細檢查。其檢查容包括：〔1連線是否正確檢查的方法通常有兩種方法：a.按照電路圖檢查安裝的線路這種方法的特點是根據(jù)電路圖連線,按一定順序安裝好的線路,這樣比較容易查出哪里有錯誤。按照實際線路來對照原理圖電路進行查線這是一種以元件為中心進行查線的方法。把每個元件引腳的線一次查清,檢查每個去處在電路圖上是否存在,這種方法不但可以查出錯線和少線,還容易查出多線。為了防止出錯,對于已查過的線通常應(yīng)在電路圖上做出標(biāo)記,最好用指針式萬用表"歐姆1"擋,或數(shù)字萬用表"歐姆擋"的蜂鳴器來測量,可直接測量元、器件引腳,這樣可以同時發(fā)現(xiàn)接觸不良的地方。元器件的安裝情況檢查元器件引腳之間有無短路和接觸不良,尤其是電源和地腳,發(fā)光二極管"+"、"-"極不要接反。調(diào)試方法與原則通電觀察把經(jīng)過準(zhǔn)確測量的電源接入電路。觀察有無異常現(xiàn)象,包括有無元件發(fā)熱,甚至冒煙有異味電源是否有短路現(xiàn)象等；如有此現(xiàn)象,應(yīng)立即斷電源,待排除故障后才能通電。下一步對電路參數(shù)提出合理的修正。調(diào)試中注意的事項為了保證效果,必須減小測量誤差,提高測量精度。為此,需注意以下幾點：〔1正確使用測量儀器的接地端〔2測量電壓所用儀器的輸入端阻抗必須遠大于被測處的等效阻抗。因為,若測量儀器輸入阻抗小,則在測量時會引起分流給測量結(jié)果帶來很大的誤差?！?儀器的帶寬必須大于被測電路的帶寬。要正確選擇測量點?！?用同一臺測量儀進行測量進,測量點不同,儀器阻引起的誤差大小將不同?！?調(diào)試過程中,不但要認(rèn)真觀察和測量,還要于記錄。記錄的容包括實驗條件,觀察的現(xiàn)象,測量的數(shù)據(jù),波形和相位關(guān)系等。只有有了大量的可靠實驗記錄并與理論結(jié)果加以比較,才能發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計上的問題,完善設(shè)計方案。〔6調(diào)試時出現(xiàn)故障,要認(rèn)真查找故障原因,切不可一遇故障解決不了的問題就拆掉線路重新安裝。因為重新安裝的線路仍可能存在各種問題。我們應(yīng)該認(rèn)真檢查.調(diào)試結(jié)果是否正確,很大程度受測量正確與否和測量精度的影響。對于本交通燈來說,只要不出現(xiàn)異常的現(xiàn)象,一般不需要調(diào)試,直接進行測量。測試電路中線路是否接通同上用萬用表的歐姆檔,測試每一組的連通的線,將兩表筆接到被測的一組線的起始線和末端線的兩端,看電阻是否為零,如果是零,則證明是通的；如果是無窮大,則證明中間有線是短開的,則要一根一根的檢查該組的沒一根線,直到查出為止。通電后的測試〔1測試電源用萬用表的直流電壓檔,測試輸入電源的電壓,看是否達到額定電壓〔本產(chǎn)品為+5V,如果不是,則換電源?！?測試芯片的電源輸入端同上用萬用表的直流電壓檔,測試芯片的接地端與接電源端的點呀,看是否達到芯片的額定電壓〔本產(chǎn)品所用的芯片都是+5V,如果不是,則檢查其線路是否接錯。五元器件清單集成電路74LS741片74LS101片74LS091片74LS1532片74LS1633片74LS001片74LS041片N5551片芯片座若干電容10μF,0.01μF,1μF,0.1μF各一支電阻47KΩ兩個1KΩ一個發(fā)光二極管6個PCB板一塊六總結(jié)體會通過此次課程設(shè)計讓我對自己的學(xué)習(xí)情況有了更為深刻的認(rèn)識和了解,發(fā)現(xiàn)自己不知道的比想象中的要多,很多原本以為自己知道的只是原來是很模糊的,因此對于學(xué)習(xí)還需要加強力度。同時這次課程設(shè)計也檢驗了我們的動手能力,我們所學(xué)習(xí)的只是需要在實踐中進行檢驗,以此來判斷自己對于知識的掌握程度,一邊加深和改善今后的學(xué)習(xí)。動手能力是非常重要的,而在這一方面恰好是我很欠缺的,通過這次課程設(shè)計,加強了我動手、思考和解決問題的能力。由于我們此次的課程設(shè)計需要的元器件比較多,所以在布線時采用了自動布線,有些線路就顯得凌亂,究其原因還是PROTEL學(xué)習(xí)得不夠深入。七.參考文獻1《數(shù)字電子技術(shù)基本教程》〔閻石主編,清華大學(xué),2006出版2《數(shù)字電子電路》〔閻石主編,中央廣播電視大學(xué),1993年出版3