交通灯控制系统设计.docx
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交通灯控制系统设计
毕业设计（论文）
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本表作评定学生平时成级的依据之一
摘要
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
Abstract
Withthedevelopmentofvariousmodesoftransportandtrafficcontrolneeds,thefirsttrulythree-colorLEDlight（red,yellowandgreenflag）wasbornin1918.Itissurroundedbythree-colorprojectorround,wasinstalledinNewYorkCityfifthStreet,atower,becauseofitsbirth,thecitytrafficgreatlyimproved.
Currently,alargenumberofsignalcircuitsistowarddigital,low-power,diversity,convenienceofpeople,vehicles,roadsbetweenthethreecoordinatethedirectionofthedevelopmentofmulti-valuedassocialandeconomicdevelopment,urbantransportproblemsarebecomingincreasinglyacauseforconcern.Withthedevelopmentofsociety,thecontinuousexpansionofcitysize,urbantransportasaconstrainttourbandevelopment,amajorfactor,therefore,therearemanydesignpractitionerstoimprovetheurbantrafficenvironmentdesignedmanyprograms,andmostofthetrafficlights,Thiscircuitisalsodesignedbasedonthebasisofthepreviousimprovements.allofadigitalcircuittocomparethepreviousprogrammoreprecise.
Keywords:
controllersignaldecodingcircuitcounter
目录
引言………………………………………………………………………………………4
第一章交通信号灯的设计目的以及要求………………………………………………4
第二章交通信号灯基本原理及设计方法………………………………………………5
第三章主控制器…………………………………………………………………………7
第一节74LS90引脚排列图与逻辑图………………………………………………7
第二节74LS90的功能表及引脚功能………………………………………………8
第四章计数器……………………………………………………………………………9
第一节计数器的作用………………………………………………………………9
第二节计数器的工作情况…………………………………………………………9
第三节控制信号灯的译码电路的真值表…………………………………………10
第四节置数电路……………………………………………………………………11
第五节状态译码电路………………………………………………………………12
第五章译码显示电路……………………………………………………………………13
第一节共阳极LED七段数码管……………………………………………………13
第二节74LS247译码器……………………………………………………………14
第六章555振荡器构成的秒脉冲电路…………………………………………………16
第一节555定时器的引脚…………………………………………………………17
第二节555定时器构成的多谐振荡器……………………………………………18
第三节555定时器工作原理………………………………………………………19
第七章交通灯信号灯控制总体框图……………………………………………………20
第八章组装和调试过程…………………………………………………………………21
结束语………………………………………………………………………………………23
致词………………………………………………………………………………………24
参考文献……………………………………………………………………………………25
引言
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。
一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。
回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。
他的建议立即得到有关方面的肯定。
于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
中国最早的马路红绿灯，是于1908年出现在上海的英租。
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。
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。
第一章交通信号灯的设计目的以及要求
十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。
实现红绿灯的自动指挥是城市交通自动化的重要课题。
本课题利用数字路的基本知识和设计方法，设计一个简单的交通灯控制系统要求。
1.掌握系统设计的一般步骤和方法，掌握一个大的系统中各子系统之间的相互作用和相互制约关系；
2.运用数字电路理论知识自行设计并实现一个较为完整的小型数字系统。
通过系统设计、电路安排与调试、写设计论文等环节，初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平；
3.学会用中规模器件设计一个符合要求的系统，并熟悉常用中规模器件的用法。
4.学会按照电路图在面包板上合理布局使各器件在系统中的连线更简单，清晰；
5.掌握连接实物图的一般步骤和方法，学会系统安装与调试的一般步骤和方法。
6.在实践中运用理论知识，培养实际动手能力；
7.主干道的通行时间长于支干道的通行时间；
8.每次由绿灯变为红灯或由红灯变为绿灯的前5秒四个路口要亮黄灯以提示过往车辆及行人注意路灯变化，安全通行；
9.设计正计时60s、50s计时数码实现电路，要求每秒钟改变一次数字；
10．在一个主支干道的十字路口，东西和南北方向各设置一个红，黄，绿三种颜色的交通灯。
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5秒钟，以便让后来车辆准备停车。
由于主干道车辆较多，支干道车辆较少，所以要求主干道处于通行状态的时间要长一些，为60秒；而支干道通行时间为50秒。
第二章交通信号灯基本原理及设计方法
十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。
有一个主干道和一个支干道的十字路口如图3-1所示。
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。
因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。
路口交通指挥系统示意图
设主干道通行时间为N1，干道通行时间为N2，主、支干道黄等的时间均为N3，按主支干道通行的时间来看，设置N1﹥N2﹥N3。
系统工作流程图如图所示。
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。
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）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为60s。
2）60s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5s。
3）5s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为50s。
4）50s后，主干道仍不通行，支干道停车，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。
第三章主控制器
第一节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4-174LS90管脚排列图,逻辑图如图所示。
为以后叙述方便，设X1=QB,X0=QA。
74LS90管脚排列图
主控制器的逻辑图
第二节74LS90的功能表及引脚功能.
输入
输出
功能
清0
置9
时钟
QDQCQBQA
R0
（1）、R0
（2）
S9
（1）、S9
（2）
CP1CP2
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
11
不变
保持
74LS90功能表
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QDQCQBQA＝0000。
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QDQCQBQA＝1001。
第四章计数器
第一节计数器的作用
计数器的作用有二：
一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行60s、50s、5s3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。
第二节计数器的工作情况
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；60s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50s计数；50s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，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60s、50s、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=S0QC2=
QC2
B=S2QB2QA2=
QB2QA2
C=S1QB1QA1+S3QB1QA1=X0QB1QA1
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。
图计数器（利用74LS90正计数功能）
第三节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
X1X0
红灯R黄灯Y绿灯G
红灯r黄灯y绿灯g
S000
S101
S210
S311
001
010
100
100
100
100
001
010
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=QBr=QB
Y=QBQAy=QBQA
G=QBQAg=QBQA
第四节置数电路
由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引脚排列图如下图所示这些集成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74LS04六非门内部结构引脚图
图74LS00四入与非门内部结构引脚图
图7420四输出与非门内部结构引脚图
第五节状态译码电路
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。
图态译码电路
第五章译码显示电路
第一节共阳极LED七段数码管
译码显示电路主要是由共阳极LED七段数码管，74LS247译码器组成。
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阳极连接如图
图共阳极数码管引脚图
图共阳极数码管接法
第二节74LS247译码器
图74LS247管脚功能排列图
1.以下介绍各引脚的功能：
（1）3脚是输入端
当
=0时,a、b、c、d、e、f、g均输出为零,发光数码管各发光段全亮,显示8字用以检查数码管各发光段是否良好.当
=1时,译码器按输入BCD码正常译码显示.
（2）4脚灭灯输入端
当
=0时,不论A,B,C,D,的输入状态如何,译码器的输出a、b、c、d、e、f、g均为高电平,显示器各段均不亮,只有
=1时,译码器才根据A、B、C、D输入状而译码输出.
（3）3脚灭零输入端
当
=0时,若输入DCBA=0000,则输出不显示0,若输入为其它带码,则照常显示.
（4）4脚灭零输出端
该端同
端共用一个引脚,它既是灭灯输入端用来接收信号,又是灭零输出端输出信号,为相邻位提供灭零输入信号。
注:
常用的七段显示器还加了小数点DP
（5）分析
当编码器某一个输入信号为1而其它输入信号都为0时，则有一组对应的数码输出，如7＝1时，Y3Y2Y1Y0＝0111。
输出数码各位的权从高位到低位分别为8、4、2、1。
2.数码连接译码电路。
74LS247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,输出低电平有效,和共阳极半导体发光数码管各发光段的阴极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，74LS247和数码管的管脚排列图:
图段数码显示器管脚接法
图码连接电路图
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
第六章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。
第一节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555的内部电路图
555定时器引脚排列图
555定时器个引线端的用途如下：
1．1端为接地线；
2．2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；
3．3端U0为输出端；
4．4端是复位端，当
=0时，基本触发器直接置0，使Q=0，
=1；
5．3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，以防旁路干扰；
6．6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；
7．7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；
8．8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7-1555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
第二节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7-3555定时器图7-4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。
图本次设计的秒脉冲电路图
图波形图
第三节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C2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
（
＋
）Cln2＝0.7（
＋
）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：
Cln2＝0.7
C
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：
.R1≈5.1KΩ
R2≈5.1KΩ
C1≈100uF
C2≈0.01uF
第七章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：
图交通信号灯控制系统总体框图
第八章组装和调试过程
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
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