之交通信号灯的设计.docx

资源描述

之交通信号灯的设计.docx

《之交通信号灯的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《之交通信号灯的设计.docx（28页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

之交通信号灯的设计.docx

之交通信号灯的设计

信号灯控制系统的设计

学校；兰州职业技术学院

姓名：

王善华

学号：

20100060

摘要

摘要：

交通信号灯是城市交通有序、安全、快速运行的重要保障，而保障交通信号灯正常工作就成了保障交通有序、安全、快速运行的关键。

为此，设计交通灯控制电路，配以七段共阴极数码管显示时间的显示模块，交通灯显示模块，调时模块，实现根据实际车流量通过设置红、绿灯燃亮时间以及双位数码管显示倒计时，三种颜色灯交替点亮以及紧急情况下的中断处理功能。

本系统性价比高，实用性强，操作简单，功能全面。

关键词：

计数器；交通灯；控制电路

Abstract

Trafficlightsinurbantrafficinanorderly,safeandanimportantguaranteeforfastrunning,andtheprotectionoftrafficlightstoprotectthenormalworkofthetraffichasbecomeorderly,safe,fastrunningkey.Tothisend,theuseofsingle-chipdevicedesignedasthecentraltrafficlightcontrolcircuit,withatotalofcathodeseventhtimethedigitaldisplaymodule,thetrafficlightdisplaymodule,transfermodule,crystaloscillatorcircuit,resetcircuitandchipsetred,greenanddouble-timetokindleadigitalcountdowndisplay,Theturnofthethreecolorsoflightsandemergencylightingincaseofinterruptionofprocessing.Thesystemcost-effective,practical,simple,full-featured.

Keywords:

counter；trafficlight；controlcircuit

4.2计数器的工作情况----------------------------------------------27

4.3控制信号灯的译码电路的真值表--------------------------------------

4.4置数电路-----------------------------------------------------------

4.5状态译码电路-------------------------------------------------

第6章555振荡器构成的秒脉冲电路-------------------------------------33

6.1555定时器的引脚--------------------------------------------

6.2555定时器构成的多谐振荡器-----------------------------------------

6.3555定时器工作原理---------------------------------------------

第七章程序设计-----------------------------------------------------------34

第八章组装和调试过程---------------------------------------------------36

第九章总结------------------------------------------------------------------

附录2交通灯信号灯控制总体框图-------------------------------

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30s、20s计时数码实现电路，要求每秒钟改变一次数字；

第二章、设计原理分析

1、首先了解实际交通灯的变化情况和规律。

假设一个十字路口如上图所以，为东南西北走向。

初始状态0为东西南北都红灯亮。

然后转状态1东西绿灯通车，南北红灯亮。

过一段时间后，转状态2，东西绿灯灭，黄灯闪几下，南北还是红灯。

再转状态3，南北绿灯通车，东西红灯亮。

过一段时间后转状态4，南北绿灯灭，闪几个黄灯，东西还是为红灯亮，一段时间后，又循环至状态1。

列出交通信号灯的状态表如下：

（其中，1代表灯亮，0代表灯灭）

状态

北

西

南

东

绿黄红

001

100

001

100

001

010

001

010

100

001

100

001

010

001

010

001

2、对于交通信号灯来说，应该有东西南北共四组灯，但由于同一道上的两组的信号灯的显示情况是相同的，所以只要用两组就行了，因此，采用单片机内部的I/O口上的P1口中的6个引脚即可来控制6个信号灯。

3、通过编写程序，实现对发光二极管的控制，来模拟交通信号灯的管理。

每延时一段时间，灯的显示情况都会按交通灯的显示规律进行状态转换。

4、通过延时时间送显，可以在原有的交通信号灯系统的基础上，增添其倒计时间的显示功能，实现其功能的扩展。

第三章、主控制器

3.174LS90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计数器是一种中规模二一五进制计数器，管脚引线如图3.6-1，功能表如表3.6-1所示。

表3.6-17490功能表

复位输入

输出

R1R2S1 S2

QDQCQBQA

HH L ×

HH × L

×× H H

XL × L

L× L ×

L× × L

×L L ×

LLLL

HLLH

计数

A．将输出QA与输入B相接，构成8421BCD码计数器；

B．将输出QD与输入A相接，构成5421BCD码计数器；

C．表中H为高电平、L为低电平、×为不定状态。

74LS90逻辑电路图如图3.6-1所示，它由四个主从JK触发器和一些附加门电路组成，整个电路可分两部分，其中FA触发器构成一位二进制计数器；FD、FC、FB构成异步五进制计数器，在74LS90计数器电路中，设有专用置“0”端R1、R2和置位（置“9”）端S1、S2。

74LS90具有如下的五种基本工作方式：

（1）五分频：

即由FD、FC、和FB组成的异步五进制计数器工作方式。

（2）十分频（8421码）：

将QA与CK2联接，可构成8421码十分频电路。

（3）六分频：

在十分频（8421码）的基础上，将QB端接R1，QC端接R2。

其计数顺序为000～101，当第六个脉冲作用后，出现状态QCQBQA=110，利用QBQC=11反馈到R1和R2的方式使电路置“0”。

（4）九分频：

QA→R1、QD→R2，构成原理同六分频。

（5）十分频（5421码）：

将五进制计数器的输出端QD接二进制计数器的脉冲输入端CK1，即可构成5421码十分频工作方式。

此外，据功能表可知，构成上述五种工作方式时，S1、S2端最少应有一端接地；构成五分频和十分频时，R1、R2端亦必须有一端接地。

第四章、计数器

4.1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30s、20s、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。

4.2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；30s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20s计数；20s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30s、20s、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）。

图为计数器。

图计数器（利用74LS90正计数功能）

4.3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

001

010

4.4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、74LS10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

图74LS10三输出与非门内部结构引脚图

4.5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

译码显示电路主要是由共阴极LED七段数码管，CD4511译码器组成。

5.1共阴极LED七段数码管

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阴极连接如图

图共阴极数码管引脚图

5.2CD4511译码器

图CD4511管脚功能排列图

1.以下介绍各引脚的功能：

其功能介绍如下：

BI：

4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

LT：

3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

2.数码连接译码电路。

CD4511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,输出高电平有效,和共阴极半导体发光数码管各发光段的阳极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，CD4511和数码管的管脚排列图:

图段数码显示器管脚接法

图数码管连接电路图

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。

6.1555定时器的引脚

NE555引脚图及ne555的作用介绍

ne555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。

ne555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。

ne555时基电路有两种封装形式有，一是dip双列直插8脚封装，另一种是sop-8小型（smd）封装形式。

其他ha17555、lm555、ca555分属不同的公司生产的产品。

内部结构和工作原理都相同。

ne555的内部结构可等效成23个晶体三极管.17个电阻.两个二极管.组成了比较器.RS触发器.等多组单元电路.特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为555.

ne555属于cmos工艺制造.

NE555引脚图介绍如下

1地GND

2触发

3输出

4复位

5控制电压

6门限（阈值）

7放电

8电源电压Vcc

应用十分广泛.

下面是一个简单的ne555电路应用

NE555（TimerIC）大约在1971年由SigneticsCorporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的TimerIC，在往后的30年來非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电路，尽管近年來CMOS技术版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前都可直接的代用。

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲信号。

a.NE555的特点有：

1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。

其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。

3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

5.静态电流最大值VCC=5V,RL=∞=6mAVCC=15V,RL=∞=15mA

b.NE555引脚图功能配置说明下：

图1-2NE555各脚功能-管脚图

Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。

Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。

触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。

Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。

周期的结束输出回到O伏左右的低电位。

于高电位时的最大输出电流大约200mA。

Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。

它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。

当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

Pin6（重置锁定）-Pin6重置锁定并使输出呈低态。

当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。

Pin7（放电）-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。

Pin8（V+）-这是555个计时器IC的正电源电压端。

供应电压的范围是+4.5伏特（最小值）至+16伏特（最大值）。

NE555时基电路封形式有两种，一是DIP双列直插8脚封装，另一种是SOP-8小型（SMD）封装形式。

其他HA17555、LM555、CA555分属不同的公司生产的产品。

内部结构和工作原理都相同。

NE555属于CMOS工艺制造，下面我们将对其进行介绍。

图1是NE555的外形封装图，图2是它的内部功能原理框图，图3是它的内部等效电路。

NE555的内部中心电路是三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器。

输入控制端有直接复位Reset端，通过比较器A1，复位控制端的TH、比较器A2置位控制的T。

输出端为F，另外还有集电极开路的放电管DIS。

它们控制的优先权是R、T、TH。

<图3NE555内部等效电路>

由NE555制逻辑笔

电路工作原理分析由555电路组成的声光逻辑笔由测试结果指示电路和测试探头与逻辑控制电路组成。

电路中，NE555与R4、R5及C组成一个多谐振荡器，振荡频率约1kHz。

由多谐振荡器输出的脉冲信号通过压电蜂鸣器HTD发出声响，由LED发出闪光信号，用来指示检测结果。

晶体管VT与VD1、VD2及电阻分压器R2、R3等组成逻辑控制电路，它与探头相配合，将测试信号加至多谐振荡器的控制端。

如果探头置于悬空状态，即不与任何测试点接触，这时因VT的基极无偏压而截止。

NE555的⑤脚因R2与R3的分压而使其处于接近电源电压的高电平状态。

与此同时，NE555的④脚也处于悬空状态，多谐振荡器停止振荡。

当探头与低电平测试点接触时，测试电路所处的状态与探头悬空时的状态完全相同，多谐振荡器不振荡，指示电路无声无光。

当探头与高电平的测试点接触时，被测试点的高电平经R1及VD1，VD2加至VT的基极，VT导通。

当VT导通后，由R2，R3组成的分压电路将电源电压分压后加至⑤脚，使NE555内的分压电路得到合适的比较电压。

与此同时，探头测得的高电平被加至NE555的④脚，使NE555的复位状态被解除，多谐振荡器振荡，输出的脉冲信号通过HTD发出声响，通过LED发出闪光。

6.2555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

6.3555定时器工作原理

555定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路，其组成电路框图如图22.32所示。

它的功能表见表22.1。

555定时器有二个比较器A1和A2，有一个RS触发器，R和S高电平有效。

三极管VT1对清零起跟随作用，起缓冲作用。

三极管VT2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。

比较器的输入端有一个由三个5kW电阻组成的分压器，由此可以获得和两个分压值，一般称为阈值。

555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端TL，3脚是输出端OUT，4脚是清除端Rd，5脚是电压控制端CV，6脚是高触发端TH，7脚是放电端DIS，8脚是电源端VCC。

555定时器的输出端电流可以达到200mA，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如继电器、扬声器、发光二极管等。

当TH高触发端6脚加入的电平大于，TL低触发端2脚的电平大于时，比较器A1输出高电平，比较器A2输出低电平，触发器置“0”，放电管饱和，7脚为低电平。

当TH高触发端加入的电平小于，TL低触发端的电平大于时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出低电平，触发器状态不变，仍维持前一行的电路状态，输出低电平，放电管饱和，7脚为低电平。

当TH高触发端6脚加入的电平小于，TL低触发端的电平小于时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出高电平，触发器置“1”，输出高电平，放电管截止，7脚为高电平。

因7脚为集电极开路输出，所以工作时应有外接上拉电阻，故7脚为高电平。

当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时，电路的输出将保持最后一行的状态，即输出为高电平，7脚高电平。

只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时，电路输出的状态才发生变化，即输出为低电平，7脚为低电平。

第七章、程序设计

程序流程图：

主程序:

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

展开阅读全文