交通信号灯控制器.doc

个人收集整理 勿做商业用途目 录1. 选题背景1 1.1已知技术参数和条件11.2工作流程21.3工作时序22。 方案论证2 2。1设计思路2 2.2总体设计方案和原理框图2 2。3工作状态53.方案选择。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.。.6        3.1方案构思6  3。2方案比较8  3。3方案选择84. 过程论述8 4.1 秒脉冲电路8 4。2 主控电路10 4.3 定时电路12 4.4 译码显示电路13 4.5 计数译码显示部分14  4.5.1 减计数部分14  4。5。2 显示电路145. 调试及测量结果分析166。 设计总结16附录1：元器件清单17 参考文献    18- 1 -交通信号灯控制器设计摘要 :红绿交通灯自动控制系统在城市十字(或丁字）路口有着广泛的应用.随着社会的进步，人们生活水平的提高，私家车数量会不断增加，对城市交通带来前所为有的压力。道路建设也将随之发展，错综复杂的道路将不断增多.为维持稳定的交通秩序,红绿灯自动控制系统将得到更为广泛的应用。现在实际应用的红绿灯系统中一般没有倒计时功能,使司机和行人不知道指示灯还有多久将会改变现有状态.本设计应用基本数字电路知识,采用LED灯作红、绿、黄三交通灯，用七段数码管作同步倒计时显示.实现两方向通行时间不相等的控制并配有计时器。     通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。 因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。       设计所需要的元件有：555定时器、74LS10、74LS139、74LS160、7448、74LS161、七段数码显示管、发光二极管、各种门电路1. 选题背景1.1已知技术参数和条件：由一条主道和一条支道的汇合点形成的十字路口,两道上的车辆交替通过，为确保车辆的安全,迅速通行,在交叉路口要求主车道和支车道两条交叉道的每个入口设置了红，绿，黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行;黄灯给行驶的车辆有时间停靠到禁行线外； 用红，绿，黄三色发光二极管作信号灯，主道红，绿,黄三个信号灯,支道红，绿,黄三个信号灯。 主干道和支道交替允许通行，主干道每次放行45秒,支道每次放行25秒。设计45秒和25秒计时显示器电路。 在每次由绿灯或绿（左）灯转换为红灯的过程中间,要亮5秒黄灯作为过渡时间，以使得行驶中的车俩有时间停到禁行线外,计时显示电路。 在十字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯；用来指挥车辆和行人有序通行。其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y)亮表示停车；绿灯（G)亮表示允许通行.1。2工作流程：主道方向绿灯亮,支道方向红灯亮;主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮;主道方向红灯亮，支道方向绿灯亮；主道方向红灯亮，支道方向黄灯亮。1。3工作时序：主干道绿灯45秒、支干道绿灯25秒的交通灯控制系统,每次由绿灯变为红灯时应有5秒黄灯亮作为过渡，分别用红、黄、绿三色发光二极管表示信号灯，并用数码管显示倒计时.2。方案论证2。1 设计思路：系统中要求有45秒，25秒和5秒的三种定时信号,设计三种相应的计时显示器电路。计时顺序用顺计时.定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入主控电路，并通过主控电路去开启和关闭种交通灯或启动另一种计时电路.系统要求定时显示电路的输入信号为秒脉冲信号，设计一个可以实现秒脉冲输出的时基电路。主控电路是整个电路的核心,它的输入信号来自45秒,25秒，5秒三个定时信号。主控电路可以控制各种交通灯的开启和关闭，并反馈信号给计时电路，触发与亮着的信号灯相应的定时电路，使其顺时显示相应时间。2.2 总体设计方案和原理框图：本设计要求设计一个主干道绿灯45秒、支干道绿灯25秒的交通灯控制系统，每次由绿灯变为红灯时应有5秒黄灯亮作为过渡,分别用红、黄、绿三色发光二极管表示信号灯，并用数码管显示计时.因此，本设计需要一个脉冲产生模块、信号灯模块、倒计时模块、数码显示模块和主控模块.脉冲产生电路用以驱动倒计时电路，置数电路将交通灯亮时间预置到计数电路和寄存器中，信号灯模块对信号灯的各种状态进行循环控制，倒计时模块以基准时间秒为单位做倒计时，数码显示模块显示倒计时的时间，主控模块对电路种的各个模块进行级联控制。      交通信号灯控制电路,交通灯采用发光二极管，显示时间则采用自带译码器的数码管显示。采用555定时器产生秒脉冲,经由一个脉冲驱动电路后产生信号灯需要的三种脉冲，即45s，25s，5s,传递给控制器，由控制器发出状态。译码器接受状态后译码，输出控制信号灯和数码管显示的状态。   由于系统状态只有四种，译码器选择74LS139即可,2线-4线译码器，输出四种状态.设计方案概述：如图1，系统主要由控制器,定时器，显示器，译码器，信号灯和秒脉冲号发生器组成。其中控制器是核心部分，由它来控制定时器和译码器的工作;秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号；译码器输出两路灯的控制信号；定时器是这个设计方案中的难点，要找到合适的元器件来分别实现三种不同时间的定时功能，并且尽可能的使其电路不过于复杂。                          主道                     支道 红 黄 绿红 黄 绿 绿（左）译码驱动电路                            主控电路                                          5秒定时、显示25秒定时、显示45秒定时、显示          时基电路图21交通信号灯控制器的总原理框图图22 电路仿真原理图23工作状态                            1.实现红绿灯的交通管制功能；2.在红绿灯交换的前五秒，有常亮的黄灯提示司机注意，此时绿灯已灭；3.可适应主支干道不同的车流量的需要，拟设计主干道的车量通行时间为45秒,支干道的车量通行时间为25秒;4。另有数字计时装置，提示司机时间。45秒、25秒、5秒定时信号用计时，计时起始信号由主控电路给出，定时结束信号也输入到主控电路,由主控电路启、闭三色信号灯或启动另一计时电路.主控电路是核心。2-1状态表状态主干道支干道时间s0绿灯亮，允许通行红灯亮，禁止通行45秒s1黄灯亮,停车红灯亮,禁止通行5秒s2红灯亮，禁止通行绿灯亮，允许通行25秒s3红灯亮,禁止通行黄灯亮，停车5秒    5分析：（1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。表示主干道上的车辆允许通行,支干道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL1时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。   (2)主干道黄灯亮,主干道红灯亮。表示主干道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行,支干道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。   （3)主干道红灯亮，支干道绿灯亮。表示主干道禁止通行,支干道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL2时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。   (4）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。表示主干道禁止通行，支干道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续缓慢通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1)种工作状态。     交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10,并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一,并作如下规定:       控制状态 信号灯状态 车道运行状态      S0（00） 主干道绿，支干道红  主干道通行，支干道禁止通行      S1(01） 主干道黄，支干道红  主干道缓行，支干道禁止通行      S3(11） 主干道红,支干道绿  主干道禁止通行，支干道通行      S2（10） 主干道红，支干道黄  主干道禁止通行，支干道缓行      HG=1：主干道绿灯亮；      FG=1：支干道绿灯亮；      HY=1：主干道黄灯亮；       FY=1：支干道黄灯亮；      HR=1：主干道红灯亮；         FR=1：支干道红灯亮；设：本文为互联网收集，请勿用作商业用途个人收集整理,勿做商业用途状态编码：S0=00   ; S1=01     S2=10   S3=11表22 74LS139功能真值表ABQ0Q1Q2Q3001000010100100010110001若选JK触发器，其输出为Q2， Q1表2-3 ABCQ2nQ1nQ2n+1Q1n+1xxx00000xx0000xxx00011xx0001xx00101xx10111x0x1111xxx1111xxx1110xx01010xxx1000 3.方案选择3。1方案构思方案一：采用数字电子技术(核心控制部分用触发器来实现）交通灯控制系统的原理框图如下图所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作,控制器是系统的主要部分,由它控制定时器和译码器的工作。图中： TL： 表示主车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为45秒，即车辆正常通行的时间间隔.定时时间到，TL=1,否则,TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒.定时时间到,TY=1，否则，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时.图31方案一流程图方案二:用简单的计数译码芯片实现由秒发生器电路部分产生周期为一秒的矩形脉冲信号，用此信号作为计数部分74ls160的输入控制脉冲，控制74ls160计数，我们电路中用两块74ls160级联，并用异步清零的办法将其做成45、25、5进制计数器。用此计数器的输出作为译码器7448的地址输入，显示计数.用74ls153选择计数器的进制,清零时给另一个74ls160信号，输出可给74ls153作为地址输入用来选择计数器的进制，这样就可以使得显示与灯的控制在时间上达到同步.计数后用74ls139译码，最后将得到的译码信息经过相应的门电路，即可达到控制交通灯的目的。译码          计数                  秒信号产生                           驱动共阳七段数码管显示计数                                        时基电路、主控电路译码                                       控制信号灯亮图3-2方案二系统框图交通灯逻辑：NSR（红1)=Y2+Y3EWG（绿2）=Y2EWY（黄2）=Y3EWR(红2）=Y0+Y1NSG（绿1）=Y0        NSY(黄1）=Y1    3。2方案比较：方案一采用的是基本数字电路，原理比较简单，且其原理和所使用器件都是我们在数字电子技术课程中所学过的，但是此方案也有1个大的缺陷：它对两路时间对称的系统容易实现,但对设计要求的两路时间不对称的系统较难实现，如果要实现两路时间不对称的控制就要多加控制信号，这样实现就很麻烦，且条理不清。方案二采用的也是数字电子技术中所学的基本原理与芯片,具有方案二的全部优点，且其设计思路清晰,只是简单的计数，译码再通过逻辑门电路对其进行控制.最大的优点是各部分电路是相互独立的，即可以采用分开接线，分开测试的方法，方便检查线路，当各部分电路检测输出无误后再将各部分连接成整体。对实际检验校对很有帮助，且此电路能较方便地实现对控制时间的倒计时.3。3方案选择：综上分析,此设计方案选择方案二,其原理简单，便于连线，便于调试，且容易实现与灯控制信号同步的计时功能4。过程论述4。1秒脉冲电路   555定时器构成的秒信号发生器,使其产生需要的方波作为计数器的CLK脉冲, 图41秒脉冲信号原理图由于电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频，所以采用555定时器构成的秒脉冲信号。 由555构成的多谐振荡器产生5V，1Hz时钟信号：由公式1。43/(R1+2R2)C=f和实际情况取得 R1=47K,R2=47K，C1=10F,C2=0.01F。信号发生器原理图如下图所示,它是由555定时器构成的多谐振荡器，电源接通瞬间，电容充电,当电容C473充电到两端电压为2/3的Vcc时，触发器复位，Vo为低电平，电容C473放电，当两端电压下降到1/3的Vcc时，触发器又被复位,Vo翻转为高电平。从而使信号发生器产生方波信号。555定时器它是一种时基电路，它是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。由于555内部的 比较器灵敏度较高，而且采用差分电路方式，他的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。以下是555定时器的原理图和引脚图：图4-2 555计时器的管脚图4。2 主控电路交通灯态序分析：（1）主车道绿灯亮，支车道红灯亮.表示主车道上的车辆允许通行，支车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔45秒时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态.（2）主车道黄灯亮,支车道红灯亮.表示主车道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行，支车道禁止通行.黄灯亮足规定时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（3）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行,支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。（4）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。表示主车道禁止通行，支车道上位过县停车线的车辆停止通行,未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行.黄灯亮足规定的时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，系统又转换到第(1）种工作状态。交通指示灯以上4种工作状态的转换是由控制器进行控制的。设控制器的四种状态编码为000、001、010、011,并分别用S0、S1、S2、S3表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示，控制器应送出主、支车道红、黄、绿灯的控制信号。 表41车道运行状态表态序主干道支道时间/秒S0绿灯亮    通车红灯亮   停45S1黄灯亮    停红灯亮   停5S3红灯亮    停   绿灯亮   通车25S4红灯亮    停黄灯亮   停5                                                                           红 黄 绿                         主道                     支道 红 黄 绿译码驱动电路                            主控电路                                          5秒定时、显示25秒定时、显示45秒定时、显示          时基电路图4-3主控状态转换图由上述状态转换可得用标号U01的74LS160构成同步置零的4进制计数器，表示信号灯的四种状态：图44 74LS160管脚图管脚图介绍：时钟CP和四个数据输入端P0P3清零/MR使能CEP，CET置数PE数据输出端Q0Q3以及进位输出TC. (TC=Q0Q1Q2Q3CET)表4-2 74LS160真值表输 入 输 出 CR CPLD EPETD3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1 1 状态码加14。3定时电路定时器由与系统秒脉冲(由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成。计数器选用集成电路74ls160进行设计较简便。74LS161是4位二进制同步计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。（1)5S定时:555时基电路发送单位脉冲给标号U05的74LS160计数器完成计数的功能，同时U05的清零信号的发出信号给主控电路，从而改变其状态，此时主控电路再通过译码改变亮灯信号，主控电路同时反馈信号给定时电路,至使其进入下一计数状态.(2)25S定时：25S定时由图中标号U05的计数器完成，当加到25时,U05自动清零，且U03的发出清零信号发出信号给主控电路,同上5S显示，最终进入下一计数状态。（3）45S定时：定时由图中标号U05计数器完成 ，工作原理同上25S定时显示.图4-5定时电路原理图4.4译码显示电路译码器采用实验室最常用的74ls139三线八线译码器,门电路主要用到4二输入与非门74ls00,3三输入与非门74ls12,6输入非门74ls04。图46 输出部分电路图4。5 计数译码显示部分4.5。1 计数部分 根据设计要求计时要能实现45525545的可循环计时，计时时间交替变化。根据这一要求我们想的办法是用两片十进制计数器级联组成100进制加法计数器，开始的时候让此计数器从0开始计数，计到45时,此时利用此计数器的置数功能转数到0，让它从0开始一直到5再回到0,再加到25,回到0加到5再回到45重复以上过程。这样我们就得到了循环的计时时间段，完成计时显示。4.5。2 显示电路  用7448来实现，7448是一个用于驱动共阴极LED（数码管)显示器的 8421BCD 码七段显示译码器。图47 显示电路 七段显示器主要有荧光数码管和半导体显示器、液晶数码显示器。半导体（发光二极管）显示器是数字电路中比较方便使用的显示器。它有共阳极和共阴极两种接法,如图所示. 5。 调试调试时要注意先单个调试，最好是焊好一个调一个，以免整体调试会发生烧坏元器件，同时要注意输入输出关系，测试实验值与计算值是否一致。本设计的巧妙之处就在于能够分级调试，首先调试555产生的秒信号,再对观察是否够得到我们所需要的1秒。调试74ls160观察是否能够达到我们的要求即实现计数。观察74LS139的输入与输出是否与真值表一致。七段数码管的调试，用万用表先测量元器件的好坏，在与7448和计数电路，秒脉冲连接，看是否正常显示。如果每一个小环节都能正常工作我就可以把它们都连接起来,观察两个大的部分能否各自正常工作，即灯的控制是否和预期一致，显示能否正常进行。最后校对两部分,即灯与计时,观察其是否能达到同步.将个部分相连后，接入四种状态需要的输入，进行调试，结果如下：状态,主干道绿灯亮，支干道红灯亮，显示秒状态,主干道黄灯亮，支干道红灯亮，显示5秒状态，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，显示25秒状态，主干道红灯亮，支干道黄灯亮，显示5秒6.设计总结             在焊接时，要注意各引脚的作用，不能焊错，也要注意因为相邻两个焊口间距较小，要随时用万用表测一下是否短路.焊接时，把各元器件从插座上拔下，以免电烙铁加热时将元器件烧坏，要保证各接口都接触稳定。调试时要注意先单个调试，最好是焊好一个调一个,以免整体调试会发生烧坏元器件，同时要注意输入输出关系，测试实验值与计算值是否一致。通过这次课程设计,我对数字电子技术基础这门课程由了进一步地理解，尤其对本设计所涉及的原理、器件、功能实现上有了更深地认识，掌握了由555定时器构成所需频率脉冲发生器的方法,熟悉了由真值表列表达式设计实现电路的过程，并对利用计数器实现特定要求进制的减计数及其预置数的方法、译码及驱动显示的连线方法由了更深入的体会，并借此机会了解了用计算机绘电路图的方法。更为重要的是掌握了由一个特定问题出发，分析、设计电路的思想方法，培养了解决问题的能力，这将会在我未来的学习工作中带来很大的帮助。本次课程设计也锻炼了我们的实践动手能力，提高了自己学习的主动性和自主性，学会了在老师略微指导下自己独立完成一段学习的满足感，感受到了大学中忙碌的充实感，为以后的毕业设计打下基础  附录1：元器件清单序号名称规格数量1电解电容50V10u1个2电容1031个35551个4电阻47K2个5电阻20020个674LS160N3个774LS139N1个874LS00N1个974LS04N1个1074LS1N1个11  七段数码管共阴2个12  发光二级管Vf=1。83V20mA6个1374LS1531个147448216针插座68针插座2焊锡丝若干导线若干通用板114针插座3 参考文献   1. 阎石.  数字电子技术基础（第五版）。  高等教育出版社，2006。2.康光华 主编。电子技术基础。高教出版社出版。第四版.1999年电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：示波器型号规格VP5220、电子学习机型号规格WLV、万用表MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。- 17 -