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交通灯控制系统设计
摘 要
本设计通过具体的控制系统的设计，掌握微机控制系统设计的一般方法和处理问题的思路，特别是一些常用的技术手段。红绿灯控制是智能交通系统的一个重要部分,该系统适用于十字路口，并对放行和禁行时间进行倒计时显示（秒），且放行和放行时间可以根据需要进行调整。
在车辆通行繁忙的十字交叉路口设置的交通灯控制系统，其特点是：道路较窄而车辆通行较多，支线、干线的车辆通行时间不等，并设有左右弯道通行时间，允许人工监控或修改各线通行时间，同时设有道路应急控制。具体的情况是：在通常的情况下，干道通行时间为40秒，其中左右弯道占时5秒，直道通行时间为25秒，其中左右弯道占时5秒，直道占时20秒。并且能够在人工监控状态下，干道、支道通行时间通过键盘修改或通过开关人为控制。
关键词：
数字控制电路 交通灯 定时器 CD4060计数器 时钟脉冲 加法器 74LS283全加器

目 录

第一章 绪论............................................................................ 1

第二章 交通灯控制系统的实现要求.....................................1

第三章 道交通灯的总体设计规划........................................2

第四章 交通灯控制系统的控制电路设计..............................3
4.1交通灯控制系统的控制电路...........................................3
4.2单元电路的具体设计...........................4
4.2.1时序脉冲产生和分频电路......................4
4.2.2倒计时计数电路.............................6
4.2.3初值预置电路...............................7
4.2.4红灯数值控制电路...........................9

第五章 结论..............................................................................10

参考文献.................................................................... ...... 11

致谢 ..................................................................................12

第一章 绪论

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。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，很多城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，进行了深入的研究，以下利用数字控制电路就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。

第二章 道路交通灯控制系统的实现要求

设计一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路，每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。每个方向的绿黄灯的定时时间可以预设，一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，分别为：东西方向绿灯亮、东西方向黄灯亮、南北方向绿灯亮和南北方向黄灯亮。在东西方向绿灯和黄灯亮时，南北方向红灯亮，并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。

第三章 道路交通灯控制系统的总体设计规划

（1）用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯。主干道为东西向，有红、绿、黄三个灯；支干道为南北向，也有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。
（2） 由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道绿灯时间较长。当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯，两者交替重复。主干道和支干道的灯亮时间可以根据情况自行设计，在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，需要亮n s（可以自行设定）的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停靠到禁行线以外。
（3）实现正常的、即时显示功能，可以用实验箱上的4个七段数码管作为到计时显示器，分别显示东西、南北方向的红灯、绿灯、黄灯时间。
（4） 实现特殊状态的功能显示，设S为特殊状态的传感器信号，当S=1时，进入特殊状态。当S=0时，退出特殊状态。按S后，能实现特殊状态功能：
a 显示器闪烁；
b 计数器停止计数并保持在原来的数据；
c 东西、南北路口均显示红灯状态；
d 特殊状态结束后，能继续对时间进行计数;
e 能实现控制器总清零功能 ;

第四章 交通灯控制系统的控制电路设计

4.1交通灯控制系统的控制电路
交通灯控制电路主要由时序脉冲产生和分频电路、绿灯计时电路、绿黄灯初值预置电路、状态控制电路、红灯计时器、显示电路等部分构成。状态控制器是系统的核心部分，由它决定交通灯处于哪一个运行状态。（状态0~状态3）。从而使相应的交通灯点亮，并决定下一个状态的预置电路该预置的绿灯或黄灯的预置值。其中状态控制器由二位加法器实现，2位加法器输出00～11对应红绿灯的4个状态，绿灯1、黄灯1、绿灯2、黄灯2。当一个状态计时时，数据选择下一个状态的预置值。当前状态计时结束后，计数器置入下 一个状态计数值并计数，循环往复。绿灯1和黄灯1亮时红灯2亮，绿灯2和黄灯2亮时红灯1亮。绿灯亮时，红灯显示值为绿灯的值加黄灯预置值加1，黄灯亮时，红灯显示数据和黄灯同步。
其他单元在状态控制器的状态控制下有序的完成计时和计时转换。假定当前状态如绿灯亮，运行结果分析如下：状态控制器输出接入四选一译码器，选中绿灯1所对应的数码管，此时四位减法计数器输出结果送入绿灯1对应的数码管，显示绿灯计时的时间，其他数码管（黄灯1、绿灯2和黄灯2均不亮），而红灯2同时也被选中，开始显示当前的红灯2时间，红灯2的时间为绿灯1和黄灯1计时之和。当计时递减到0时，状态控制器的状态进入下一个状态，同时四位减法计数器置入黄灯1预置的时间，开始对黄灯计时进行递减，此时红灯2的时间仅为黄灯1的时间，当黄灯1递减到0 ，状态控制器又进入绿灯2亮的时间，这样周而复始完成交通的显示过程
4.2单元电路的具体设计
4.2.1时序脉冲产生和分频电路
时钟电路是数字系统不可缺少的一个重要组成部分，因为数字电路只有在时钟电路的驱动下才可正常工作。根据应用场合的不同，不同数字电路选择使用不同类型的时钟发生器。因交通灯控制系统的秒信号精度不高，故可选用555定时器，也可选用RC环行振荡器，考虑到红灯亮的时间与倒计数的时间一致，故选用CD4060计数器来得到一个时钟脉冲。
本设计通过CD4060计数器产生的是2Hz的时钟脉冲，不符合系统要求的1Hz时钟脉冲，所以需要一个分频电路，即把CD4060所产生的信号进行2分频。该分频电路可以用任何一个二进制计数器来实现。本设计选用74HC390计数器来实现，74HC390是一个双二-五-十进制加法计数器，其引脚接法及功能如下所示：
① 每个集成块中由2组计数器，每组计数器由两个计数器组成，共有4个计数器。
② 每组计数器内有1个一位二进制计数器和1个五进制计数器。它们可以单独计数，但清零时同时清零。A，B为时钟脉冲的输入，下降沿触发。QA，QB，QC，QD为计数输出。
③ 如1位二进制计数器的输出QA接上五进制计数器的时钟脉冲的输入B，则构成8421BCD码十进制的计数器。A为时钟脉冲的输入，QA，QB，QC，QD为输出，QD是最高位；五进制计数器的输出QD接上二进制计数器时钟脉冲输入A，则构成5421BCD码十进制的计数器，B为时钟脉冲的输入，QA，QB，QC，QD为输出，QA是最高位。
④ 清零RD为异步清零，高电平有效。
在本电路中，将clka与CD4060脉冲发生器的时钟输出相连，Qa即为1Hz时钟输出。其具体电路如图1所示。
图1 时钟产生电路原理图
4.2.2倒计时计数电路
倒计时计数电路主要由计数器构成，它在整个系统设计中的作用是实现计时计数，在此我们选用减法计数器，因为本设计说明计时时间可预设，所以需要可预置数的计数器，结合以上要求，本系统采用4516。
其中4516是异步可预置四位计数器，其真值表见表1，工作原理如下：
① CP为计数器时钟输入，上升沿触发。
② LD为异步数据预置控制端，当LD高电平，D0-D3上的数据置入计数器中。
③ CI为计数控制端，控制计数器的计数操作，CI=0时，允许计数，CI=1时，保持。
④ U/D为加/减计数控制端，U/D为高电平时，在案CP时钟上升沿计数器加1计数；反之，在CP时钟上升沿减1计数。
⑤ RD为异步清零端，RD为高电平时，计数器清零。
⑥ C/B为进位/借位输出，在减法计数时，当Q0-Q3输出“0000”时为低电平；在加法计数时，当当Q0-Q3输出“1111”时为低电平，其余输出高电平。
表1 CD4516真值表（注Χ表示任意值）

当交通灯控制系统开始工作时，该部分电路将实现各种状态的转换功能，即东西南北方向绿灯、黄灯4种工作状态的转换，首先数码管显示东西方向绿灯的预值，当其减到零时，计数器产生借位，状态由之前的“00”转为“01”，此时东西方向绿灯灭，计数器重新置数，即东西方向黄灯预置值，当其减到零时，计数器又产生借位，状态由之前的“01”转为“10”，此时东西方向黄灯灭，计数器又重新置数，即南北方向绿灯预置值，反复循环。其电路原理图如图2所示
图2 倒计时计数电路以及初值预置电路原理图
4.2.3、初值预置电路
考虑到控制信号与输入变量的关系，需要用一个数据选择端，同时由于数据是由四位二进制数所组成，所以共选用两个双4选1数据选择器74153。 74153的输出受与4516相连的加法器74390的输出控制。此部分采用74LS153芯片、输入与非门74LS00以及加法器74390构成。
其中74LS153引脚内部有2个4选1数据选择器。其中C0-C3为数据输入端，Y为输出端，A、B称为地址输入端。A、B的状态起着从4路输入数据中选择哪1路输出的作用。输出状态与输入数据无关。注意A、B地址在集成块中由2个4选1共用，高位为B，低位为A，BA=01时，Y=C1，BA=10时，Y=C2。4、状态控制电路
交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四个状态，分别用S0，S1，S2和S3表示，经过2-4译码器译码后可以控制四个电路中的其中一个工作，每个电路对应一个状态，其工作主要有三个时间间隔，TL，TS和TY（TL为东西方向绿灯亮的时间间隔，TS为南北方向绿灯亮的时间间隔，TY为东西方向或南北方向黄灯亮的时间间隔）。
S0状态：东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，此时南北方向有车等待通过，而且东西方向绿灯已亮，满足规定的时间间隔9s，控制器发出状态转换信号ST，输出从状态S0转换到S1。
S1状态：东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮，进入此状态，黄灯亮满足规定的时间间隔时，控制器发出状态转换信号ST，输出从状态S1转换到S2。
S2状态：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，若此时南北方向继续有车，则继续保持此状态，但南北方向绿灯亮的时间不得超过预设时间间隔，否则控制器发出状态转换信号ST，使输出转换到S3状态。
S3状态：南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，此时状态于S1状态持续的时间间隔相同，时间到时，控制器发出ST信号，输出从状态S3回到S0状态。

表2 控制器状态编码与信号灯关系表
各状态与信号灯的关系由表2给出，其中HG，HY，HR分别表示东西方向绿、黄、红灯。FG，FY，FR分别表示南北方向绿、黄、红灯。交通灯以上4种工作状态的转换时由控制器进行控制的。为实现此功能，此设计选用74HC390计数器，双2-4译码器74139，74HC390计数器。其电路如图3所示。

图3 状态控制电路原理图
74139集成块芯片内有两个2-4译码器。输入的2位二进制编码共表示种状态，译码器将每个输入编码译成对应的一根输出线上的确低电平信号。E为使能端，低电平有效。它既可控制电路的工作，也可用于扩展逻辑功能。E=0时，2-4译码器工作；E=1时，电路被禁止，输出全部为高电平，输出状态与输入编码无关。BA可视作二进制数据，B为高位，A为低位，与输出Y0-Y3对应。
4.2.4、红灯数值控制电路
设计中使用74LS283全加器，它将A0A1A2A3和B0B1B2B3相加，和由S0S1S2S3输出，C1为进位输出。此电路实现东西方向绿灯与黄灯亮的时间总和等于南北方向红灯亮的时间的功能，。即如果东西方向绿灯亮9s后，转变为黄灯亮3s，同时南北方向的红灯亮12s，从而实现红灯显示数据与黄灯同步。
考虑到设计需要，本系统采用3片74LS283全加器，74LS32与74LS08芯片。该模块
电路也实现了二进制与BCD码的转换，使显示值大于9时十六进制转为BCD码。另外用加法器计算红灯显示值时，进行了1位16进制到2位BCD码的转换。其电路如图4示。

图4 红灯数值控制电路原理图
第五章 结论
参考文献

致谢