基于数字电路的交通灯控制电路课题设计.doc

交通灯的控制电路设计专业：电子信息工程学号：200602020101 姓名：*指导教师：*老师摘要：分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。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。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，通过我应用所学的知识设计了一套交通灯控制电路的方案。交通灯的控制系统主要由计时电路、主控电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器组成。关键词：计时电路、主控电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器Abstract: Has analyzed the modern municipal transportation control and themanagement question present situation, unified the city andcountryside transportation the actual situation to elaborate thetraffic light control system principle of work, has produced one kindof simple practical city traffic light control system hardware circuitdesign plan. Along with the social economy development, the municipaltransportation question more and more arouses peoples interest. The person, the vehicle, the road three relations coordinations, havebecome one of important questions which the traffic control departmentneeds to solve. The municipal transportation control system is uses inthe computer synthesis management system management system which themunicipal transportation data monitor, the street-traffic controllights control and the transportation unblocks, it is in the modernmunicipal transportation monitoring command system the most importantconstituent. How uses the appropriate control method, maximum limit usesthe good consumption large amount of money construction the cityspeed-way, alleviates branch with Ramp , the city supports with theperipheral locality transportation stops up the condition, more andmore becomes the main question which the transportation management andthe urban planning department urgently awaits to be solved. Therefore, applied the knowledge through me which studied to design aset of traffic lights control circuit plan. The traffic light controlsystem mainly by the timing circuit, the host controls the electriccircuit, the signal light switch, the pulse signal generating deviceis composed.Key word: The timing circuit, the host control the electric circuit,the signal light switch, the pulse signal generating device目录绪论-31、 设计任务-42、总体设计概-5 2.1 总体概述-5 2.2 控制电路的主要组成及功能概述-6 2.2.1 秒脉冲和分频器-6 2.2.2 交通灯控制器-62.2.3 显示控制部分-72.2.4 手动/自动控制，夜间控制-83、分模块设计与分析-8 3.1 秒脉冲和分频器-8 3.2 单次手动/自动控制脉冲电路-11 3.3 控制器部分-11 3.4 数字显示部分-124、 整体电路-125、 所用元器件-136、 设计总结-147、主要参考文献-15绪论伴随着社会的发展以及人类生活水平的提高,汽车的数量在不断的增加,交通的问题日益突出，单单依靠人力来指挥交通已经不可行了,所以，设计交通灯来完成这个需求就显的越加迫切了.为了确保十字路口的行人和车辆顺利、畅通地通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。交通信号灯作为一个用来指挥车辆顺利、畅通通过十字路口的装置与我们的生活紧密的联系在一起。设计交通灯控制电路的方法有很多种，由于数字电子技术的逻辑性很强，用它来设计交通灯的控制电路非常方便。而且数字电子技术芯片只要在一定的范围内输入，都能得到稳定的输出，调试简单，电路的工作也比较稳定。这次我们设计的交通灯控制电路就是通过基本的一些数字芯片组合来对十字路口交通灯的六个不同信号灯的控制，另外还加以倒计时直观显示。这个电路的设计看似起来比较复杂，但它也是由一些基本的电路组成。只要将实现整个电路的基本设计思路和方案确定下来，画出方框图再对个功能方框的电路进行设计，一步步突破，最后整理设计出整个电路的原理图来。在此绪论对电路的详细设计过程总体概括一下：首先，画出设计的控制电路的方框图。其次，对各功能电路的实现进行论证介绍。再次，对各功能电路的设计进行详细的介绍。至此这次的课程设计也就完成了，但对电子知识和技能的学习与探索将永不停止。1.设计任务（交通灯的控制电路的主要功能）设计一个十字路口交通信号灯控制器，其主要功能要求如下：（1） 满足如图1顺序工作流程。图1 交通灯顺序工作流程图(t为单位时间) 图中设南北方向的红黄绿灯分别为NSRNSYNSG东西方向的红黄绿灯分别为EWREWYEWG。它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。（2） 应满足两个方向的工作时序：即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄绿灯时间之和。时序工作流程图见图2.3所示。图2 时序工作流程图图2.3中，假设每个单位时间为3秒，则南北东西方向绿黄红灯亮时间分别为15秒3秒18秒，一次循环为36秒。其中红灯亮的时间为绿灯黄灯亮的时间之和。（3） 十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红绿灯交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。（4） 可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。 2.总体设计概要 2.1 总体概述为了确保十字路口的车辆顺利畅通地通过，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥，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。交通灯控制器的系统框图如图1所示。图3 交通灯控制器的系统框图 2.2 控制电路的主要组成及功能概述2.2.1 秒脉冲和分频器因十字路口每个方向绿黄红灯所亮时间比例分别为5：1：6，所以，若选4秒（也可以选3秒）为一单位时间，则计数器每4秒输出一个脉冲。本电路的实现就要用到秒脉冲和分频器。2.2.2 交通灯控制器由波形图可知，计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。计数器可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。扭环形计数器的状态如表1所示。 表1 状态表 T 计 数 器 输 出南 北 方 向东 西 方 向Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5NSG NSY NSREWG EWY EWR 00 0 0 0 0 01 0 00 0 111 0 0 0 0 01 0 00 0 121 1 0 0 0 01 0 00 0 131 1 1 0 0 01 0 00 0 141 1 1 1 0 01 0 00 0 151 1 1 1 1 00 00 0 161 1 1 1 1 10 0 11 0 070 1 1 1 1 10 0 11 0 080 0 1 1 1 10 0 11 0 090 0 0 1 1 10 0 11 0 0100 0 0 0 1 10 0 11 0 0110 0 0 0 0 10 0 10 0根据状态表，我们不难列出东西方向和南北方向绿黄红灯的逻辑表达式： 南北方向东西方向红 黄 绿 由于黄灯要求闪耀几次，所以用1Hz的标准脉冲和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。2.2.3 显示控制部分显示控制部分，实际是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对面的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用74LS248 BCD码七段译码器，显示器采用LC501111共阴极LED显示器，计数器采用可预置加减法计数器，如74LS16874LS193等。2.2.4 手动/自动控制，夜间控制这可用一选择开关进行。置开关在手动位置，输入单次脉冲，可使用交通灯处在某一位置上，开关在自动位置时，则交通信号灯按自动循环工作方式运行。夜间时，将夜间开关接通，黄灯闪亮。3.分模块设计与分析3.1 秒脉冲和分频器由于定时控制电路工作需要稳定的准确的时间脉冲，各部分电路也是在时间脉冲作用下进行有序的工作，设计好脉冲发生器就显的尤为重要，所以在此将秒脉冲发生器的设计作为整个电路设计的第一步。方案一：由TTL门电路组成对称多谐振荡器如电路图4所示： 图4 由TTL门电路组成对称多谐振荡器 由于定时控制电路主要按秒计数，脉冲周期应为1秒，按T=1.1RC计算，R和C的值都将很大，比较难实现。方案二：用555定时器组成多谐振荡器555定时器是一种应用极为广泛的中规集成电路。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。同时，555定时器用来定时时输出稳定，驱动能力强。电路图如图5 所示： 图5 用555定时器组成多谐振荡器 根据多谐震荡器的震荡频率 f=1.43/(R1+2R2)C可以推出：如果选用R1=R2=10K,C选用47F，则多谐振荡器可以产生频率为1的时钟脉冲。所以脉冲发生器我们选用方案二。用555定时器构成的多谐振荡器可以调出频率为1的时钟脉冲，然后再通过分频器4分频就得到要求的时钟脉冲。具体电路图如图6所示：图6 555电路产生的秒脉冲和4分频电路 图7 单次手动脉冲3.2 单次手动/自动控制脉冲电路 单次手动脉冲电路（如图7）是由两个与非门组成的RS触发器产生的，当按下K1键时，有一个脉冲输出使74LS164移位计数，实现手动控制。K2在自动位置时，由秒脉冲电路分频（4分频）后输入给74LS164，这样，74LS164为每4秒向前移一位（计数一次），如图6所示。3.3 控制器部分 它是由74LS164组成扭环形计数器，然后经译码后输出十字路口南北、东西两个方向的控制信号灯，其中黄灯要满足夜间闪耀，此时红、绿灯灭。电路如图7所示： 图7 交通灯控制部分电路3.4 数字显示部分 当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方向的74LS190以减法计数方式工作，从数字“24”开始往下减，当减法计数到“4”时，南北方向绿灯灭，黄灯闪耀，当计数到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯灭的信号（EWR=0），使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使东西方向的减法计数器开始工作。工作电路如图8所示。 图8 数字显示控制电路 在减法计数开始之前，有黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，图中接入U/D和LD的信号就是有黄灯亮（为高电平）时，置入数据。黄灯灭（Y = 0），而红灯亮（R = 1）开始减计数。 4.整体电路 上一部分我们对交通灯控制电路各部分进行了分析论证，然后对各部分分电路进行整合，就可以得到交通灯控制器整体电路（如图9所示）。 图9 交通灯控制器整体电路5.所用元器件表2 元器件清单1 时基电路555 一片 2 2输入端四与非门74LS00 二片 3 六反相器74LS04四片4 四2输入与门74LS08八片5 三3输入与门74LS11二片6 四2输入或门74LS32二片7 双D触发器74LS74二片8 8位串入/并出移位寄存器74LS164一片9 七段译码器74LS168四片10 BCD7段译码/升压输出驱动器74LS248四片11 10K电阻R五个12 按键K三个13 发光二极管LED六个14 七段LED数码管LC501111 四个15 47uF电容C一个16 0.01uF电容C1一个6.设计总结通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和PCB连接图，和芯片上的选择。这个方案总共使用了74LS248，74LS168，74LS04，74LS08，74LS00，74LS74，NE555定时器等。但在设计的过程中也难免会遇到过各种各样的问题，经常会遇到这样那样的情况，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，因此耗费在这上面的时间用去很多。在做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且同时学习到很多以前不懂的东西。比如一些芯片的功能，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。同时通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，今后的制作应该更轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于游逆而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！7.主要参考文献：1康华光.电子技术基础数电部分（第四版）.北京:高等教育出版社,1998(7) 2蔡明生.电子设计 .北京:高等教育出版社,2004（1）3李维.数字电路设计及实验 .大连:大连理工出版社,2008（9）4梁宗善.电子技术基础课程设计.武汉：华中理工大学出版社，2009（5）5刘法治.常用电子元器件及典型芯片应用技术.北京:机械工业出版社，2007（2）6王昊 李昕 郑凤翼.通用电子元器件的选用与检测.北京：电子工业出版社,2006(1)7杜怀昌.CMOS集成电路原理与应用 .北京:国防工业出版社,2006（9）15