交通信號(hào)控制燈電路

1、交通信號(hào)控制燈電路1 引言21世紀(jì)是一個(gè)自動(dòng)化時(shí)代，交通燈控制等很多行業(yè)的設(shè)備都與計(jì)算機(jī)密切相關(guān)。因此，一個(gè)好的交通燈控制系統(tǒng)，將給道路擁擠、違章控制、突發(fā)事件、故障處理等方面給予技術(shù)革新。隨著大規(guī)模集成電路及計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及人工智能在控制技術(shù)方面的廣泛運(yùn)用，智能設(shè)備有了很大的發(fā)展，是現(xiàn)代科技發(fā)展的主流方向。交通信號(hào)燈是交通信號(hào)中的重要組成部分，是道路交通的基本語(yǔ)言。交通信號(hào)燈由紅燈（表示禁止通行）、綠燈（表示允許通行）、黃燈（表示警示）組成。分為：機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈、非機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈、人行橫道信號(hào)燈、車道信號(hào)燈、方向指示信號(hào)燈、閃光警告信號(hào)燈、道路與鐵路平面交叉道口信號(hào)燈。道路交通信號(hào)燈是

2、交通安全產(chǎn)品中的一個(gè)類別，是為了加強(qiáng)道路交通管理，減少交通事故的發(fā)生，提高道路使用效率，改善交通狀況的一種重要工具。適用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信號(hào)控制機(jī)控制，指導(dǎo)車輛和行人安全有序地通行。交通信號(hào)控制燈電路的設(shè)計(jì)涉及到模擬電子技術(shù)與數(shù)字電子技術(shù)。其中，絕大部分是數(shù)字部分：邏輯門電路、數(shù)字邏輯表達(dá)式、計(jì)算真值表與邏輯函數(shù)間的關(guān)系、編碼器、譯碼器顯示等基本原理。交通信號(hào)控制燈電路是典型的時(shí)序邏輯電路，包含了計(jì)數(shù)器，二進(jìn)制數(shù)，六進(jìn)制數(shù)，六十進(jìn)制，二十四進(jìn)制，十進(jìn)制數(shù)的概念。交通信號(hào)控制燈電路的設(shè)計(jì)與制作不僅加深了對(duì)數(shù)字電路的了解，而且由于交通信號(hào)控制燈電路包括組合邏輯電路和時(shí)敘電路，進(jìn)一

3、步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時(shí)序電路的原理與使用方法，為數(shù)字電路的制作提供思路。本系統(tǒng)采用電路仿真軟件繪制出數(shù)字鐘的完整電路圖。對(duì)數(shù)字電路的學(xué)習(xí)起到了良好的輔助作用。因此本次課設(shè)能深入了解交通信號(hào)燈的應(yīng)用原理，更好的掌握所學(xué)知識(shí)，將理論聯(lián)系實(shí)際，而且在實(shí)際操作中培養(yǎng)自己的實(shí)際動(dòng)手能力，將理論應(yīng)用與實(shí)際生活中！2 交通信號(hào)控制燈電路概述交通信號(hào)燈的邏輯框圖如圖2-1所示。它由555集成芯片構(gòu)成的振蕩電路、分頻器、倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器組成。555集成芯片構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)分頻器作為秒脈沖，秒脈沖送入計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)LED顯示,如果以4秒作為時(shí)間計(jì)量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點(diǎn)亮的

4、時(shí)間比例為5：1：6方式。圖2-1交通信號(hào)燈的邏輯框圖控制電路的特點(diǎn)：從點(diǎn)亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。因此采用組合邏輯設(shè)計(jì)。組合邏輯電路：將十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出去驅(qū)動(dòng)?xùn)|西和南北兩個(gè)方向的信號(hào)燈的點(diǎn)亮。1.信號(hào)燈白天工作要求某方向綠燈點(diǎn)亮20秒，然后黃燈點(diǎn)亮4秒，最后紅燈點(diǎn)亮24秒。在該方向?yàn)榫G燈和黃燈點(diǎn)亮期間，另一方向紅燈點(diǎn)亮。如果以4秒作為時(shí)間計(jì)量單位，則某一方向綠、黃、紅三種指示燈點(diǎn)亮的時(shí)間比例為5：1：6。從

5、點(diǎn)亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。信號(hào)燈采用LED紅、綠、黃發(fā)光二極管模擬。信號(hào)指示燈白天點(diǎn)亮流程圖如下圖。圖1-1 信號(hào)指示燈白天點(diǎn)亮流程圖2.夜間工作方式南北東西各方向黃燈亮，且每秒閃動(dòng)一次。其它燈不亮。要求設(shè)置一個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān)，用它控制白天和夜間工作3 單元模塊3.1 電源模塊電源電路如圖所示，220V交流電經(jīng)變壓器變?yōu)?V交流電，后經(jīng)整流（全波整流）、濾波（3300F電容）、穩(wěn)壓（W7805）輸出+5V直流電。圖給出了電源電路。信號(hào)燈采用三極管9031

6、驅(qū)動(dòng)，其額定電流與額定電壓應(yīng)滿足三級(jí)管的驅(qū)動(dòng)能力，電源電壓采用直流5V，通過(guò)變壓器將市電降壓到交流9V，在通過(guò)整流橋整流濾波和穩(wěn)壓塊7805得到直流5V電壓。直流穩(wěn)壓電源的任務(wù)是為整體電路提供直流電源。故穩(wěn)壓電源電路的輸出電壓值和輸出電流值應(yīng)滿足整體電路的需要。作為一個(gè)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源是必不可少的。本次課設(shè)設(shè)計(jì)的交通信號(hào)燈控制電路需要使用穩(wěn)定的5V直流穩(wěn)壓電源來(lái)驅(qū)動(dòng)各芯片使電路其正常工作。因此需要設(shè)計(jì)輸出為5V的直流穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管（或整流橋）整流、電容濾波、集成穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓四部分。3.2秒脈沖發(fā)生模塊由于黃燈點(diǎn)亮?xí)r按秒閃動(dòng)以及時(shí)間顯示按秒倒計(jì)時(shí)，所以需要

7、設(shè)計(jì)秒脈沖產(chǎn)生電路。秒脈沖產(chǎn)生電路實(shí)際就是一個(gè)多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電容組成的多諧振蕩電路，也可以是用定時(shí)器555和電阻、電容組成的多諧振蕩器。為了電路簡(jiǎn)單和調(diào)節(jié)振蕩周期方便，采用555定時(shí)器組成多諧振蕩器。如圖3.2.1所示為555定時(shí)器引腳圖。圖3.2.1 555定時(shí)器引腳圖振蕩周期與頻率的計(jì)算公式為：T=（R1+R2）*Cln2=0.7(R1+R2)C，電源電壓Vcc=+5V，其中電路圖中C2的作用是防止電池干擾對(duì)振蕩電路的影響，一般選用0.01uF的瓷片電容。課設(shè)要求電容為C1=1uF，R1=560，根據(jù)振蕩周期公式，R2=434.當(dāng)元件選取完成后,根據(jù)電路原理連接即可

8、.3.3計(jì)數(shù)模塊由信號(hào)燈白天點(diǎn)亮流程圖可以得知，任何方向的信號(hào)燈的一個(gè)工作循環(huán)為十二進(jìn)制（綠、黃、紅時(shí)間比例為5：1：6），因此需要設(shè)計(jì)十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，循環(huán)工作控制白天信號(hào)燈的點(diǎn)亮。因此，用移位寄存器組成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，擬選用8位串入并出移位寄存器74LS164。下圖為74LS164引腳排列和邏輯符號(hào)、邏輯功能表. A0 B0C0D0 E0F0G0H0Q Q Q Q Q Q Q Q 、：分別為寄存器輸出A B C D E F G H Q Q Q Q Q Q Q Q 、在指明穩(wěn)態(tài)輸入條件建立之前的電平。 An Bn Cn Dn En Fn Gn Q Q Q Q Q Q Q 、分別為寄存器輸出A

9、Q A B C D E F G H Q Q Q Q Q Q Q Q 、在時(shí)鐘最近出現(xiàn)上升沿之前電平。D R ：異步清零端，低電平有效。應(yīng)用電路：用74LS164組成的12進(jìn)制扭環(huán)型計(jì)數(shù)器電路 ，其電路圖如下圖所示。 3.4分頻器電路模塊上述十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的時(shí)間單位為4秒，即它的CP 脈沖為4秒。為了使整體電路工作步調(diào)一致，4秒脈沖應(yīng)該利用秒脈沖經(jīng)分頻獲得，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)4分頻器電路。秒脈沖經(jīng)4分頻后得到4秒脈沖，將其作為十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的CP脈沖。本次課程設(shè)計(jì)使用兩個(gè)D觸發(fā)器組成4分頻器電路。4S脈沖是為74LS164提供的CP脈沖。從理論上講，4S脈沖可以用多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生。為了使整體電路的

10、脈沖協(xié)調(diào)一致，4S脈沖應(yīng)將秒脈沖經(jīng)過(guò)4分頻器得出。因此，4S脈沖電路的設(shè)計(jì)實(shí)際上就是4分頻器的設(shè)計(jì)。使用74LS74實(shí)現(xiàn)4分頻器。其四分頻的電路原理圖如下圖所示：邏輯控制電路是本設(shè)計(jì)的核心電路，由它控制交通信號(hào)燈按要求方式點(diǎn)亮(一般經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去控制信號(hào)燈)。根據(jù)白天信號(hào)燈的點(diǎn)亮要求，將時(shí)序邏輯電路的輸出作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出給信號(hào)燈的驅(qū)動(dòng)電路。夜晚工作方式也需要組合邏輯電路的功能以及秒脈沖通過(guò)與門實(shí)現(xiàn)。組合邏輯電路的真值表如圖所示： 根據(jù)上圖真值表寫(xiě)出組合邏輯電路輸出與輸入的表達(dá)式，經(jīng)化簡(jiǎn)得：F E Q Q NSG = F E Q Q EWG =F E Q Q NSY =

11、 F E Q Q EWY =F Q NSR = F Q EWR =由上述表達(dá)式可以看出，組合邏輯電路用到兩個(gè)非門，四個(gè)兩輸入與門。建議非門選用TTL 集成門74LS04，與門選用TTL 集成門74LS08。當(dāng)然，以上僅是考慮白天工作方式時(shí)的情況。下面將介紹白天和夜間綜合考慮的情況，綜合考慮后，表達(dá)式需要修改，則門電路也需要作響應(yīng)的修改。黃燈點(diǎn)亮的按秒閃動(dòng)，將在下面考慮。白天和夜間綜合考慮組合邏輯電路表達(dá)式和門電路的修改按設(shè)計(jì)要求，夜間僅有南北和東西方向的黃燈點(diǎn)亮，而其它燈熄滅。為此，在夜間應(yīng)使74LS164停止循環(huán)工作，即通過(guò)開(kāi)關(guān)將74LS164的D R 接地，使74LS164的所有Q 端全部

12、清零。白天D R 為高電平，74LS164循環(huán)工作。由74LS164 組成的12進(jìn)制扭環(huán)形計(jì)數(shù)器電路中的開(kāi)關(guān)就是白天、夜間控制開(kāi)關(guān)。在夜間由于0R D =使所有的74LS164的Q 端清零，因此會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題： (1)F E Q Q NSG =，由于夜間Q 端均為低電平，則NSG 為高電平，即南北綠燈點(diǎn)亮，顯然這是不允許的，所以NSG 的表達(dá)式需要修改； (2)F Q EWR =，由于夜間Q 端均為低電平，則EWR 為高電平，即東西紅燈點(diǎn)亮，顯然這是不允許的，所以EWR 的表達(dá)式需要修改； (3)F E Q Q NSY = F E Q Q EWY =由于夜間E Q 、F Q 均為低電平時(shí)，則N

13、SY 、EWY 為低電平，即南北和東西方向的黃燈不能點(diǎn)亮，顯然這是不允許的，所以NSY 、EWY 的表達(dá)式需要修改。上述三個(gè)問(wèn)題不符合信號(hào)燈的點(diǎn)亮要求。解決辦法如下：(1)在夜間由于E F Q =Q =0,將原兩輸入與門改為三輸入與門。那么在夜間由于0R D =，則NSG 0，即夜間南北綠燈不點(diǎn)亮；在白天由于1R D =，則D E F E FN S G R Q Q =Q Q =即南北綠燈按白天工作方式點(diǎn)亮。 (2)在夜間由于F Q =0,F EWR Q 1=的解決方法：令EWR R Q D F =，即將EWR 與F Q 之間的連線改為額兩輸入的與門。那么，在夜間由于D R 0=，則EWR=0，

14、即夜間東西紅燈紅燈不亮；而在白天D R 1=，則D F F EWR R Q =Q =，即東西方向紅燈按白天工作方式點(diǎn)亮。雖然F NSG=Q ，在夜間由于F Q 0=，則NSG 0=，即南北紅燈不亮。但為了對(duì)稱也將其修改為D F NSG R Q =。(3)在夜間由于E F Q =Q 0=，使E NSY Q Q =均為0的解決方法：使F D E NSY R Q Q =+，E D F EWY R Q Q =+，即將原來(lái)的兩輸入與門改為在與門之后增加一級(jí)兩輸入或門，其中一個(gè)輸入端為D R ，即將D R 經(jīng)過(guò)一級(jí)非門后輸出，另一個(gè)輸出端為原來(lái)兩輸入與門的輸出(F E Q Q 的輸出或F E Q Q 的輸

15、出)。那么在夜間由于D D R 1,R 0=，則NSY EWY=1=，即南北和東西方向的黃燈點(diǎn)亮；而在白天由于D D R 0,R 1=，則D F E NWY R Q Q =+，D E E F F NWY R Q Q =Q Q =+，即各方向的燈按白天工作方式點(diǎn)亮。經(jīng)過(guò)修改之后的組合邏輯電路輸出與輸入的表達(dá)式為：D E F NSG Q Q R = D E F EWG Q Q R =F E D NSY Q Q +R = E F D EWY Q Q +R =D F NSR Q R = D F EWR Q R =3.4倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器模塊十字路口要有數(shù)字顯示作為倒計(jì)時(shí)提示，以便人們直觀的把握時(shí)間。具體的工

16、作方式為：當(dāng)某方向綠燈亮?xí)r，只顯示器為某值，然后每秒減1，計(jì)數(shù)方式工作，直至減到4或0時(shí)，十字路口的紅綠燈變換，一次工作結(jié)束后進(jìn)入下一步某方向的工作循環(huán)。在倒計(jì)時(shí)的過(guò)程中計(jì)數(shù)器還向信號(hào)燈提供模為4的定時(shí)信號(hào)T1和模為0的定時(shí)信號(hào)T2，用以控制黃燈的閃爍和黃燈向紅燈變換。計(jì)數(shù)器采用74ls190進(jìn)行設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)便。它是十進(jìn)制同步可逆計(jì)時(shí)器，具有異步并行置數(shù)的功能。功能表如下圖所示： 74LS190的功能表因?yàn)橐?jì)數(shù)的數(shù)字從24開(kāi)始，所以要用兩片 74LS190級(jí)聯(lián)得到。級(jí)聯(lián)之后與7段數(shù)碼管相連，最后電路圖如下圖所示：最后根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求，完成交通信號(hào)燈控制器電路如下圖：4數(shù)字電子鐘電路的仿真與調(diào)

17、試4.1仿真軟件簡(jiǎn)介NI Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫(kù)的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級(jí)SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計(jì)流程中提早對(duì)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabVIEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強(qiáng)大技術(shù)的設(shè)計(jì)流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)建模測(cè)量。有如下特點(diǎn)：通過(guò)直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計(jì)電路；通過(guò)交互式SPICE仿真, 迅速了解電路行為；借助高級(jí)電路分析, 理解基本設(shè)

18、計(jì)特征；通過(guò)一個(gè)工具鏈, 無(wú)縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試；通過(guò)改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程, 減少建模錯(cuò)誤并縮短研發(fā)時(shí)間。4.2電路的仿真電路仿真見(jiàn)下圖白天工作夜間工作4.3調(diào)試方法1. 首先調(diào)試555定時(shí)器。用示波器觀察555定時(shí)器輸出波形，確定555定時(shí)器是否按要求正常工作。2. 調(diào)試分頻器。用示波器觀察分頻器輸出波形，確定信號(hào)頻率是否是按要求。3.調(diào)試計(jì)數(shù)電路。將秒信號(hào)輸送給計(jì)數(shù)器，觀察各計(jì)數(shù)器是否工作正常。4. 調(diào)試電源電路。用電壓表觀察電源電路是否標(biāo)準(zhǔn)。5. 整體調(diào)試。各部分電路連接起來(lái)，觀察信號(hào)燈是否正常工作。4.4調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題、原因分析及解決方法1信號(hào)燈不亮，通過(guò)萬(wàn)用表的檢查，發(fā)現(xiàn)信號(hào)燈

19、的接線不實(shí)。2仿真速度慢，可適當(dāng)調(diào)整555定時(shí)器。3如果線路不對(duì)，要有耐心，仔細(xì)調(diào)。5 總結(jié)經(jīng)過(guò)一周的數(shù)電課程設(shè)計(jì)，我從原先的對(duì)電路的不求甚解到現(xiàn)在能夠設(shè)計(jì)復(fù)雜的交通信號(hào)燈控制電路，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電路的仿真與調(diào)試，之間的巨大變化著實(shí)令人吃驚。但是這種進(jìn)步來(lái)之不易，因?yàn)檫@期間我遇到了很多的困難，發(fā)現(xiàn)了很多的問(wèn)題，正是在解決問(wèn)題的期間我才慢慢地熟悉了數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)知識(shí)，才慢慢學(xué)會(huì)了如何去按照給定的要求設(shè)計(jì)出合適的電路。本次課程設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用本學(xué)期所學(xué)到的數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)符合要求的交通信號(hào)控制燈，本次設(shè)計(jì)不僅要求我們要掌握數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)課程的基礎(chǔ)知識(shí)，還要求我們對(duì)交通信號(hào)控制燈的各個(gè)組成部分的原理，包括振蕩器的原理、計(jì)數(shù)器的