交通信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)畢業(yè)論文

1、交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要 交通信號燈常用于交叉路口，用來控制車輛的流量，提高交叉路口車輛的通行能力，減少交通事故。在城鎮(zhèn)街道的十交叉字路口，為了保證交通秩序和行人安全，一般在每條道路上各有一組紅黃綠交通信號燈，其中紅燈亮，表示該道路禁止通行；綠燈亮表示該條道路允許通行。交通燈控制電路自動控制十字路口兩組紅黃綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮車輛和行人安全通行，實現(xiàn)十字路口交通管理的自動化。本文介紹交通信號燈的基本工作原理，基本組成，設(shè)計步驟及方法，電路說明等。著重強調(diào)了設(shè)計的原理和方法，并附以電路說明，從更深層次的把交通燈的設(shè)計原理展現(xiàn)給大家。它結(jié)合模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)的基本研究方法并根據(jù)實際

2、情況進行設(shè)計電路，并最終實現(xiàn)指揮交通。本文的思路基于智能交通燈設(shè)計方案，并進行簡單改進。著重從數(shù)字電子的方向研究問題，把與非門和rs密碼鎖等方面的知識運用到實際的設(shè)計中，并發(fā)揮實際作用，最終實現(xiàn)紅黃綠的三個燈的交替自動變換。關(guān)鍵詞：555定時電路；交通信號燈；計數(shù)器；譯碼置數(shù)電路目 錄1 緒論11.1 概述11.2 基本工作原理及框圖22 相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計42.1 信號燈狀態(tài)控制器設(shè)計4 2.1.1 工作原理及電路組成4 2.1.2 74ls74集成芯片引腳圖及功能42.2 信號燈譯碼驅(qū)動電路設(shè)計5 2.2.1 工作原理及電路設(shè)計5 2.2.2 74ls74集成芯片引腳圖及功能62.3

3、置數(shù)譯碼電路設(shè)計7 2.3.1 工作原理及電路設(shè)計7 2.3.2 74ls04集成芯片引腳圖及功能82.4 計時系統(tǒng)設(shè)計8 2.4.1 工作原理及電路設(shè)計8 2.4.2 74ls190集成芯片引腳圖及功能92.5 顯示譯碼電路設(shè)計10 2.5.1 工作原理及電路設(shè)計10 2.5.2 cd4511集成芯片引腳圖及功能102.6 555秒脈沖發(fā)生器設(shè)計11 2.6.1 工作原理及電路設(shè)計11 2.6.2 555集成芯片引腳圖及功能122.7 元件清單143 電路圖及軟件模擬仿真153.1 整體電路圖153.2 原理圖仿真153.3 軟件調(diào)試16總 結(jié)17致 謝18參考文獻191 緒論1.1 概述隨

4、著世界范圍內(nèi)城市化和機動化進程的加快，城市交通越來越成為一個全球化的問題。城市交通基礎(chǔ)設(shè)施供給滯后于高速機動化增長需求，道路堵塞日趨加重，交通事故頻繁，環(huán)境污染加劇等問題普遍存在。目前，全國大中城市普遍存在著道路擁擠、車輛堵塞、交通秩序混亂的現(xiàn)象，交通事故頻發(fā)，這給人民的生命財產(chǎn)安全帶來了極大的損失。如何解決城市交通問題已成為全社會關(guān)注的焦點和大眾的迫切呼聲。探究城市交通發(fā)展中存在問題的原因，無論是從宏觀上還是從微觀上分析，其根本原因在于城市交通系統(tǒng)的管理機制不適應。城市交通控制系統(tǒng)（utc，urban traffic control system）是現(xiàn)代城市智能交通系統(tǒng)（idj，intell

5、igent transport system）的組成之一，主要用于城市道路交通的控制與管理。城市平交路口實現(xiàn)交通信號控制是城市交通管理現(xiàn)代化的基本標志之一，是提高交通管理效能的重要技術(shù)手段。路口信號控制器是控制交叉路口交通信號的設(shè)備，它是交通信號控制的重要組成部分。各種交通控制方案，最終都要由路口信號控制器來實現(xiàn)。為了確保十字路口的行人和車輛順利、暢通地通過,往往采用電子控制的交通信號來進行指揮。伴隨著社會的發(fā)展以及人類生活水平的提高,汽車的數(shù)量在不斷增加。交通信號燈用于道路平面交叉路口，通過對車輛、行人發(fā)出行進或停止的指令，使人與人、車與車之間盡可能減少相互干擾，從而提高路口的通行能力，保障

6、路口暢通和安全。一般來說，十字路口的兩條相交叉的道路是有主次之分，其中車流量較大的稱為主干道，車流量小的稱為次干道或支干道。有主、次干道交叉口的城市道路，四個方向都設(shè)有紅、綠、黃三色信號燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行，黃燈亮表示讓交叉口停車線以外的車輛停止通行，而交叉口停車線以內(nèi)的車輛快速通過交叉口。交通信號燈控制系統(tǒng)由狀態(tài)控制器、狀態(tài)譯碼器、定時系統(tǒng)等幾部分組成。因此本次課程設(shè)計能深入了解交通信號燈的應用原理，更好的掌握所學知識，通過對交通信號燈控制電路的設(shè)計、安裝與調(diào)試，熟練掌握各種電子測量儀器、儀表的正確使用方法，熟悉掌握數(shù)字邏輯電路原理及各類型數(shù)字單元電路的工作原理、電路形

7、式、調(diào)試方法、整機電路統(tǒng)調(diào)技巧等方面知識；同時，通過對系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果的理論分析，加強理論聯(lián)系實際的工作能力，對加強數(shù)字邏輯電路原理與技術(shù)方法的掌握，得到全面的、系統(tǒng)的訓練，為今后從事本專業(yè)工作奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。1.2 基本工作原理及框圖因主干道車流量較多，而次干道車流量較少，所以主干道放行的時間要長，即綠燈時間稍長。十字形交通路口信號燈如圖1所示。 圖1 路口交通指揮系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)工作流程圖如下圖2所示。圖2 系統(tǒng)工作流程圖要實現(xiàn)上述交通信號燈的自動控制，則要求控制電路由時鐘信號發(fā)生器、計數(shù)器、信號燈譯碼驅(qū)動電路、信號燈譯碼驅(qū)動電路和數(shù)字顯示譯碼驅(qū)動電路等幾部分組成，整機電路的原理框圖6如圖3

8、所示。四個路口設(shè)有紅、黃、綠三色燈和兩位8421bcd碼的計數(shù)、譯碼顯示器。 圖3 交通信號燈控制系統(tǒng)原理組成框圖十字路口車輛運行情況只有4種可能：1）設(shè)開始時主干道通行，支干道不通行，這種情況下主綠燈和支紅燈亮，持續(xù)時間為30s。2）30s后，主干道停車，支干道仍不通行，這種情況下主黃燈和支紅燈亮，持續(xù)時間為5s。3）5s后，主干道不通行，支干道通行，這種情況下主紅燈和支綠燈亮，持續(xù)時間為20s。4）50s后，主干道仍不通行，支干道停車，這種情況下主紅燈和支黃燈亮，持續(xù)時間為5s。5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復。因此，要求主控制電路也有4種狀態(tài)，設(shè)這4種狀態(tài)依次為：s0、s1、s2、s

9、3。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示。s0s1s2s330s后5s后20s后5s后 圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 2 相關(guān)芯片及硬件電路設(shè)計2.1 信號燈狀態(tài)控制器設(shè)計2.1.1 工作原理及電路組成十字路口車輛運行情況只有4種可能，實現(xiàn)這4個狀態(tài)的電路，可以用兩個d觸發(fā)器組成一個四進制的計數(shù)器4。在此采用的一片74ls74實現(xiàn)。四進制計數(shù)器電路圖如圖5所示。圖5 四進制計數(shù)器電路圖d觸發(fā)器的狀態(tài)方程為q*=q,load每輸入一個時鐘脈沖q0的狀態(tài)改變一次，u1a將load輸入的時鐘脈沖二分頻后送給u1b,即load每四個脈沖u1a和u1b的狀態(tài)回到原來的狀態(tài)，即四進制計算器。2.1.2 74ls74集成芯片引腳圖及功

10、能74ls74芯片1引腳圖6所示。圖6 74ls74芯片引腳圖74ls74的功能表1如表1所示。表1 74ls74的功能表2.2 信號燈譯碼驅(qū)動電路設(shè)計2.2.1 工作原理及電路設(shè)計主、支干道上紅、黃、綠信號燈的狀態(tài)主要取決于狀態(tài)控制器的輸出狀態(tài)。它們之間的關(guān)系見真值表。對于信號燈的狀態(tài)，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。列出信號燈的真值表如表2所示。表2 信號燈的真值表狀態(tài)控制器輸出主干道信號燈支干道信號燈q1q0紅（r）黃（y）綠（g）紅（r）黃（y）綠（g）00111010001101001000110000010010根據(jù)真值表可以寫出各信號燈的邏輯函數(shù)式如表3所示。表3 各信號燈邏輯表

11、達式用發(fā)光二極管模擬交通燈的工作狀態(tài)，根據(jù)邏輯函數(shù)表達式畫出的電路圖8如7圖所示。因為門電路帶灌電流負載的能力強，故設(shè)計成門電路輸出低電平時，相應的發(fā)光二極管亮。 圖7 信號燈電路圖2.2.2 74ls74集成芯片引腳圖及功能74ls74集成芯片引腳圖7如圖8所示：圖8 74ls74集成芯片引腳圖74ls74集成芯片功能表7如表4所示： 表4 74ls74集成芯片功能表 2.3置數(shù)譯碼電路設(shè)計2.3.1 工作原理及電路設(shè)計要實現(xiàn)30秒、20秒、5秒倒計時，就要在計數(shù)器倒計時到零的時候給計數(shù)器的置數(shù)端送入下一狀態(tài)相應的時間數(shù)。列出置數(shù)真值表如表5所示：表5 置數(shù)真值表q1 q0 h g f e

12、d c b a0 00 11 01 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0根據(jù)真值表可以寫出邏輯函數(shù)表達式：h=0 g=0 f=q0 e=q1q0 d=0 c=a=q0 b=02.3.2 74ls04集成芯片引腳圖及功能74ls04集成芯片引腳圖1如圖9所示：圖9 74ls04集成芯片引腳圖74ls04集成芯片功能表1如表6所示：表6 74ls04集成芯片功能表2.4 計時系統(tǒng)設(shè)計2.4.1 工作原理及電路設(shè)計計時系統(tǒng)由兩片74ls190構(gòu)成的計數(shù)器、74ls00和74ls04構(gòu)成的置數(shù)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號輸

13、出電路組成。計時系統(tǒng)電路如圖108所示。用兩片74ls190組成兩位十進制減法計數(shù)器，當計數(shù)器狀態(tài)為零時，u9a輸出信號load,作為置數(shù)控制信號，將置數(shù)譯碼器輸出的數(shù)據(jù)送入計數(shù)器。load送入狀態(tài)計數(shù)器74ls74，作為狀態(tài)計數(shù)器的時鐘脈沖。圖10 計時系統(tǒng)電路圖2.4.2 74ls190集成芯片引腳圖及功能74ls1901具有可對8421bcd進行計數(shù)、可逆計數(shù)、有聯(lián)級脈沖輸出、可由送數(shù)控制進行異步置數(shù)、并行輸出、可聯(lián)級到n位應用等功能，所以可以用74ls190做為計時系統(tǒng)的計時器。74ls190的引腳1排序圖11。圖11 74ls190的引腳排序圖74sl190的功能表1如表7所示。表7

14、 74ls190功能表2.5 顯示譯碼電路設(shè)計2.5.1 工作原理及電路設(shè)計譯碼顯示電路圖8如圖12所示。圖12 譯碼顯示電路圖2.5.2 cd4511集成芯片引腳圖及功能74ls190的引腳排序圖1如圖13所示。圖13 74ls190引腳排序圖七段顯示譯碼電路真值表1如表8所示。表8 七段顯示譯碼電路真值表2.6 555秒脈沖發(fā)生器設(shè)計2.6.1 工作原理及電路設(shè)計引腳out輸出的端方波的周期為：t=(r1+r2)cln22本電路采取r1=15k,r2=68k,c1=0.1uf,c2=10uf。秒脈沖發(fā)生器設(shè)計電路圖8如圖示12。圖12 秒脈沖發(fā)生器設(shè)計電路圖2.6.2 555集成芯片引腳圖

15、及功能時器555定時器1內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳排列圖，如內(nèi)部電路圖13，引腳排列圖14。555定時器內(nèi)部含有一個基本rs觸發(fā)器，配個電壓比較器c1,c2,一個放電三極管t由三個5k的電阻的分配器，555定時器因此而得名一個輸出緩沖器g3。比較器c1的參考電壓為2vcc/3加在同相輸入端c2的參考電壓為vcc/3加在反相輸入端，兩者均由分在器上取得。 圖13 555定時器引腳排列圖 圖14 555的內(nèi)部電路圖555定時器個引線端的用途如下：1、端為接地線；2、端為低電平觸發(fā)端，也稱為觸發(fā)輸入端。當2端的輸入高電壓高 于vcc/3時，c2輸出為1；當輸入電壓低于vcc/3時，c2的輸出為0，使基本觸發(fā)器置

16、1；3、端u0為輸出端；4、端是復位端，當=0時，基本觸發(fā)器直接置0，使q=0，=1；5、端udd 為電壓控制端，如果co 端另加控制電壓，則可以改變c1，c2的參考電壓。工作中不使用co 端時，一般都通過一個0.01uf的電容接地，以防旁路干擾；6、端th 為高電平觸發(fā)端，當輸入電壓低于2vcc/3時，c1的輸出為1；當輸入電壓高于2vcc/3時，c1的輸出為0，使基本觸發(fā)器置0，即q0=0，=1，這時定時器輸出u0=0；7、端d為放電端。當基本觸發(fā)器的=1時，放電晶體管t導通，外接電容元件通過t放電；8、端vcc為電源端，可在4.3-1.6v范圍內(nèi)使用，若為cmos電路，則vcc=3-18

17、v。 555定時器功能表如表9所示，它全面表示了555的基本功能。表9 555定時器功能表多諧振蕩器產(chǎn)生矩形波的自激振蕩電路，由于矩形波包含和高次諧波成分，因此稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時毋須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。用555實現(xiàn)多諧振需要外接電阻r1，r2和電容c，并外接+5v的直流電源。只需在+vcc端接上+5v的電源，就能在3腳產(chǎn)生周期性的方波。2.7 元件清單電路所需原件如表10所示。表10 電路所需原件元件數(shù)量74ls190274ls74174ls00274ls041cd45112ne5551電阻、電容若干led6共陰數(shù)碼

18、管23 電路圖及軟件模擬仿真3.1 整體電路圖由555組成的振蕩器產(chǎn)生周期為一秒的時鐘信號，送給計時器，計時器做減法計數(shù)，cd4511譯碼器把計時器輸出的8421bcd碼譯成驅(qū)動數(shù)碼管顯示的七段二進制代碼，使數(shù)碼管顯示相應的十進制數(shù)。當計時器減到零狀態(tài)，rco1和rco2分別輸出一個低電平信號，通過非門和與非門，load輸出一個低電平信號，置數(shù)譯碼電路輸出的數(shù)據(jù)送入計時器，load在上升沿到來時，信號燈狀態(tài)控制器的計數(shù)器加1，信號燈轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)。計時器繼續(xù)倒計時，如此循環(huán)下去。3.2 原理圖仿真這里用的是multisim10仿真5軟件，仿真原理38圖（總電路圖）如下圖15所示。圖15 仿真原理

19、圖（總電路圖）3.3 軟件調(diào)試主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，開始30秒倒計時，如圖16。圖16主干道黃燈亮，支干道紅燈亮，開始5秒倒計時，圖17。圖17主干道紅燈亮，支干道綠燈亮，開始20秒倒計時，圖18。圖18主干道紅燈亮，支干道黃燈亮，開始5秒倒計時，圖19。圖19從仿真結(jié)果可知，計時器能夠正確置數(shù)，時間顯示正常，仿真符合題目要求?？?結(jié)課程設(shè)計主要是考察我們對書上理論的理解以及培養(yǎng)我們的動手能力，在這個過程中，我認為最重要的是設(shè)計過程，它不僅使我加深了對理論的理解，更對只是有了更好的認識，對以往所學有了一次小小的總結(jié)與回顧，對書上知識的應用有進一步直觀的了解。其次，在插線接線的過程中，不僅要手巧，更要細心耐心，有條理有目的的按順序連線，不能遍地撒網(wǎng)，沒有