交通信號燈控制系統(tǒng)

1、2013級學生電子技術課程設計 電子技術課程設計報告書課題名稱交通信號燈控制系統(tǒng)姓 名王朝學 號1314080213院、系、部光電工程系專 業(yè)電子信息科學與技術指導教師高坤 2015年 5 月 25日 一、設計任務及要求：設計任務：設計一個十字路口交通燈信號控制器要 求： 1. 十字路口設有紅、黃、綠、左拐指示燈；有數(shù)字顯示通行時間，以秒單位作減法計數(shù)。2. 主、支干道交替通行，主干道每次綠燈亮40S，左拐指示燈15S；支干道每次綠燈亮20S，左拐指示燈亮10S。3. 每次綠燈變左拐時，黃燈先亮5S（此時另一干道上的紅燈不變），每次左拐指示變紅燈時，黃燈先亮5S（此時另一干道上的紅燈不變）。4

2、. 當主、支干道任意干道出現(xiàn)特殊情況時，進入特殊運行狀態(tài)，兩干道上所有車輛都禁止通行，紅燈全亮，時鐘停止工作。5. 要求主、支干道通行時間及黃燈亮的時間均可在099S內任意設定。指導教師簽名： 年 月 日 二、指導教師評語：指導教師簽名： 年 月 日 三、成績 指導教師簽名： 年 月 日 交通信號燈控制系統(tǒng)的設計1 設計目的（1）掌握綜合應用理論知識和中規(guī)模集成電路設計方法（2）掌握調試及電路主要技術指標的測試方法2 設計思路l 十字路口設有紅、黃、綠、左拐指示燈；有數(shù)字顯示通行時間，以秒單位作減法計數(shù)。l 主、支干道交替通行，主干道每次綠燈亮40S，左拐指示燈15S；支干道每次綠燈亮20S，

3、左拐指示燈亮10S。l 每次綠燈變左拐時，黃燈先亮5S（此時另一干道上的紅燈不變），每次左拐指示變紅燈時，黃燈先亮5S（此時另一干道上的紅燈不變）。l 當主、支干道任意干道出現(xiàn)特殊情況時，進入特殊運行狀態(tài)，兩干道上所有車輛都禁止通行，紅燈全亮，時鐘停止工作。l 要求主、支干道通行時間及黃燈亮的時間均可在099S內任意設定。3 設計過程 3.1方案論證十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。有一個主干道和一個支干道的十字路口如圖1所示。每邊都設置了紅、綠、黃色和左拐彎信號燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行，在綠燈變紅燈時先要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓停車線以外的車輛停止運行。因為主干

4、道上的車輛多，所以主干道放行的時間要長。 圖1 路口交通指揮系統(tǒng)示意圖設主干道通行時間為a1，干道通行時間為a2，主、支干道黃等的時間均為a3，按主支干道通行的時間來看，設置a1a2a3。系統(tǒng)工作流程圖如圖所示。 主干道綠燈亮，支干道紅燈亮計數(shù)器由a1到40遞增計數(shù)主干道黃燈亮，支干道紅燈亮計數(shù)器由a3到5遞增計數(shù)主干道紅燈亮，支干道綠燈亮計數(shù)器由a2到20遞增計主干道紅燈亮，支干道黃燈亮計數(shù)器由a3到5遞增計S1S2S3S0 交通燈控制系統(tǒng)的組成框圖如圖3.所示。狀態(tài)控制器主要用于紀錄十字路口交通燈的工作狀態(tài)，通過狀態(tài)譯碼器分別點亮相應狀態(tài)的信號燈。秒信號發(fā)生器產生整個定時系統(tǒng)的時基脈沖，通

5、過減法計數(shù)器對秒脈沖減計數(shù)，達到控制每一種工作狀態(tài)的持續(xù)時間。減法計數(shù)器的回零脈沖使狀態(tài)控制器完成狀態(tài)轉換，同時狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)下一個工作狀態(tài)決定計數(shù)器下一次減計數(shù)的初始值。減法計數(shù)器的狀態(tài)由BCD譯碼器譯碼、數(shù)碼管顯示。在黃燈亮期間，狀態(tài)譯碼器將秒脈沖引入紅燈控制電路，使紅燈閃爍。譯碼、顯示主干道信號燈支干道信號燈減法計數(shù)器狀態(tài)譯碼器紅燈閃爍控制置數(shù)控制狀態(tài)控制器秒脈沖發(fā)生器圖3 交通燈控制系統(tǒng)的組成框圖十字路口車輛運行情況只有4種可能：1）設開始時主干道通行，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40s。2）40s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，

6、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)，設這4種狀態(tài)依次為：S0、S1、S2、S3。狀態(tài)轉換圖如圖所示。S0S1S2S340s后5s后20s后5s后狀態(tài)轉換圖 3.2計數(shù)器的作用計數(shù)器的作用有二：一是根據(jù)主干道和支干道車輛運行時間以及黃燈切換時間的要求，進行40s、20s、5s 3種方式的計數(shù)；二是向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，主控制器根據(jù)狀態(tài)轉換信號進行狀態(tài)轉換。3.3計數(shù)器的工

7、作情況計數(shù)器除需要秒脈沖作時鐘信號外，還應受主控制器的狀態(tài)控制。計數(shù)器的工作情況為：計數(shù)器在主控制器進入狀態(tài)S0時開始70s計數(shù)；40s后產生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進入狀態(tài)S1，計數(shù)器開始5s計數(shù)；5s后又產生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進入狀態(tài)S2，計數(shù)器開始20s計數(shù)；20s后也產生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進入狀態(tài)S3，計數(shù)器又開始5s計數(shù)；5s后同樣產生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器回到狀態(tài)S0，開始新一輪循環(huán)。根據(jù)以上分析，設40s、20s、5

8、s計數(shù)的歸零信號分別為A、B、C，則計數(shù)器的歸零信號L為： L=A+B+C其中：A=S0 QC2= QC2 B=S2 QB2 QA2= QB2 QA2C=S1 QB1 QA1+S3 QB1QA1= X0 QB1 QA1考慮到主控制器的狀態(tài)轉換為下降沿觸發(fā)，將L取反后送到主控制器的CP端作為主控制器的狀態(tài)轉換信號?？蛇x用集成異步十進制加法記數(shù)器(74LS90)。3.4控制信號燈的譯碼電路的真值表主、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)。它們之間的關系見真值表4.1。對于信號燈的狀態(tài)，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。 信號燈信號的狀態(tài)狀態(tài)控制器輸出主干道信號燈支干道信號燈Q

9、2Q1R（紅）Y（黃）G（綠）r（紅）y（黃）g（綠）00110101001101001000110000010011根據(jù)真值表，可求出各信號燈的邏輯函數(shù)表達式為： 3.5電路設計3.5.1 秒脈沖發(fā)生器 圖5 由555構成的秒脈沖發(fā)生器 圖6 555定時器引腳排列圖555定時器內部含有一個基本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。3.5.2 計數(shù)器方案一： 74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，它具

10、有雙時鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號如下所示： 圖 7 74LS192引腳排列與邏輯符號 圖7中：為置數(shù)端，為加計數(shù)端，為減計數(shù)端，為非同步進位輸出端，為非同步借位輸出端，P0、P1、P2、P3為計數(shù)器輸入端，為清除端，Q0、Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端。其功能表如下：              輸入     輸出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 ×

11、0;× ×××××0000 0 0 × ×dcbadcba 0 1  1××××    加計數(shù) 0 1 1 ××××    減計數(shù)定時器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時鐘脈沖產生器提供）同步的計數(shù)器構成，要求計數(shù)器在狀態(tài)信號ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上

12、升沿作用下，計數(shù)器從零開始進行增1計數(shù)，向控制器提供模5的定時信號TY和模25的定時信號TL。  方案二：計數(shù)器選用集成電路74LS163進行設計較簡便。74LS163是4位二進制同步計數(shù)器，它具有同步清零、同步置數(shù)的功能。74LS163的外引線排列圖和時序波形圖如圖12、3所示，其功能表如圖5所示。圖中， 是低電平有效的同步清零輸入端， 是低電平有效才同步并行置數(shù)控制端，CTp、CTT是計 圖7 交通燈的ASM圖數(shù)控制端，CO是進位輸出端，D0D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0Q 3是數(shù)據(jù)輸出端。由兩片74LS163級聯(lián)組成的定時器電路如圖7所示。電路的工作原理請自行分析。 圖8

13、 74LS163的外引線排列圖和時序波形圖 綜合本系統(tǒng)，74LS163只能十進制計數(shù)，不能實現(xiàn)同步加減計數(shù)，而74LS192具有加減同步計數(shù)功能，電路設計清晰可行，所以我們采用方案一。3.5.3 數(shù)碼管7段數(shù)碼管一般由8個發(fā)光二極管組成，其中由7個細長的發(fā)光二極管組成數(shù)字顯示，另外一個圓形的發(fā)光二極管顯示小數(shù)點。當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)光?？刂葡鄳亩O管導通，就能顯示出各種字符，盡管顯示的字符形狀有些失真，能顯示的數(shù)符數(shù)量也有限，但其控制簡單，使有也方便。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極數(shù)碼管，陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管。 數(shù)碼連接譯碼電路。CD4511是一種BC

14、D碼輸入端,其中D是高電位;a、b、c、d、e、f、g是輸出端,輸出高電平有效,和共陰極半導體發(fā)光數(shù)碼管各發(fā)光段的陽極引出線相互連接，下面是七段數(shù)碼顯示器管腳接法，CD4511和數(shù)碼管的管腳排列如下圖：圖9數(shù)碼管驅動圖交通燈信號燈控制總體框圖4主要儀器與設備n 數(shù)字電路實驗箱 或 EDA 軟件MAX PLUSn 數(shù)字邏輯實驗箱一個u NE555集成定時器1片n CD4029預置可逆計數(shù)器1片n 74LS245態(tài)門1片u 74LS00與非門4片u 發(fā)光二極管8個l 電阻，電容若干5調試及設計報告要求在電路板上按整機框圖把主控制器、計數(shù)器、信號燈譯碼器、數(shù)子顯示譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器焊接好然后按

15、以下步驟進行調試：1秒脈沖信號發(fā)生器的調試，按照數(shù)字電子鐘的方法逐級調試振蕩電路和分頻電路，使輸出設計符合設計要求。2將秒脈沖信號送入主控制器的CP端，觀察主控制器的狀態(tài)是否是按00、01、10、11、00的規(guī)律變化。3將秒脈沖信號送入計數(shù)器的CP端，接入主控制器的狀態(tài)信號X0、X1，并把主控制器的狀態(tài)信號送入主控制器的CP端，觀察計說器是否按40秒、5秒、20秒、5秒、40秒循環(huán)計數(shù)。4把主控制器的狀態(tài)轉換信號X1、X0接至信號燈的譯碼電路，觀察6個發(fā)光二極管是否按設計要求發(fā)光。5整機聯(lián)調，使交通信號燈控制電路正常工作。 總結經過這個課程設計，我真正體會到了學有所用，同時也讓我更加深刻的了解數(shù)字邏輯電路的重要性，讓我了解了設計電路的程序，也讓我了解了關于交通信號燈的基本原理與設計理念，要設計一個電路總要先用仿真仿真成功之后才實際接線的。真正體會到一種共同學習、共同進步的學習氣氛，一種大討論的學習氛圍。這次設計對我來說感觸最深的是，要做好一個設計，首先要了解每一個部分所涉及的知識點，掌握它的原理；同時要跟同伴們緊密聯(lián)系、加強合作，體會到一種合作意識。通過EDA軟件Multisim10實現(xiàn)。通過這次學習，讓我對各種電路都有了大概的了解，讓我明白，做學問要有一絲不茍的態(tài)度，