交通信号灯控制电路的设计与仿真-课程设计说明书

目录1 引言 .12 信号灯的设计内容 .22.1 信号灯工作方式 .22.2 控制电路的特点 .33 单元模块 .43.1 电源模块 .43.2 秒脉冲发生模块 .53.3 计数模块 .63.4 分频模块 .83.5 控制电路模块 .104 交通信号灯的仿真与调试 .124.1 仿真软件简介 .124.2 电路的仿真 .124.3 交通灯完整功能的实现 .144.4 调试方法 .144.5 调试中出现的问题、原因分析及解决方法 .145 总结 .15参考文献 .16附录 .1711 引言数字电子技术基础是高等学校弱电类各专业的一门重要的技术基础课程。这门课程发展迅速、实用性和应用性强，侧重于逻辑行为的认知和验证。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。十字路口车辆穿梭，行人熙攘，车行车道，人行人道，有条不紊。那么靠什么来实现这井然秩序呢？靠的就是交通信号灯的自动指挥系统。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。同时也随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自 80 年代后期，这些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，本次设计完成的就是交通灯设计。以下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。本系统由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，555 定时器输出脉冲信号，译码器输出两组信号灯的控制信号，控制电路控制定时器和译码器的工作，驱动电路驱动六只三色 LED 工作。最后用电路仿真软件绘制出数字钟的完整电路图。对数字电路的学习起到了良好的辅助作用。22 信号灯的设计内容2.1 信号灯工作方式1.信号灯白天工作要求某方向绿灯点亮 20 秒，然后黄灯点亮 4 秒，最后红灯点亮 24 秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以 4 秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为 5：1：6。从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用 LED 红、绿、黄发光二极管模拟（白天点亮时的工作换灯流程图如图 2-1 所示） 。2.夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。3图2-1交通灯工作换灯流程图南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 1t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t2.2 控制电路的特点从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。其整体电路框图如2-2图所示：东西信号灯 南北信号灯组合逻辑电路十二进制计数器四分频器 秒脉冲产生电路系统电源工作方式控制开关关4图 2-2 信号灯的整体电路框图3 单元模块3.1 电源模块信号灯采用三极管 9031 驱动，其额定电流与额定电压应满足三级管的驱动能力，电源电压采用直流 5V，通过变压器将市电降压到交流 9V，在通过整流桥整流滤波和稳压块 7805 得到直流 5V 电压。直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的 5V 直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为 5V 的直流稳压电源。直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。直流稳压电源原理图如图 3-1 所示5D11B4B421243U18LM7805CTV1220 Vrms 50 Hz 0 T13245C13.3mF1R15k76图 3-1 直流稳压电源原理图3.2 秒脉冲发生模块由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器 555(图 3-2 是 555 定时器的原理图，图 3-3 是 555 定时器的引脚图)和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用 555 定时器组成多谐振荡器（如图 3-4 所示）LR15kR25kR35kU2A74ALS03BN&U3A74ALS03BN&U4A74LS04DR457U1A74LS12D&643U5OPAMP_3T_VIRTUAL8U6OPAMP_3T_VIRTUAL195Q12N52091101210213_6图 32 555 定时器的原理图图 3-3 555 定时器的引脚图图 34 用 555 定时器组成多谐振荡器根据周期与频率的计算公式：T= （ +2 ）*Cln2=0.7（ +2 ）电R12R12源电压 =+5V，其中电路图中 的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，Vc C2一般选用 0.01uf 的瓷片电容。再次课设中要求输出 T=1S，选取电容 =1uf，C2=560k 欧姆，根据震荡周期计算，选择电阻 =434K 欧姆。当元件选取完R1 2U 2L M 555C MGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2IC555 C21uFC310nFU19LM555CMGND1DIS7OUT 3RST4VCC8THR6CON5TRI2R13560R14434124 305 uoc7成后，根据电路原理图连接电路即可。3.3 计数模块由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为 5：1：6） ，因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用 8 位串入并出移位寄存器 74LS164（其引脚图如图 3-5 所示，功能表如表 3-1 所示） 。图 3-5 74LS164 引脚图表 3-1 74LS164 功能表器原理表应用电路：用 74LS164 组成的 12 进制扭环型计数器电路 ，其电路图如下图 3-6 所示。输入 输出清零 时钟 串入RD CP AB QA QB QC QD QE QF QG QHL L L L L L L L LH L QAO QBO QCO QDO QEO QFO QGO QHOH HH H QAN QBN QCN QDN QEN QFN QGNH L L QAN QBN QCN QDN QEN QFN QGNH L L QAN QBN QCN QDN QEN QFN QGNU 174L S 164DQA3QB4QC5QD6A1B2CLR9CLK8QE10QF11QG12QH1374LS1648U174LS164DQA3QB4QC5QD6A1B2CLR9CLK8QE10QF11QG12QH13U2A7404N1J1Ke y = Spa ce0R15k32图 3-6 12 进制扭环型计数器3.4 分频模块十二进制计数器的时间单位为 4 秒，即它的 CP 脉冲为 4 秒。为了使整体电路工作步调一致，4 秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4 分频器电路。秒脉冲经 4 分频后得到 4 秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP 脉冲。本次课程设计使用两个 D 触发器组成 4 分频器电路，如图 3-7 所示。U1A74LS74D1D21Q51Q61CLR11CLK31PR 4U2B74LS74D1D21Q51Q61CLR11CLK31PR 489 107图 3-7 四分频的电路原理图4S1S1S974LS74 是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互独立的边沿触发 d 触发器电路模块。图 3-8 为其引脚排列和逻辑符号U 1A74L S 74D1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4图 3-8 74LS74 的引脚图功能说明：74LS74 内含两个独立的 D 上升沿双 d 触发器，