课程设计（论文）-交通信号灯控制器的设计与仿真

1交通信号灯控制器的设计与仿真摘要1、当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给技术革新。随着萨规模的集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现在科技发展的主流方向。2、交通信号灯是日常生活中遇到的一个普通实例，它的控制也颇具典型和实用价值。由于交通路口的形状和规模不一，所采用的信号灯的数量、控制要求不一，控制的复杂程度也就不一样，这里设计的是由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全和迅速的通行，在交叉道口的每个入口处设置了红、黄、绿三色LED信号灯，依据红灯停绿灯行黄灯亮了等一等的规律工作。同时在每个入口设置了与红灯同时工作的蜂鸣器，以方便盲人通过。本设计是采用计数器74160N和与门、或门、非门等简单元器件完成的，通过MULTISIM软件仿真验证了电路的功能，运用PROTEL软件对电路进行了封装，布线和制成3D电路板。关键词交通灯干道蜂鸣器计数器LED1、设计任务与要求1设计任务为实现交通控制的自动化，交通信号灯控制器可以通过多种电路实现，但用中小规模数字集成电路实现更为方便，下面是十字路口交通信号灯控制器的设计与仿真的实例。由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉道口的每个入口处设置了红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行绿灯亮允许通行；黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停靠到禁行线之外。2技术指标A用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯，用传感器或用逻辑开关代替传感器作检测车辆是否到来的信号，设计制作一个交通灯控制器。B由于主干道车辆较多而支干道车辆较少，所以主干道处于常允许通行的状态，而支干道有车来才允许通行。当主干道允许通行亮绿灯时，支干道亮红灯。而支干道允许通行亮绿灯时，主干道亮红灯。C当主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行45S，支干道每次放行25S。设立45S和25S计时显示电路。D在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5S的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外。设置5S计时显示电路。23题目评析此设计题目的重点在于要使设计出的控制器能确保车辆安全、有序的通行，即要使红、绿、黄三灯稳定有序的亮和灭。难点在于设立45S和25S计时显示电路，并且在由绿灯亮变成红灯亮的中间要亮5S黄灯。本题目实用性很高，不仅可以应用与交通十字路口来疏导车辆，还能用于指引在同场合但不同时间工作的机器设备的运行等。本设计应用了蜂鸣器来配合红灯的使用，以方便盲人通行，是设计的一个创新点。4设计思路A在主干道和支干道的入口处设立传感器检测电路以检测车辆的进出情况，并及时向主控电路提供信号，实验时可用数字开关代替B系统中要求有45S、25S和5S三种定时信号，须要设计三种相应的计时显示电路。计时方法可以用顺计时，也可以用倒计时。定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入到主控电路，并通过主控电路去启、闭三色交通灯或启动另一种计时电路。C主控制电路自然是本题的核心，它的输入信号一方面来自车辆检测信号，另一方面来自45S、25S、5S三个定时信号。主控制电路的输出一方面经译码后分别控制主干道和支干道的三个信号灯，另一方面控制定时电路的启动。主控电路属于时序逻辑电路，应该按照时序逻辑电路的设计方法进行设计。也可以采用存储器电路去实现，即将传感信号和定时信号经过编码所得的代码作为存储器的地址信号，有存储器数据信号去控制交通灯。当然，如果采用微处理器就会显得十分简单。2、方案比较与论证1三种方案的介绍设计之初，我们构思了三种方案，分别构造了电路并且进行了MULTISIM仿真实验，以及PROTEL的封装。如下，对三种方案进行比较。211第一种方案采用传统的数字电路设计方案。该系统中，秒脉冲发生器是系统中定时计数定路中的定时器和主控路中的控制器的标准时钟信号源；译码驱动电路中的译码器输出交通信号灯的控制系，经过驱动电路的驱动信号等工作；中控电路中控制器是系统的主要部分，由他控制定时计数电路中的定时器和译码驱动电路中的译码器工作。运用传统数据电路将上述内容全部设计出来，再组合成所需的电量路。212第二种方案状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过状态译码器分别点亮相应状态的信号灯。秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过减法计数器对秒脉冲减3计数，达到控制每一种工作状态的持续时间。减法计数器的回零脉冲是状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值。减法计数器的状态BCD译码器译码，数码管显示。在黄灯亮其间，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁。213第三种方案交通灯整体电路可以分为三个部分第一部分由函数信号发生器XFG2构成脉冲信号发生器，产生周期为1S的脉冲信号，加到由74160N构成的加法计数器上，控制其在00001111十六种状态中变化，且从0000状态开始递增。第二部分由74160N加法计数器和DCD_HEX数码显示管构成时间显示装置，分别对红黄绿三种灯的亮灭进行计时显示。第三部分是由电阻配合LED发光二极管工作，使红黄绿三色灯按照设计要求进行工作，同时该部分还配有蜂鸣器与相应的红灯工作。1方案比较方案一电路复杂，设计思维能力要求较高，调试起来也有一定的难度，而且电路需要的硬件比较多且成本高。再有硬件设备不足、时间等原因，无法比较好的完成。因此舍弃了该方案。方案二控制电路如下。该方案电路连线较为复杂，主要体现在置数部分。计时显示部分工作时，时间只能从90循环，不能实现设计要求中的45S和25S的目的（可能是设计原理的失误，后期反复修改也没解决这个问题，故设计了方案二）。该方案优点是所用元器件较少，原理也比较科学，工作过程有序。U774190NA15B1C10D9U/D5QA3QB2QC6QD7CTEN4LOAD1RCO13MAX/MIN12CLK14U874190NA15B1C10D9U/D5QA3QB2QC6QD7CTEN4LOAD1RCO13MAX/MIN12CLK14U9DCD_HEX4321U10DCD_HEX4321VC5VU1A74HC32D_2V02120VCU174163NQA14QB13QC12QD1RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2VC5VU2A74HC04D_2VU2B74HC04D_2VU3A74HC08D_2VU4A74HC08D_2VU5A74HC08D_2VU6A74HC08D_2V34U1574LS541DW_VHDLY118Y217Y316Y515Y414Y613Y712Y81A12OE11A34A23A45A56A78A67A89OE219U1274LS541DW_VHDLY118Y217Y316Y515Y414Y613Y712Y81A12OE11A34A23A45A56A78A67A89OE219U1374LS541DW_VHDLY118Y217Y316Y515Y414Y613Y712Y81A12OE11A34A23A45A56A78A67A89OE219VC5VVCU14A74HC04D_2VU16A74HC04D_2VU17A74HC04D_2VU18A74HC02N_2V31321292827262524223023VC0141516171011213XFG1180R1201319R2201534R3201635R4201836R5201737R620109384方案三是采用了较多的与或非门来控制电路以达到设计要求。由第一部分控制整个电路工作周期，使电路在支干道和主干道分别工作，再由工作状态控制第二部分的时间显示，原理简单，材料也比较便宜，电路实现也较容易。对于这种造价低廉且简单易行的电路装置，相信能更好的推行并应用于公共场合。缺点是没有运用减法计数器，从而使时间计数上成累加效果。该方案另配有蜂鸣装置，可按要求进行连线，使声音也能在交通信号中产生作用，算是该方案的一个亮点。综上，对三个设计方案进行试验比较之后，我们选择了第三种方案。3、系统硬件设计1系统的总体设计根据系统要求,设计系统硬件结构框图如图1所示。图中秒信号发生器产生标准的秒信号。可预置计数器进行递减计数,根据置数控制电路的控制信号,计数的长短可作相应调整,计数完成后产生一个输出信号到状态控制电路,状态控制电路经过译码,驱动主干道和支干道的红、黄、绿三色灯作相应的状态变化。可预置计数器计数状态通过数码显示电路显示相应计数值。十字路口交通信号灯设置如图3所示。52单元电路设计（1）控制及信号灯指示电路根据实际情况和交通规则，只有4种可能情况S0主绿灯和支红灯亮主干道通车；S1主黄灯和支黄灯亮主干道通车；S2支绿灯和主红灯亮支干道通车；S3支黄灯和主黄灯亮支干道通车。它们的循环过程如图（2）所示。由图（2）可知，状态信号可以决定指示灯的亮与不亮，因此指示灯的驱动函数可由表611求出。经化简得指示灯驱动函数RQBRQBYQBQAYQBQAGQBQAGQBQA表1指示灯驱动函数真值表表1指示灯驱动函数真值表控制器状态主干道支干道QBQAR红Y（黄）G（绿）X（红）Y（黄）G（绿）00001100010100101010000111010010根据指示灯驱动函数逻辑表达式,可画出信号灯指示电路。将状态控制电路、信号灯指示电路及模拟三色信号灯相连接,构成状态控制及信号灯指示电路如图4所示。各灯的明暗与时间如下图交通灯态序表态序主干道支干道时间1绿灯亮允许通行红灯亮不许通行45S2黄灯亮停车红灯亮不许通行5S3红灯亮不许通行绿灯亮允许通行25S4红灯亮不许通行黄灯亮停车5SU12A74S05NU37A74S32NU35A74S32NU23A74S08DU13A74S08DU22A74S08DU15A74S32NU27A74S32NU34A74S32NU24A74S05NR1200R2200U17200R6200R4200R5200LED1LED2LED3LED4LED5LED6U5BUZZER200HZU9BUZZER200HZ1234568911141513161819201217107217（2）74160芯片介绍74160未可与指的是禁止同步计数器，其主要电特性的典型值F最大值为32MHZ，P为93MW。74160的鱼只是同步的。当置入控制器/PE为低电平是，在CP上升沿作用下，输出端Q0Q3与数据输入端P0P3一致。当CP由低至高跳变前，如果计数控制端CEP、CET为高电平，则PE应避免有低电平至高电平的跳变。74160的技术是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的，它与CEP、CET跳变与CP无关。74160有超前进位功能。当计数溢出时，进位输出端（TC）输出一个高电平脉冲，其宽度为Q0高电平部分。在不加外加门电路的情况下，可级联成N位同步计数器。在CP出现前，即使CEP、CET、/MR发生变化，电路的功能也不受影响。引出端符号TC进位输出端CET计数控制器CEP计数控制端CP时钟输入端（上升沿有效）Q0Q3输出端/MR异步清除输入端（低电平有效）/PE同步并行置入控制器（低电平有效）8（3）计数器及数码显示电路选用4片74160十进制可逆计数器构成两个两位十进制可预置数的递增计数器。为了便于控制,置数电路可根据需要改换。计数器及数码显示电路如图5所示。9U1974160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U174160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2XFG1VDD0VVDD0VU10DCD_HEX4321U2DCD_HEX4321U374160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U474160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U6DCD_HEX4321U7DCD_HEX4321VCC5V242322VCC212019118151413411109VDD8765VDD302两片计数器间采用同步级联方式,利用函数发生器作为秒脉冲信号接入74160N计数器的CLK端。计数器的D、C、B、A为十位和个位的8421BCD码置数输入端,当则LOAD端为低电平时,完成置数功能，这里不需要置数，故可接高电平。个位进位端RCO接十位的ENT和ENP端,个位计数器满十进位端产生高电平，从而实现计数器增至“10”状态。个位的CLR，ENT，ENP端及十位的CLR接信号灯指示电路，当信号灯完成跳变时，相应的高电平使计数器工作。（4）置数锁存电路为使系统简化,我们用同一计数器分时显示主、支干道通行时间。计数器时间置数端A、B、C、D接0，将计数器置零，从025为支干道绿灯和主干道红灯亮；从2630为主、支干道黄灯亮；3175为主干道绿灯和支干道红灯亮；7680为主、支干道黄灯亮。此置数电路中计数器的CLR、LORD、ENT和ENP端接高电平。当计数器计满80S，通过与非门连接构成的控制端发出低电平（有效电平）接至计数器LOAD端，使之置零。此外，从计数器输出端QA、QB、QC、QD端引出所需的时间范围到信号灯控制电路，作为信号灯控制电路的有效脉冲。U3074160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U3274160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2XFG2U33A74S03NVCC5VVDD0VU14A74S08DU25A74S08DU38A74S08D12765VCC1VDD32011489103电路原理图（附录1）U1974160NQA14QB13QC12QD1RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U174160NQA14QB13QC12QD1RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2XFG10VD0V2U10DCD_HEX4321U2DCD_HEX4321U374160NQA14QB13QC12QD1RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U474160NQA14QB13QC12QD1RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2VD0VU6DCD_HEX4321U7DCD_HEX43212171513VDR12034R22036R420R520R6204039U13A74S08DU15A74S32NU1720U18A74S08DU26A74S05NU28A74S32NU29A74S32NU31A74S08D4648U3074160NQA14QB13QC12QD1RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2U3274160NQA14QB13QC12QD1RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2XFG2U3A74S03NVC5VVD0VVC49VD51500VD7U23A74S08DU12A74S05N2437U2A74S08DU24A74S05NU36A74S08DU39A74S32N121U14A74S08DU25A74S08D41U38A74S08D434275956VC5VU8A74S32N31102631945U16A74S08DU21A74S08D54U27A74S32NU34A74S32N5618U35A74S32NU37A74S32N47606261943VC21162015852535857322914U5BUZER20HZU9BUZER20HZ28023385系统仿真1仿真原理图如图7，即为仿真原理图。2仿真结果电路稍作调整之后，进行仿真。如图8（1），主干道绿灯和支干道红灯亮，相应的蜂鸣器U5发出声音，时间为45S。这时主干道允许通车，支干道禁止通车，同时，主干道的蜂鸣器U5工作，如同火车道和公路交叉处，公路允许通行时，警铃会响。接下来如图8（2）是黄灯亮5S，作为红绿灯转换的过渡时间。然后如图8（3），主干道红灯和支干道绿灯亮，相应的蜂鸣器U3工作。时间为25S。最后还是5S黄灯亮的过渡时间，之后转回图8（1），继续循环工作。11图8（1）主干道绿灯和支干道红灯亮，相应的蜂鸣器U5发出声音，时间为45S图8（2）45S之后是黄灯亮5S12图8（3）主干道红灯和支干道绿灯亮，相应的蜂鸣器U3发出声音。时间为25S图8（4）25S后黄灯亮5S，然后转入图8（1）通过应用MULITISIM软件进行系统的仿真，其结果与设计的要求一致，符合设计标准。6系统的调试组装1系统硬件调试（附照片）132PROTEL电路在PROTEL软件中进行电路的连接，封装和转换成3D面板图。ERC检测后无错误。14图9（1）PROTEL电路封装图附录3元件名称数目元件名称数目74S08D12DCDHEX474S32N9放光二极管674S05N3BUZZER（200HZ）274160N6电阻（200欧姆）6XFX215图9（1）PROTEL电路3D图3面板图（附照片）7结论本次设计采用74160N计数器芯片和与或非门作为基础，利用函数信号发生器作为秒脉