交通信号灯控制系统

1、2013级学生电子技术课程设计 电子技术课程设计报告书课题名称交通信号灯控制系统姓 名王朝学 号1314080213院、系、部光电工程系专 业电子信息科学与技术指导教师高坤 2015年 5 月 25日 一、设计任务及要求：设计任务：设计一个十字路口交通灯信号控制器要 求： 1. 十字路口设有红、黄、绿、左拐指示灯；有数字显示通行时间，以秒单位作减法计数。2. 主、支干道交替通行，主干道每次绿灯亮40S，左拐指示灯15S；支干道每次绿灯亮20S，左拐指示灯亮10S。3. 每次绿灯变左拐时，黄灯先亮5S（此时另一干道上的红灯不变），每次左拐指示变红灯时，黄灯先亮5S（此时另一干道上的红灯不变）。4

2、. 当主、支干道任意干道出现特殊情况时，进入特殊运行状态，两干道上所有车辆都禁止通行，红灯全亮，时钟停止工作。5. 要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均可在099S内任意设定。指导教师签名： 年 月 日 二、指导教师评语：指导教师签名： 年 月 日 三、成绩 指导教师签名： 年 月 日 交通信号灯控制系统的设计1 设计目的（1）掌握综合应用理论知识和中规模集成电路设计方法（2）掌握调试及电路主要技术指标的测试方法2 设计思路l 十字路口设有红、黄、绿、左拐指示灯；有数字显示通行时间，以秒单位作减法计数。l 主、支干道交替通行，主干道每次绿灯亮40S，左拐指示灯15S；支干道每次绿灯亮20S，

3、左拐指示灯亮10S。l 每次绿灯变左拐时，黄灯先亮5S（此时另一干道上的红灯不变），每次左拐指示变红灯时，黄灯先亮5S（此时另一干道上的红灯不变）。l 当主、支干道任意干道出现特殊情况时，进入特殊运行状态，两干道上所有车辆都禁止通行，红灯全亮，时钟停止工作。l 要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均可在099S内任意设定。3 设计过程 3.1方案论证十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一个支干道的十字路口如图1所示。每边都设置了红、绿、黄色和左拐弯信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。因为主干

4、道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。 图1 路口交通指挥系统示意图设主干道通行时间为a1，干道通行时间为a2，主、支干道黄等的时间均为a3，按主支干道通行的时间来看，设置a1a2a3。系统工作流程图如图所示。 主干道绿灯亮，支干道红灯亮计数器由a1到40递增计数主干道黄灯亮，支干道红灯亮计数器由a3到5递增计数主干道红灯亮，支干道绿灯亮计数器由a2到20递增计主干道红灯亮，支干道黄灯亮计数器由a3到5递增计S1S2S3S0 交通灯控制系统的组成框图如图3.所示。状态控制器主要用于纪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

5、过减法计数器对秒脉冲减计数，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使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。减法计数器的状态由BCD译码器译码、数码管显示。在黄灯亮期间，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁。译码、显示主干道信号灯支干道信号灯减法计数器状态译码器红灯闪烁控制置数控制状态控制器秒脉冲发生器图3 交通灯控制系统的组成框图十字路口车辆运行情况只有4种可能：1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为40s。2）40s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，

6、持续时间为5s。3）5s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20s。4）50s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5s。5s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。状态转换图如图所示。S0S1S2S340s后5s后20s后5s后状态转换图 3.2计数器的作用计数器的作用有二：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行40s、20s、5s 3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。3.3计数器的工

7、作情况计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态S0时开始70s计数；40s后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始5s计数；5s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始20s计数；20s后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S3，计数器又开始5s计数；5s后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0，开始新一轮循环。根据以上分析，设40s、20s、5

8、s计数的归零信号分别为A、B、C，则计数器的归零信号L为： L=A+B+C其中：A=S0 QC2= QC2 B=S2 QB2 QA2= QB2 QA2C=S1 QB1 QA1+S3 QB1QA1= X0 QB1 QA1考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将L取反后送到主控制器的CP端作为主控制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器(74LS90)。3.4控制信号灯的译码电路的真值表主、支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见真值表4.1。对于信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。 信号灯信号的状态状态控制器输出主干道信号灯支干道信号灯Q

9、2Q1R（红）Y（黄）G（绿）r（红）y（黄）g（绿）00110101001101001000110000010011根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为： 3.5电路设计3.5.1 秒脉冲发生器 图5 由555构成的秒脉冲发生器 图6 555定时器引脚排列图555定时器内部含有一个基本RS触发器，配个电压比较器C1,C2,一个放电三极管T由三个5K的电阻的分配器，555定时器因此而得名一个输出缓冲器G3。比较器C1的参考电压为2VCC/3加在同相输入端C2的参考电压为VCC/3加在反相输入端，两者均由分在器上取得。3.5.2 计数器方案一： 74LS192是同步十进制可逆计数器，它具

10、有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，其引脚排列及逻辑符号如下所示： 图 7 74LS192引脚排列与逻辑符号 图7中：为置数端，为加计数端，为减计数端，为非同步进位输出端，为非同步借位输出端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，为清除端，Q0、Q1、Q2、Q3为数据输出端。其功能表如下：              输入     输出MRP3P2P1P0Q3Q2Q1Q0 1 ×

11、0;× ×××××0000 0 0 × ×dcbadcba 0 1  1××××    加计数 0 1 1 ××××    减计数定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上

12、升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。  方案二：计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163的外引线排列图和时序波形图如图12、3所示，其功能表如图5所示。图中， 是低电平有效的同步清零输入端， 是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTT是计 图7 交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0D3是并行数据输入端，Q0Q 3是数据输出端。由两片74LS163级联组成的定时器电路如图7所示。电路的工作原理请自行分析。 图8

13、 74LS163的外引线排列图和时序波形图 综合本系统，74LS163只能十进制计数，不能实现同步加减计数，而74LS192具有加减同步计数功能，电路设计清晰可行，所以我们采用方案一。3.5.3 数码管7段数码管一般由8个发光二极管组成，其中由7个细长的发光二极管组成数字显示，另外一个圆形的发光二极管显示小数点。当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管。 数码连接译码电路。CD4511是一种BC

14、D码输入端,其中D是高电位;a、b、c、d、e、f、g是输出端,输出高电平有效,和共阴极半导体发光数码管各发光段的阳极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，CD4511和数码管的管脚排列如下图：图9数码管驱动图交通灯信号灯控制总体框图4主要仪器与设备n 数字电路实验箱 或 EDA 软件MAX PLUSn 数字逻辑实验箱一个u NE555集成定时器1片n CD4029预置可逆计数器1片n 74LS245态门1片u 74LS00与非门4片u 发光二极管8个l 电阻，电容若干5调试及设计报告要求在电路板上按整机框图把主控制器、计数器、信号灯译码器、数子显示译码器和秒脉冲信号发生器焊接好然后按

15、以下步骤进行调试：1秒脉冲信号发生器的调试，按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和分频电路，使输出设计符合设计要求。2将秒脉冲信号送入主控制器的CP端，观察主控制器的状态是否是按00、01、10、11、00的规律变化。3将秒脉冲信号送入计数器的CP端，接入主控制器的状态信号X0、X1，并把主控制器的状态信号送入主控制器的CP端，观察计说器是否按40秒、5秒、20秒、5秒、40秒循环计数。4把主控制器的状态转换信号X1、X0接至信号灯的译码电路，观察6个发光二极管是否按设计要求发光。5整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作。 总结经过这个课程设计，我真正体会到了学有所用，同时也让我更加深刻的了解数字逻辑电路的重要性，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于交通信号灯的基本原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真仿真成功之后才实际接线的。真正体会到一种共同学习、共同进步的学习气氛，一种大讨论的学习氛围。这次设计对我来说感触最深的是，要做好一个设计，首先要了解每一个部分所涉及的知识点，掌握它的原理；同时要跟同伴们紧密联系、加强合作，体会到一种合作意识。通过EDA软件Multisim10实现。通过这次学习，让我对各种电路都有了大概的了解，让我明白，做学问要有一丝不苟的态度，