长安大学简易交通灯设计报告

1、前 言随着社会经济的开展，城市交通问题愈来愈受到人们的关注，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，城市交通控制系统是用于城市交通数据检测、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局部。我国城市现代化进程的不断推进，交通问题与我国社会经济高速开展现状的矛盾日益突出，而城市道路交通问题的核心就是对十字交叉路口交通信号灯的控制。因此，国外一些兴旺国家把城市交通信号灯控制研究的重点放在城市交通干线和区域的控制上，可是控制效果并不明显。人们对十字路口交通信号灯的控制方法大致有如下两种方式：其一是建立城市交通流的数学模型，提出优

2、化算法，但由于十字路口不同时刻车辆的流量是复杂多变的，随机的和不确定，所以数学模型很难建立，控制策略的最优目标也很难实现，且算法复杂，计算量大，实践证明控制效果不明显，实时性差；二是根据模糊控制的方法，根据十字路口交通的车辆数确定某一相位的绿灯初始时间和绿灯延长时间，对交通灯的控制实现了一定程度的模糊化，但是在控制过程中相位转换的顺序不变，因而面对我国如此复杂的城市交通系统，难以保证其灵活性和实时性。因此，结合我国城市交通道路的实际情况，开发出真正适合我们自身特点的智能信号灯控制系统是当前的主要任务，以最大限度地减少十字路口的车辆平均延误时间，提高了路口通行能力，从而到达缓解交通拥挤的目的。

3、在得到这一课题之时，我们到逸夫图书馆参阅了多本课内外辅导教材并向多位老师和同学广泛交换看法，通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计，提出使交通灯控制电路用数字电路信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法，指挥各种车辆和行人的平安通行，实现十字路口的自动化管理。在本次课程设计里，因我等尚未涉及到单片机的有关知识，故决定将以传统的设计方法，利用数字电子技术电路的根本知识，来实现一个简单的交通信号灯控制系统。但设计之中产生了屡次分歧与矛盾，我们克服许多困难，终于设计出让自己满意的作品，但难免出现诸多错处，实属知识水平有限，欢送读者和课题组老师批评指正。简易交通信号灯控制器摘 要本文着

4、眼于目前普遍应用在城市道路上的交通灯控制系统，从课程设计的题目要求出发，设计了一个东西方向支干道和南北方向主干道十字路口的交通灯控制电路。首先进行交通灯状态变换的分析和交通灯总体框架的设计，接着提出了几种不同的电路设计方案，通过优劣比拟后选定了其中一种较为适宜的方案。起初256Hz方波脉冲由555定时器产生，再由两块74LS161实现256分频，最终输出1Hz的脉冲信号即秒脉冲信号；用四块74LS190N单时钟十进制可逆集成计数器、四块7447N七段显示译码器与四块七段数码管实现倒计时的设计，两块显示十位，两块显示个位，用1个四位二进制计数器74LS161与相应门电路实现45s，25s，5s时

5、间的转换。最后利用一片74LS161五分频器和相应门电路共同控制交通灯信号灯4个状态的循环转换和倒计时器的显示。关键词：交通灯 控制电路 倒计时器 秒脉冲 分频器设计任务与要求：1. 定周控制：主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒；2. 每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡；3. 分别用红、黄、绿色发光二级管表示信号灯；4. 设计计时显示电路；5.黄灯亮时要一秒钟闪烁一下。目 录第一章 系统概述.4第二章 单元电路设计与分频秒脉冲发生器.5分频器.9主控制器.11倒计数器.14显示管译码.16系统总结系统综述.17总体电路图.17第四章 结束语.19参考文献.19元器件明细表.19附图.

6、20鸣谢.21收获与体会、存在的问题等.21第一章 系统概述 1.实现途径：由于所学知识有限我们用数字电路实现交通灯设计。 2 交通信号灯根本原理及设计方法: 要实现上述交通信号灯的自动控制，那么要求控制电路由时秒脉冲发 生器、分频器、主控制器、倒计数器、数字显示译码器几局部组成。A. 秒脉冲发生器：脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐振荡器振荡频率为： f=1.43/(R1+2R2)C；B.分频器：由于灯亮的最小时间是黄灯5秒，而时钟信号为一秒，所以用5分频器；C.主控制器：灯亮的转换由主控制器控制，由于一个周期为80秒，且经分频后的脉冲为5秒一个脉冲，所以主控制器控要有十六进制；D.倒

7、计数器：由分析得知，主干道上的红灯一次亮30秒，支干道上的一次亮50秒，那么设计两个倒计数器，分别由30秒和50秒开始倒计数；译码器：该电路主要使倒计数器上的二进制数经过译码显示出来，且当红灯不亮时对应的显示器熄灭。 4.设计整体框架图如图1.11 单元电路设计与分析既然要设计秒脉冲电路，那么我们应该先弄明白脉冲、脉冲电信号都是些什么？在电子技术中,脉冲是指短时间内出现的电压或电流的突然变化。常把不按规律变化、带有突变特点的电压、电流都泛称为脉冲电信号。脉冲的种类很多，常见的脉冲信号波形有方波,矩形波等。描述脉冲信号的参数有:脉冲幅度Um(或Im)；脉冲重复周期T；脉冲的宽度tu；脉冲上升时间

8、tr；脉冲下降时间tf。其中脉冲的宽度tu是指脉冲持续时间，脉冲/秒(pulses per second缩写为PPS)是指每秒产生的脉冲数.1pps即时间间隔为1秒的脉冲信号，这就是我们所说的秒脉冲.在实际生活中，常见的能产生秒脉冲的器件有晶体振荡器、单稳态触发器、施密特触发器和多谐振荡器等。下面分别介绍我们设计的秒脉冲电路的几种方法，用以比拟优劣：1.利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出1Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。555定时器的原理图如图2.11a所示，工作时的波形图如图2.11b功能表如表1所示： a b图2.11 555定时器原理图及波形图表1 555定时器功能表输入输出阀值

9、输入()触发输入()复位()输出()放电管T00导通11截止10导通1不变不变根据实用性把秒脉冲设计分为直流设计与交流设计：A直流设计：只运用直流电产生秒脉冲，通常直流电在512V根据仿真可知只利用555定时器不能直接产生秒脉冲，所以要在555定时器产生的脉冲后接入分频器可得秒脉冲，组成的秒脉冲电路图如图图2.12a、b所示，输出波形如图2.13所示。ab图2.12 秒脉冲电路图电容C1上的充电时间： T1=(R1+R2)CLn2 电容C1上的放电时间： T2=R2Cln2输出矩形波的周期： T=T1+T2振荡频率： f=1/T=1.44/(R1+2R2)C 由电路图可知：可以设aC1=1.8

10、75uF R1=R2=1k bC1=2uFB交流设计:运用交流电产生秒脉冲，使用的交流电为220V、50HZ然后经过变压器和单相全波整流电路,最后经过555构成的施密特触发器输出频率为100HZ的脉冲。电路图如图2.14所示。 图2.14脉冲电路图 555定时器的输出端经过分频器就可以得到秒脉冲。分频器会在下面的内容中介绍。 这种方案简单易行，具有较高的可靠性，误差相对要小。晶体振荡器通常为石英晶体 石英晶体振荡器是一种高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。但可获得的最低脉冲

11、值为32768HZ。 本实验需要的是秒脉冲1HZ,那么需要将晶体振荡器产生的脉冲经过15级分频即可用四片74LS161N四位二进制计数器级联实现才能得到。 这样做比拟复杂，带来了操作难度，并且级联那么多的74LS161N也可能造成时间上的延迟，增加设计的误差性。单稳态触发器、施密特触发器 可直接产生1HZ的秒脉冲，但单稳态触发器、施密特触发器产生的脉冲是经过对波形的整形得到的，需要输入波形，这显然增加了电路的复杂性。故这种设计方案直接被淘汰。 终上所述，为了到达保证平安、简便的设计目的，我们小组采用第一种设计方案中的A种方法，在考虑到接线的简易性与误差性的前提下，我们采用了A种方法中的a)接线

12、方案。 分频器分频的方法可以用74LS194、74LS160、74LS161等很多集成计数器元件实现，为了减少元件的种类故所示，74LS161功能表如表2所示。图2.21 74LS161时序图 表2 74LS161功能表根据电路需要要设计出5分频器，设计与检验图如图2.22所示，输入与输出图如图2.23所示。图2.22 5分频器的设计与检验图2.23 输入在上，输出在下 主控制器主控制器控制着电路中的灯亮与对应的时间，下面是灯亮与对应时间的状态转换图如图2.31所示。 由图中可得一周期80秒，且最小状态为5秒，那么可用十六进制表示一周期，每一进制耗时五秒。可用74LS161的四位二进制加法功能

13、实现控制器，设Q1、Q2、Q3、Q4分别为74LS161的四个输出端，X1、X2、X3、Y4、Y5、Y6分别表示主干道绿灯亮、主干道黄灯亮、主干道红灯亮、支干道绿灯亮、支干道黄灯亮、支干道红灯亮。 交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间倒计时器显示。一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，分别为： 状态0：南北方向车道的绿灯亮，车道，人行道通行；东西方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行。 状态1：南北方向车道的黄灯亮，车道，人行道缓行；东西方向车道的红灯亮，车道，人行

14、道禁止通行； 状态2：南北方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；东西方向车道的绿灯亮，车道，人行道通行； 状态3：南北方向车道的红灯亮，车道，人行道禁止通行；东西方向车道的黄灯亮，车道，人行道缓行；4种状态循环往复，并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。交通灯电路的具体运行图如图2.32所示。主控制器的设计真值表如表3所示。状态0南北方向车道的绿灯亮 状态1南北方向车道的黄灯亮 东西方向车道的红灯亮 东西方向车道的红灯亮状态2南北方向车道的红灯亮 状态3南北方向车道的红灯亮 东西方向车道的绿灯亮 东西方向车道的黄灯亮 图2.32 交通信号灯的实际仿真图示表3 主控制器

15、的真值表 CP顺序Q3Q2Q1Q0X1X2X3Y1Y2Y3m000000100001m110001100001m220010100001m330011100001m440100100001m550101100001m660110100001m770111100001m881000100001m991001010001m10101010001100m11111011001100m12121100001100m13131101001100m14141110001100m15151111001010由图表可得出：X1=m0+m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7+m8;X2=m9;X3=m10+m

16、11+m12+m13+m14+m15;Y1=m10+m11+m12+m13+m14;Y2=m15;Y3=m0+m1+m2+m3+m4+m5+m6+m7+m8+m9经过一系列计算可得到主控制器与指示灯连接的电路图为2.32所示。 绿 红 黄 经分频后的脉冲 主干道 绿 红 黄 支干道 图2.32 2.4 倒计数器 十字路口要有数字显示，作为倒计时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置相应的显示器为某值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为0和0为止，十字路口绿、黄、红灯依次变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。根据题目的要求南北方向主干道车道和东西方向

17、支干道车道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道每次通行时间都设为50s、支干道每次通行时间为30s。也就是一个循环是80s，如此先显示50s后显示30s倒计时，以此类推。设计时采用四块集成芯片，两块显示十位，两块显示个位。个位从9开始倒计时，当到达0时，向高位发出一个借位信号，再继续从9倒计时。一开始使十位数置数为5，二进制为0101，个位数为0，二进制为0000，此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端，十位的74LS190芯片倒计时一次，结合个位的设置，电路从50开始倒计时。当主车道绿灯亮了45s，倒计时也已经数到了5了，此时，个位显示5，十位显示0，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始倒

18、计时闪亮5s，当倒计时到0后，个位芯片74LS190发出一个借位信号，向高位借数，但是高位已经是0了，按照要求此时倒计时器应停止工作，这时使用门电路即可实现即设计中的倒计数器只在对应的红灯亮时倒计数，红灯灭时计数器也将不再工作了，当主干道红灯亮时，对应的倒计数器开始从30秒开始倒计数，直到为零后停止工作，同时主干道的红灯也将熄灭；当支干道红灯亮时对应的倒计数器开始从50秒倒计数，直到为零后倒计数器与红灯同时停止工作。由此可知，倒计数器的时钟脉冲应为秒脉冲，控制倒计数器开始工作和停止工作的都是主控制器电路。根据所学的元件，我们可以用74LS190、74LS191、74LS193等集成元件实现倒计

19、数器的设计，而由于74LS190是单时钟十进制可逆计数器，考虑到元件连接的简单性，我们用74LS190设计倒计数器。74LS190的功能表如表4所示。 表4 74LS190功能表根据功能表可以连接处倒计数器电路图如图2.41所示。50秒置数端30秒置数端脉冲时钟图中的50秒置数端和30秒置数端分别由主控制器控制，脉冲时钟接入秒脉冲。2.5 显示管译码器 倒计数器通过显示管译码器与显示管连接，最终使倒计数器中的数据读出来。并且显示管的显示与熄灭可以通过显示管译码器控制，所以显示管在电路中起到很重要作用，根据所学的我们用七段显示译码器7447。7447的功能表如表5所示。 表5 7447功能表根据

20、功能表可得出电路图如图2.51所示。BA 图中的A、B输入端分别是50秒倒计时和30秒倒计时的显示管的是否工作的控制端，它与主控制器连接由主控制器控制。第三章 系统总结该系统由五大局部组成分别为：秒脉冲发生器、分频器、主控制器、倒计数器、显示管译码器。其中还有显示管接在显示管译码器后边，指示灯接在主控制器电路后边。 总的系统内只含有一个控制开关，控制总体电路的工作与否，开关闭合后输入信号通过秒脉冲发生器变成秒脉冲输出，然后秒脉冲分别输入到分频器和倒计数器的CP端口处，接入五分频器的局部经分频处理后变成周期为5秒的脉冲信号并且每个周期里只有一个下降沿和一个上升沿，然后把这个分频后的信号输入到主控

21、制器电路里，使主控制器电路工作以便控制指示灯的工作和显示管译码器包括数码管的工作。接入倒计时器的秒脉冲起到计时的作用，每次来一个脉冲，倒计时器就变化一下即为递减一次耗时一秒。然后把倒计时的信号通过显示管译码器译码输入到显示管内显现出来，以通知路人红灯离转换到绿灯还需要多长时间。在交通灯的变换过程中，绿灯变成红灯时中间有个过渡时期即绿灯灭了后黄灯亮五秒钟，之后红灯才开始亮，中间穿插黄灯这个时间是为了提醒路人过斑马线的赶快走过十字路口，没有过斑马线的就在斑马线前停一会，等下次绿灯亮时再过十字路口。为了让黄灯更容易让人注意到，我们在设计时把黄灯设计成一秒钟闪烁一次。为了到达这种效果，我们可以把黄灯与

22、主控制器连接的那条线先与秒脉冲输出信号通过门电路相与后在接到对应的黄灯上，这样就可以实现黄灯闪烁这个效果。根据前面几章的分析可以得出交通灯控制电路的总体电路图。3.2 总体电路图图3.21 总体电路图结束语 经过了十天的课程设计，我们利用了一切可利用资源设计出了交通灯的控制电路，我们用mulitisim仿真出了电路的每个局部，并且总的电路我们也进行了仿真，仿真的结果正是我们设想出来的结果。 但是可能由于产生竞争冒险的原因吧，电路仿真过程中会出现小问题，这让我们想到了在以后的电路的设计中不仅要考虑到电路的可行性，而且还要考虑到电路存在的一些竞争冒险现象，在尽可能防止那些不必要的现象发生的情况下我们还要注意使电路尽可能的简单化，使电路中的元件个数少的同时还要使它的种类少，为以后人们的运用和维修带来方便。参考文献1