毕业设计说明书交通信号灯控制系统设计.docx
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毕业设计说明书交通信号灯控制系统设计
毕业设计说明书
交通信号灯控制系统设计
院(系)名称
信息工程学院
专业名称
电子信息工程
学生姓名
指导教师
2013年5月15日
交通信号灯控制系统设计
摘要
交通信号灯常用于交叉路口,用来控制车的流量,提高交叉口车辆的通行能力,减少交通事故。
交通灯控制器主要由状态译码器、状态控制器、秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路及信号灯组成。
状态控制器由CD4029与与非门来实现,脉冲发生器用555产生,减法计数器采用两个74LS192来实现,显示电路经过74LS192的倒计数、七段显示译码器74LS48及七段数码显示器连接起来实现。
控制器通过RT对定时器进行控制,从而实现数字的显示及绿、黄、红灯的转换。
所设计的这种电路工作可靠,取材容易,制作方便,很受欢迎。
该设计对于启发学生的想象力、创造性,提高学生的硬件设计能力有很大的帮助。
同时对于今后从事电子产品和电子工程的开发、研制、生产和经营将打下良好的基础。
将这种流水控制应用到实际的生产线中,文中给出了此设计的详细过程及最终的实现电路,并分析了电路的工作原理。
关键词:
交通灯,控制器,秒脉冲发生器,主支干道
Designoftrafficlightcontrolsystem
Author:
JingZhongzheng
Tuthor:
YueLiqin
Abstract
Thetrafficlightisoftenusedinintersection,whichisusedtocontrolvehiclesflow,improvetheintersectionvehiclecapacity,reducethenumberoftrafficaccidents.Trafficlightcontrollerismainlycomposedofstatecontroller,stateofthedecoder,thedowncounter,loadcontrol,decoder,statecontroller,secondpulsegenerator,timer,decodingdisplaycircuitandsignallights.StatecontrollerimplementedbyCD4029andnandgate,thepulseisused555,subtractionusingtwo74ls192counter,displaycircuitafter74ls192ofcountdown,sevensegmentdisplaydecoder74ls48andsevensegmentdigitaldisplayconnected.ControllertocontroltimerbyRT,soastorealizethedigitaldisplayandconversionofthegreen,yellow,redlight.Thiscircuitdesignbyreliablework,materialseasy,easy.Isverypopular.Thisdesigntoinspirethestudents'imagination,creativity,andimprovethestudents'abilityofhardwaredesignhasalotofhelp.Atthesametimeinthefutureisengagedinthedevelopmentofelectronicsandelectricalengineering,development,productionandmanagementtolayagoodfoundation.Willthiskindofwatercontrolisappliedtotheactualproductionline,thispapergivesthedetailsofthedesignoftheprocessandultimatelytherealizationofthecircuit,andanalyzestheworkingprincipleofthecircuit.
Keywords:
Trafficlights,controller,secondpulsegenerator,themaintrunkroad
1绪论
1.1课题背景及目的
在现代城市中,人口和汽车日益增长,市区交通也日益拥挤,人们的安全问题也日益重要。
因此,红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。
交通信号灯常用于交叉路口,用来控制车的流量,提高交叉口车辆的通行能力,减少交通事故。
有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。
自从交通灯诞生以来,其内部的电路控制系统就不断的被改进,设计方法也开始多种多样,从而使交通灯显得更加智能化、科学化、简便化。
尤其是近几年来,随着电子与计算机技术的飞速发展,电子电路分析和设计方法有了很大的改进,电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段,这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。
本设计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安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。
因此,在本次毕业设计里,将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯,本次毕业设计目的是培养数字电路的能力,掌握交通信号灯控制电路的设计方法,并设计出实用的交通信号灯控制系统的电路,完成原理图的绘制和实物的制作,并调试成功[1]。
1.2国内外研究状况
当今,红绿灯安装在各个道口上,已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。
但这一技术在19世纪就已出现了。
1858年,在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红,蓝两色的机械扳手式信号灯,用以指挥马车通行。
这是世界上最早的交通信号灯。
1868年,英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上,安装了世界上最早的煤气红绿灯。
它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成,红色表示“停止”,绿色表示“注意”。
1969年1月2日,煤气灯爆炸,使警察受伤,遂被取消。
电气启动的红绿灯出现在美国,这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成,1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。
红灯亮表示“停止”,绿灯亮表示“通行”。
1918年,又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
带控制的红绿灯,一种是把压力探测器安在地下,车辆一接近红灯便变为绿灯;另一种是用扩音器来启动红绿灯,司机遇红灯时按一下嗽叭,就使红灯变为绿灯。
红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时,它就能察觉到有人要过马路。
红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间,推迟汽车放行,以免发生交通事故。
信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力,减少交通事故有明显效果。
1968年,联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。
绿灯是通行信号,面对绿灯的车辆可以直行,左转弯和右转弯,除非另一种标志禁止某一种转向。
左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。
红灯是禁行信号,面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。
黄灯是警告信号,面对黄灯的车辆不能越过停车线,但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口[3]。
当前世界各国广泛使用的最具代表性却有实施的城市道路交通信号控制系统有英国的TRANSYT与SCOOTS交通控制系统和澳大利亚的SCATS系统。
在信号机的发展历程中,自适应理论一直受到各研究机构的欢迎,比如上面所述的SCOOTS和SCATS系统。
最近几年,国外仍偏向于引进自适应理论来对交通信号控制系统进行研制,特别是美国有十几个大学或研制机构正在研制自适应交通信号控制系统,,具有代表性的有美国亚利桑那大学研制的RHODES。
我国交通领域的发展起步较晚,基本是从新中国建国之后,随着各方面的条件的成熟以及社会发展的要求,才建立及健全交通控制系统的。
城市交通是一个高度综合而又复杂的问题,必须从政策,机构,体制,管理,收费价格,基础设施建设和投资各个方面同时入手解决。
我国城市经济和社会的高速发展使得社会对交通的需求急剧增加。
对交通系统提出了严峻的挑战,依据城市发展的规划,建设以及运行原照,在广泛借鉴和吸取国外先进经验的基础上,建立并完善适合我国国情的城市交通系统,我国城市交通运输的现状和存在的问题,借鉴国外城市交通管理的先进经验,强调建立城市交通管理体制的重要性,提出加强城市交通研究的交通规划,建立稳定的交通基础设施建设的资金出道,实行公交优先政策,建立先进的交通信息系统等对策。
随着城市机动车增长速度的加快。
1994年卧轨城市机动车保有量已接近500万辆。
20世纪90年代以来,经济的发展加快,从1985年到1995年,机动车增长率达13%左右,近几年更是增多。
然而,在此同时,城市道路建设规模也在加大,我国城市普遍存在道路密度,道路面积率偏低的问题,这是我国城市尤其是大城市出现拥堵的一个重要原因。
我国城市道路的密度只有6.8km每平方千米,而在20世纪80年代,世界发达国家就已到达20km每平方千米。
20世纪90年代,我国部分城市道路面积率,北京为5.9%,上海为6.4%,而国外东京为13.8%,巴黎为25%,普遍高于我国。
近几年,国家虽不断加大城市道路建设的力度,但仍赶不上车辆的增长速度,且与世界其他国家相比,差距仍很大。
出租车以及公交的发展运营情况并不尽如人意,虽然车辆和线路长度增长,但运营速度成了瓶颈,新增的运力被运输效率低下所抵消。
交通管理方面水平还欠发展,随着交通需求越来越旺盛,而我国城市中小交通管理和交通安全的现代化设施却做得不足。
在车辆,道路和交通管理系统,城市交通信号控制系统,城市交通管制中应用人工智能技术,信息采集和信息提供技术等方面都与发达国家有很大差距。
近几年,虽然有部分城市研究和引进一些国外先进的交通信号管理系统,但是由于交通管理设施不足等原因,我国交通事故率居高不下。
城市车流行驶速度逐年下降,目前不少城市交通运量年年增长,但运输速度普遍下降,这都源于交通通行不佳。
1.3课题研究方法
常见的交通灯控制系统中,是使用微机控制,设备复杂,成本较高;另外应用单片机控制,虽然简单,但系统智能化及传输可靠性低,且对语言的编程能力要求较高,均不理想。
为了提高系统可靠性、实用性,从而研究了一种基于模拟电子技术和数字电子技术的循环控制系统。
这种设计不仅仅应用到交通灯的控制,也在工业生产中提高自动化循环控制得到利用。
交通灯控制系统电路的设计主要模块如下[10]。
1、秒脉冲发生器
该系统所需要的秒脉冲由定时器NE555所构成的多谐振荡器提供。
2、状态控制器
采用中规模集成计数器CD4029构成状态控制器完成交通信号灯几种状态的控制。
3、减法计数器
利用两片74LS192级联构成减法计数器并在555产生的秒脉冲下做减计数,完成计时任务,达到控制每一种工作状态持续时间的目的。
4、状态译码器
利用74LS245和74LS00并与与非门构成状态译码,通过红绿黄灯的亮灭做出指示。
5、定时器系统
利用两片4位二进制同步计数器74LS161完成交通灯控制系统的定时系统,能自动装入不同定时时间,以完成30s、20s、5s的定时任务。
系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器、信号灯显示器五大部分组成。
其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号,通过定时器向控制器发出三种定时信号,使相应的发光二极管发光。
译码显示器在控制器的控制下,改变交通灯信号,分别产生三种倒计时时间显示,控制器根据定时器的信号,进行状态间的转换,使显示器的显示发生相应转变。
1.4设计框图
交通信号灯用于道路平面交叉路口,通过对车辆、行人发出行进或停止的指令,使人与人、车与车之间尽可能减少相互干扰,从而提高路口的通行能力,保障路口畅通和安全。
一般来说,十字路口的两条相交叉的道路是有主次之分,其中车流量较大的称为主干道,车流量小的称为次干道或支干道。
有主、次干道交叉口的城市道路,四个方向都设有红、绿、黄三色信号灯。
红灯亮表示禁止通行,绿灯亮表示可以通行,黄灯亮表示让交叉口停车线以外的车辆停止通行,而交叉口停车线以内的车辆快速通过交叉口。
且主干道红灯亮的时间等于次干道绿灯和黄灯亮的时间之和,同理,次干道红灯亮的时间等主干道绿灯和黄灯亮的时间之和。
实现这种功能的系统有多种,下面介绍一种基于数字集成电路的交通信号灯控制系统[5]。
交通信号灯控制系统结构框图如图1.1所示。
图1.1交通信号灯控制系统结构框图
2芯片及硬件电路设计
2.1状态控制器
2.1.1CD4029的功能特性
CD4029是一个二位二进制计数器。
CD4029 是由具有预进位功能的4 位二进制或BCD 码十进制加减计数器构成。
LD 为高电平时,D0~D3 预置计数器为任何状态,为低电平时,对计数器清零。
当CI和LD 均为低电平时,在时钟上升沿计数器计数。
CO一般为高电平,只有在加至最大或减至最小时,为低电平。
计数器闲置时,CI 端需与Vss 相连,当B/ D为高电平时,以二进制计数;反之,为十进制。
U/ D为高电平时,为加计数器;反之,为减计数器。
CD4029 提供了16 引线多层陶瓷双列直插(D)、熔封陶瓷双列直插(J)、塑料双列直插(P)和陶瓷片状载体(C)4 种封装形式。
CD4029其引脚图如图2.1所示[15]。
图2.1CD4029引脚图
2.1.2状态控制器电路
信号灯四种不同的状态分别用S0(主绿灯亮、支红灯亮)、S1(主黄灯亮、支红灯闪烁)、S2(主红灯亮、支绿灯亮)、S3(主红灯闪烁、支黄灯亮)表示。
各信号灯的工作顺序流程如图2.2所示。
图2.2信号灯的工作顺序流程
其状态编码及状态转换图如图2.3所示。
图2.3状态转换图
状态控制器可采用中规模集成计数器构成状态控制器,电路如图2.4所示。
CD4029是由具有预进位功能的4位二进制或BCD码十进制加减计数器构成。
图2.4用中规模集成计数器CD4029构成状态控制器
2.2状态译码器设计
2.2.174LS00的功能特性
74LS00功能:
四2输入与非门,其真值表如表2.1所示。
表2.174LS00真值表
输入
输出
A
B
Y
L
L
H
L
H
H
H
L
H
H
L
L
74LS00内部电路图如图2.5所示
D9u838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图
图2.5 74LS00内部电路图D9u838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号-各种图纸
2.2.274LS245的功能特性
74LS245是我们常用的芯片,用来驱动led或者其他的设备,它是8路同相三态双向总线收发器,可双向传输数据。
74LS245还具有双向三态功能,既可以输出,也可以输入数据。
当8051单片机的P0口总线负载达到或超过P0最大负载能力时,必须接入74LS245等总线驱动器。
当片选端/CE低电平有效时,DIR=“0”,信号由B向A传输;(接收)DIR=“1”,信号由A向B传输;(发送)当CE为高电平时,A、B均为高阻态。
由于P2口始终输出地址的高8位,接口时74LS245的三态控制端1G和2G接地,P2口与驱动器输入线对应相连。
P0口与74LS245输入端相连,E端接地,保证数据线畅通。
8051的/RD和/PSEN相与后接DIR,使得RD且PSEN有效时,74LS245输入(P0.1←D1),其它时间处于输出(P0.1→D1),其引脚图如图2.6所示。
图2.674LS245外部引脚图
2.2.3状态译码器电路
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。
它们之间的关系如表2.2所示,其中“1”表示灯亮,“0”表示灯灭。
表2.2信号灯状态关系
状态控制器输出
主干道信号灯
支干道信号灯
Q2
Q1
R(红)
Y(黄)
G(绿)
r(红)
y(黄)
g(绿)
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
由此得信号灯的逻辑函数表达式为:
选择半导体发光二极管模拟交通灯,门电路输出低电平时,点亮相应的发光二极管。
故状态译码器的电路组成如图2.7所示。
图2.7状态译码器电路
当黄灯亮时,红灯应按1HZ频率闪烁。
从表2.2可看出,黄灯亮时,Q1必为高电平;而红灯点亮信号与Q1无关。
现利用Q1信号去控制—三态门电路74LS245(或模拟开关),当Q1为高电平时,将秒信号脉冲引到驱动红灯的与非门的输入端,使红灯在黄灯亮期间闪烁;反之将其隔离,红灯信号不受黄灯信号的影响。
2.3定时器系统
2.3.174LS161的功能特性
集成二进制计数器74LS161,74LS161是4位二进制同步加法计数器,除了有二进制加法计数功能外,还具有异步清零、同步并行置数、保持等功能。
74LS161的逻辑电路图和引脚排列图如图2.8所示,CR是异步清零端,LD是预置数控制端,D0,D1,D2,D3是预置数据输人端,P和T是计数使能端,C是进位输出端,它的设置为多片集成计数器的级联提供了方便。
由表2.3可知74LS161具有以下功能。
图2.874LSl61的逻辑电路图和引脚图
1、异步清零功能
当CR=0时,不管其他输人端的状态如何(包括时钟信号CP),4个触发器的输出全为零。
2、同步并行预置数功能
在CR=1的条件下,当LD=0且有时钟脉冲CP的上升沿作用时,D3,D2,D1,D0输入端的数据将分别被Q3~Q0所接收。
由于置数操作必须有CP脉冲上升沿相配合,故称为同步置数。
3、保持功能
在CR=LD=1的条件下,当T=P=0时,不管有无CP脉冲作用,计数器都将保持原有状态不变(停止计数)。
4、同步二进制计数功能
当CR=LD=P=T=1时,74LS161处于计数状态,电路从0000状态开始,连续输入16个计数脉冲后,电路将从1111状态返回到0000状态,状态表见表2.3。
5、进位输出C
当计数控制端T=1,且触发器全为1时,进位输出为1,否则为零。
若输入计数器的CP脉冲频率为f,则从Qo端输出脉冲频率为f/2,通常也称Qo端输出信号是输人计数脉冲CP的2分频信号,Q1端输出信号是输人计数脉冲CP的4分频信号,Q4端输出信号是输人计数脉冲CP的16分频信号。
N进制计数器可实现n分频。
表2.374LS161状态表
输入脉冲数
Q3n
Q2n
Q1n
Q0n
Q3n+1
Q2n+1
Q1n+1
Q0n+1
1
0
0
0
0
0
0
0
1
2
0
0
0
1
0
0
1
0
3
0
0
1
0
0
0
1
1
4
0
0
1
1
0
1
0
0
5
0
1
0
0
0
1
0
1
6
0
1
0
1
0
1
1
0
7
0
1
1
0
0
1
1
1
8
0
1
1
1
1
0
0
0
9
1
0
0
0
1
0
0
1
10
1
0
0
1
1
0
1
0
11
1
0
1
0
1
1
0
0
12
1
0
1
1
1
1
0
1
13
1
1
0
0
1
1
0
1
14
1
1
0
1
1
1
1
0
15
1
1
1
0
1
1
1
1
16
1
1
1
1
0
0
0
0
表2.474LS161功能表
输入
输出
CP
P
T
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
ⅹ
0
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
0
0
0
0
↑
1
0
ⅹ
ⅹ
d
c
b
a
d
c
b
a
ⅹ
1
1
0
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
保持
ⅹ
1
1
0
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
保持(C=0)
↑
1
1
1
1
ⅹ
ⅹ
ⅹ
ⅹ
计数
2.3.2定时器电路
根据设计要求,交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器,以完成30s、20s、5s的定时任务。
用LED数码管做为倒计时时间的输出显示设备。
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
、
作用下,首先清零,然后在时钟脉冲上升沿作用下,计数器开始递增计数,向状态控制器提供模30、模5、模20的定时信号。
计数器可选用所学过的4位二进制同步计数器、十进制计数器、可逆计数器等集成电路。
由74LS161构成的定时器如图2.9所示。
图2.9定时器原理图
2.4秒信号产生器设计
2.4.1555电路组成
555集成定时器的内部结构如图2.10所示,由基本RS触发器、比较器、分压器、晶体管开关和输出缓冲器五个部分组成
。
图2.10555内部结构
1、基本RS触发器
由两个与非门组成,
是专门设置的可以外部进行置0的复位端,当
=0时,使
=0、
=1。
所以可以把555电路等效成一个放大电开关的R-S触发器。
这个特殊的触发器有两个输入端:
阀值端(
)可看成是置零端R,要求高电平;触发端(
)可看成是置位端S,低电平有效。
它只有一个输出端OUT,OUT可等效成触发器的
端。
放电端(DIS)可看成由内部放电开关控制的一个接点,放电开关由触发器的
端控制:
=1时DIS端接地;
=0时DIS端悬空[6]。
此外这个触发器还有复位端
,控制电压端CV,电源端VCC和接地端GND。
即图2.11所示。
图2.11555等效的R-S触发器
这个特殊的R-S触发器有两个特点:
(1)两个输入端的触发电平要求一高一低:
置零端R即阀值端TH要求高电平,而置位端S即触发端
则要求低电平。
(2)两个输入端的触发电平,也就是使它们翻转的阀值电压值也不同,当CV端不接控制电压是,对
(R)端来讲,>2/3Vcc是高电平1,<2/3Vcc是低电平0;而对
(S)端来讲,>1/3Vcc是高电平1,<1/3Vcc是低电平0。
其功能真值表如表2.5所示。
如果在控制端CV加上控制
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