毕业设计（论文）-交通灯控制电路的设计.doc

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1、安徽工贸职业技术学院毕业论文（设计）论文题目：交通灯控制电路的设计姓 名： 专 业：生产过程自动化指导教师： 提交日期：2009年4月交通灯控制电路的设计摘要: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。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。 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

2、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，笔者进行了深入的研究，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。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种

3、简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。 关键字：交通控制 , 交通灯, 译码器,计数器, 控制器 第1章 道路交通灯的设体设计目录第1章 道路交通灯的总体设计 11.1 设计电路总体框图和要求 11.2 所需相关器材介绍及环节原理 2第2章 相关电路的设计 32.1 时序脉冲产生和分频电路 32.2 倒计时计数电路计 32.3 初值预置电路 52.4 状态控制电路 52.5 红灯数值控制电路 62.6 数码显示电路 72.7 论证方案 82.8 设计心得 8附录 9参考文献 10致谢 11第1章 道路交通灯的总体设计 1.1 设计电路总体框图和要求本文主要设计一个东西方向和南北方向十

4、字路口的交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。每个方向的绿黄灯的定时时间可以预设，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：东西方向绿灯亮、东西方向黄灯亮、南北方向绿灯亮和南北方向黄灯亮。在东西方向绿灯和黄灯亮时，南北方向红灯亮，并且红灯的亮时间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状态框图如图1所示： 电路工作总体框图 交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如附录图1所示，分别为时序脉冲产生和分频电路、绿灯计时电路、绿

5、黄灯初值预置电路、状态控制电路、红灯计时器、显示电路等部分构成。状态控制器是系统的核心部分，由它决定交通灯处于哪一个运行状态。（状态0状态3）。从而使相应的交通灯点亮，并决定下一个状态的预置电路该预置的绿灯或黄灯的预置值。图中的状态控制器由二位加法器实现，2位加法器输出0011对应红绿灯的4个状态，绿灯1、黄灯1、绿灯2、黄灯2。当一个状态计时时，数据选择下一个状态的预置值。当前状态计时结束后，计数器置入下一个状态计数值并计数，循环往复。绿灯1和黄灯1亮时红灯2亮，绿灯2和黄灯- 1 -亮时红灯1亮。绿灯亮时，红灯显示值为绿灯的值加黄灯预置值加1，黄灯亮时，红灯显示数据和黄灯同步。 其他单元在

6、状态控制器的状态控制下有序的完成计时和计时转换。假定当前状态如绿灯亮，运行结果分析如下：状态控制器输出接入四选一译码器，选中绿灯1所对应的数码管，此时四位减法计数器输出结果送入绿灯1对应的数码管，显示绿灯计时的时间，其他数码管（黄灯1、绿灯2和黄灯2均不亮），而红灯2同时也被选中，开始显示当前的红灯2时间，红灯2的时间为绿灯1和黄灯1计时之和。当计时递减到0时，状态控制器的状态进入下一个状态，同时四位减法计数器置入黄灯1预置的时间，开始对黄灯计时进行递减，此时红灯2的时间仅为黄灯1的时间，当黄灯1递减到0 ，状态控制器又进入绿灯2亮的时间，分析过程与上面类似。这样周而复始完成交通的显示过程。

7、1.2 所需相关器材（1） 选用CD4060计数器来得到一个时钟脉冲或用555秒信号产生器 由555秒信号产生器的电路是利用555 定时器组成的秒信号发生器。NE555 芯片有单稳态电路功能，可发生T=0.7*(R1+2*R2)*C其输出信号的周期为1 秒。本电路输出脉冲的周期为方波信号，可适当的选择电阻、电容，使其输出信号的周期为1 秒。（2）CD4511编码器在各种数字控制系统所处理的数据都是二进制代码的，而我们实际生活中总是习惯于十进制数。因此需用要把十进制代码转达换为二进制代码，或用二进制代码组成二一十进制代码。完成此项功能的电路称为编码器。CD4510具有复位CR,置数控制LD,并行

8、数据D0D3,加减控制U/D ,时钟CP和进位CI等输入.CR为高电平时,计数器清零.当LD为高电平时,D0D3上的数据置入计数器中,CI控制计数器的计数操作,CI=0时,允许计数.此时,若U/D为高电平,在CP时钟上升沿计数器加1计数;反之, 在CP时钟上升沿减1计数. 除了四个Q输出外,还有一个进位/错位输出BOCO1、寄存电路:：主要用于记录和控制十字路口交通灯的工作状态，它产生控制信号，通过状态译码器译码后，分别点亮相应的信号灯； =2、脉冲发生器产生该系统的时基脉冲信号，通过减法计数器对秒脉冲减记数，实现控制每一秒钟做状态持续时间的目的 ； 3、减记数到零时，产生回零脉冲使状态控制器

9、完成状态转译码。 4、显示红灯闪烁控制置数控制状态控制器 5、交通灯定时控制-显示系统同时状态译码器根据系统的下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值；减计数的状态经BCD译码器译码后，由数码管显示。(3) 4516是异步可预置四位计数器数据选择器74LS53加法器7439074HC390计数器双24译码器7413974HC390计数器74LS283全加器 - 2 -第2章相关电路的设计第2章 相关电路的设计 2.1 时序脉冲产生和分频电路时钟电路是数字系统不可缺少的一个重要组成部分，因为数字电路只有在时钟电路的驱动下才可正常工作。根据应用场合的不同，不同数字电路选择使用不同类型的时钟发生

10、器。因交通灯控制系统的秒信号精度不高，故可选用555定时器，也可选用RC环行振荡器，考虑到红灯亮的时间与倒计数的时间一致，本系统选用CD4060计数器来得到一个时钟脉冲。 本设计通过CD4060计数器产生的是2Hz的时钟脉冲，不符合系统要求的1Hz时针脉冲，所以需要一个分频电路，即把CD4060所产生的信号进行2分频。该分频电路可以用任何一个二进制计数器来实现。本文选用74HC390计数器来实现，74HC390是一个双二-五-十进制加法计数器，其引脚接法及功能如下所示： 每个集成块中由2组计数器，每组计数器由两个计数器组成，共有4个计数器。 每组计数器内有1个一位二进制计数器和1个五进制计数器

11、。它们可以单独计数，但清零时同时清零。A，B为时钟脉冲的输入，下降沿触发。QA，QB，QC，QD为计数输出。 如1位二进制计数器的输出QA接上五进制计数器的时钟脉冲的输入B，则构成8421BCD码十进制的计数器。A为时钟脉冲的输入，QA，QB，QC，QD为输出，QD是最高位；五进制计数器的输出QD接上二进制计数器时钟脉冲输入A，则构成5421BCD码十进制的计数器，B为时钟脉冲的输入，QA，QB，QC，QD为输出，QA是最高位。 清零RD为异步清零，高电平有效。 在本电路中，将clka与CD4060脉冲发生器的时钟输出相连，Qa即为1Hz时钟输出。其具体电路如图3所示。 2.2 倒计时计数电路

12、倒计时计数电路主要由计数器构成，它在整个系统设计中的作用是实现计时计数，在此我们选用减法计数器，因为本设计说明计时时间可预设，所以需要可预置数的计数器，结合以上要求，本系统采用4516。 当交通灯控制系统开始工作时，该部分电路将实现各种状态的转换功能，即东西南北方向绿灯、黄灯4种工作状态的转换，首先数码管显示东西方向绿灯的预值，当其减到零时，计数器产生借位，状态由之前的“00”转为“01”，此时东西方向绿灯灭，计数器重新置数，即东西方向黄灯预置值，当其减到零时，计数器又产生借位，状态由之前的“01”转为“10”，此时东西方向黄灯灭，计数器又重新置数，即南北方向绿灯预置值，反复循环。- 3 -第

13、2章相关电路的设计其电路原理图如图4所示。 其中4516是异步可预置四位计数器，其真值表见表1，工作原理如下： CP CI U/D LD RDQD QC QB QA H L H H L L L H L L L L L L A B C DL L L L 保持 加法计数器 减法计数器 表1 CD4516真值表（注表示任意值）CP为计数器时钟输入，上升沿触发。 LD为异步数据预置控制端，当LD高电平，D0-D3上的数据置入计数器中。 CI为计数控制端，控制计数器的计数操作，CI=0时，允许计数，CI=1时，保持。 U/D为加/减计数控制端，U/D为高电平时，在案CP时钟上升沿计数器加1计数；反之，在

14、CP时钟上升沿减1计数。 RD为异步清零端，RD为高电平时，计数器清零。 C/B为进位/借位输出，在减法计数时，当Q0-Q3输出“0000”时为低电平；在加法计数时，当Q0-Q3输出“1111”时为低电平，其余输出高电平- 4 -第2章相关电路的设计2.3 初值预置电路 考虑到控制信号与输入变量的关系，需要用一个数据选择端，同时由于数据是由四位二进制数所组成，所以共选用两个双4选1数据选择器74153。 74153的输出受与4516相连的加法器74390的输出控制。此部分采用74LS153芯片、输入与非门74LS00以及加法器74390构成，其电路原理图见图4和图5。 其中74LS153引脚图

15、内部有2个4选1数据选择器，其真值表为表2。 其中C0-C3为数据输入端，Y为输出端，A、B称为地址输入端。A、B的状态起着从4路输入数据中选择哪1路输出的作用。输出状态与输入数据无关。注意A、B地址在集成块中由2个4选1共用，高位为B，低位为A，BA=01时，Y=C1，BA=10时，Y=C2。 表2 74LS153的真值表数据输入 数据输出 选通 输出 B A C0 C1 C2 C3 E Y 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 通过在C0-C3处输入相应的值，A

16、、B和Y之间构成了同或门逻辑，这就是一个逻辑函数发生器。 2.4 状态控制电路交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四个状态，分别用S0，S1，S2和S3表示，经过2-4译码器译码后可以控制四个电路中的其中一个工作，每个电路对应一个状态，其工作主要有三个时间间隔，TL，TS和TY（TL为东西方向绿灯亮的时间间隔，本设计预置为9s，TS为南北方向绿灯亮的时间间隔，本设计预置为9s，TY为东西方向或南北方向黄灯亮的时间间隔，本设计预置为3s）。 S0状态：东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，此时南北方向有车等待通过，而且东西方向绿灯已亮，满足规定的时间间隔9s，控制器发出状态转换信号ST，输

17、出从状态S0转换到S1。 S1状态：东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮，进入此状态，黄灯亮满足规定的时间间隔3s时，控制器发出状态转换信号ST，输出从状态S1转换到S2。 S2状态：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，若此时南北方向继续有车，则继续保持此状态，但南北方向绿灯亮的时间不得超过9s时间间隔，否则控制器发出状态转换信号ST，使输出转换到S3状态。S3状态：南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，此时状态于S1状态持续的时间间隔相同，均为3s，时间到时，控制器发出ST信号，输出从状态S3回到S0状态。 各状态与信号灯的关系由表3给出，其中HG，HY，HR分别表示东西方向绿、黄、红灯。FG，FY，FR分

18、别表示南北方向绿、黄、红灯。- 5 -表3 控制器状态编码与信号灯关系表状态HG HY HR FG FY FRS0（00）S1（01）S2（11）S3（10）1 0 0 0 0 10 1 0 0 0 10 0 1 1 0 00 0 1 0 1 0交通灯以上4种工作状态的转换时由控制器进行控制的。为实现此功能，此设计选用74HC390计数器，双2-4译码器74139，74HC390计数器。其电路如图5所示74139集成块芯片内有两个2-4译码器。输入的2位二进制编码共表示种状态，译码器将每个输入编码译成对应的一根输出线上的确低电平信号。E为使能端，低电平有效。它既可控制电路的工作，也可用于扩展逻

19、辑功能。E=0时，2-4译码器工作；E=1时，电路被禁止，输出全部为高电平，输出状态与输入编码无关。BA可视作二进制数据，B为高位，A为低位，与输出Y0-Y3对应。2.5 红灯数值控制电路设计中使用74LS283全加器，它将A0A1A2A3和B0B1B2B3相加，和由S0S1S2S3输出，C1为进位输出。此电路实现东西方向绿灯与黄灯亮的时间总和等于南北方向红灯亮的时间的功能，。即东西方向绿灯亮9s后，转变为黄灯亮3s，同时南北方向的红灯亮12s，从而实现红灯显示数据与黄灯同步。 考虑到设计需要，本系统采用3片74LS283全加器，74LS32与74LS08芯片。该模块电路也实现了二进制与BCD

20、码的转换，使显示值大于9时十六进制转为BCD码。另外用加法器计算红灯显示值时，进行了1位16进制到2位BCD码的转换。其电路如图6所示。- 6 -第2章相关电路的设计2.6 数码显示电路 十字路口要有数字显示，作为倒时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。 倒计时显示采用七段数码管来显示，它由4511译码器驱动，显示减法计数器4516的输出值。七段数码管有共阴极和共阳极两种接法，本设计电路中采用共阴极数码管，即把七段数码管内的所有发光二

21、极管的阴极都接地时，数码管才能被点亮。此外在设计电路时，在七段数码管的每一段串联510的电阻，以限制流经每一段的电流，否则电流太大，容易烧毁发光二极管。 由于目前减法计数器4516输出的是一个小于10的十六进制数据，而该数据的显示要采用七段数码管来显示，所以在这两者之间需要有一个专门的译码器，来完成BCD码到七段的译码。该译码器不但要完成译码功能，还有相当的驱动能力。基于该原因，本系统选用CD4511译码器，来驱动七段数码管。CD4511的输出是低电平有效，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时，对应字段熄灭。A、B、C、D接收4516的输入，QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG输出分别驱

22、动七段数码管的a、b、c、d、e、f和g段。 当电路开始工作时，首先东西方向绿灯对应的数码显示器显示值为9，与此同时南北方向的红灯对应的数码管显示器由12逐步递减，当9减到0时，然后跳变为黄灯对应的数码显示器显示值3，而此时南北方向的红灯对应的数码管显示值已由12减到3，正好实现黄灯与红灯的同步功能，当3减到0时跳变为红灯对应的数码显示器显示，其值为12，反复循环。其电路原理图如图7所示。- 7 -第2章相关电路的设计2.7 论证方案（1）控制器 主要用于记录十字路口交通灯的工作状态。以实现对主、支干道车辆运行状态的控制； （2）状态译码器 按照状态控制器所处的状态通过状态译码器分别驱动点亮相

23、应的信号灯，指挥主、支干道的行人和车辆； (3)秒脉冲发生器 产生整个定时系统的时基脉冲确保整个电路同步工作和实现定时控制 （4）减法计数器 通过减法计数器对秒脉冲作减计数，完成计时任务。达到控制每一种工作状态的持续时间。减法计数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，决定计数器的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。在黄灯亮期间状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁2.8 设计心得 我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限

24、，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。 平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免

25、会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢。但这次终于设计成功，很感谢这次的机会让我懂得更多专业的知识。- 8 -附录 交通灯的几各构成部分。如图1所示：图1 交通灯运行控制功能模块框图- 9 -参考文献1 杨刚 ，周群。电子系统设计与实践M。北京：电子工业出版社 20042 杨峥，电工、电子技术实习与课程设计M。北京：中国电力出版社 20043 蔡明生，电子设计M。北京：高等教育出版社 20044韩太林，李红，于林韬；单片机原理及应用（第3版）。电子工业出版社，20055刘乐善，欧阳星明，刘学清；微型计算机接口技术及应用。华

26、中理工大学出版社，20036胡汉才；单片机原理及其接口技术。清华大学出版社，2000-10-致谢此次毕业设计，我遇到很多的问题，通过向杨嵩等老师求教、和同学讨论让我知道真正完成一项设计是不容易的，在巩固专业知识的同时也让我学到了坚持和努力，在这里我要谢谢各位老师的悉心教导,老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的高尚风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师的大量心血。在此，谨向老师表示崇高的敬意和衷心的感谢！在此表示深深的敬意与感谢。并对多年来教导关心过我的老师表示深深的谢意和敬意！- 11 -