交通信号灯控制系统-数电课程设计.doc

1、 .装订线.山 东 农 业 大 学电子技术综合训练交通信号灯控制系统院 部 jxydzgcxy 专业班级 dqgcjqzdh 学生姓名 vtmcjq 学 号 20160000 指导教师 侯加林、张观山 - 1 -目录摘 要 .2关 键 字 .2设 计 要 求 .2系统概述 3交通灯逻辑分析 3（1）系统组成 .3（2）逻辑分析 .4方案设计 6（1）定时器的设计 .6（2）控制器的设计 .7电路图 9- 2 -交通灯控制系统曹俊强摘 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

2、事 故 。 交 通 灯 控 制 器 主 要 由 控 制 器 、 秒 脉 冲 发 生器 、 定 时 器 、 译 码 显 示 电 路 及 信 号 灯 组 成 。 控 制 器 由 74LS153 与 74LS74来 实 现 ， 脉 冲 发 生 器 用 晶 体 震 荡 器 产 生 ， 计 数 器 采 用 两 个 74161 来 实 现 ，显 示 电 路 经 过 74LS192 的 倒 计 数 、 七 段 显 示 译 码 器 7447 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

3、、 红 灯 的 转 换 。关 键 字 ： 交 通 灯 、 控 制 器 、 脉 冲 发 生 器 、 定 时 器 、 译 码 显 示 、 状 态 转 换 、主 支 干 道 。设 计 要 求 ：设 计 一 个 主 干 道 和 支 干 道 十 字 路 口 的 交 通 信 号 灯 控 制 电 路 ， 其 技 术 要 求 如下 ：1.一 般 情 况 下 ， 保 持 主 干 道 畅 通 ， 主 干 道 绿 灯 亮 、 支 干 道 红 灯 亮 ， 并 且主 干 道 绿 灯 亮 的 时 间 不 得 少 于 60 秒 ；2.当 主 干 道 绿 灯 亮 超 过 60 秒 且 支 干 道 有 车 时 ， 主 干 道

4、红 灯 亮 、 支 干 道 绿灯 亮 ， 但 支 干 道 绿 灯 亮 的 时 间 不 得 超 过 30 秒 ；3.每 次 主 干 道 或 支 干 道 绿 灯 变 红 灯 时 ， 黄 灯 先 亮 5 秒 。- 3 -i. 系 统 概 述 ：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

5、。因 此 ， 在 本 次 课 程 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 实 验 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 。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

6、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 。ii. 交 通 灯 逻 辑 分 析（1）系统组成：系统由控制单元和处理单元组成，控制单元接收外部系统时钟和传感器信号。处理单元由定时器和译码器组成。定时器能向控制单元发出 60s、30s 或5s 定时信号，译码显示电路在控制单元的控制下，改变交通灯信号。HG、HY

7、、HR 分别表示主干道绿、黄、红三色灯。FG、FY、FR 分别表示支干道绿、黄、红三色灯。交通灯系统工作有三个不同的时间段，TL，TS 和 TY交 通 灯 系 统 框 图- 4 -上 图 表 示 位 于 主 干 道 和 支 干 道 的 十 字 路 口 交 通 灯 控 制 系 统 ， 每 条 道路 设 一 组 信 号 灯 ， 每 组 信 号 灯 由 红 、 黄 、 绿 3 个 灯 组 成 ， 绿 灯 表 示 允 许 车辆 通 行 ， 红 灯 表 示 禁 止 通 行 ， 黄 灯 为 过 渡 灯 ， 表 示 该 车 道 上 已 过 停 车 线的 车 辆 继 续 通 行 ， 未 过 停 车 线 的 车

8、 辆 禁 止 通 行 。系 统 主 要 由 秒 脉 冲 信 号 发 生 器 、 定 时 器 、 控 制 器 、 译 码 器 、 信 号 灯显 示 器 组 成 。 其 中 控 制 器 是 核 心 部 分 ， 由 它 控 制 定 时 器 和 译 码 器 的 工 作 ，秒 脉 冲 信 号 发 生 器 产 生 定 时 器 和 控 制 器 所 需 的 标 准 时 钟 信 号 ， 译 码 器 输 出两 路 信 号 灯 的 控 制 信 号 。（ 2） 逻 辑 分 析 ：图 中 TL、 TS、 TY 为 定 时 器 的 输 出 信 号 ， ST 为 控 制 器 的 输 出 信 号 。HG、HY、HR 分 别

9、表 示 主 干 道 绿 、 黄 、 红 三 色 灯 ， FG、FY、FR 分 别 表 示 支 干道 绿 、 黄 、 红 三 色 灯 。当 某 车 道 绿 灯 亮 时 ， 允 许 车 辆 通 行 ， 同 时 定 时 器 开 始 计 时 ， 当 达 到 指定 时 间 时 ， TL 输 出 为 ， 否 则 TL 输 出 为 ；当 某 车 道 黄 灯 亮 后 ， 定 时 器 开 始 计 时 ， 当 计 时 到 秒 时 ， TY 输 出 为 ， 否 则 TY ；当 某 车 道 红 灯 亮 时 ， 定 时 器 开 始 计 时 ， 当 计 时 到 指 定 时 间 时 ， TS 输出 为 ， 否 则 TS 。

10、因 此 ， 用 定 时 器 分 别 产 生 三 个 时 间 间 隔 后 ， 向 控 制 器 发 出 “时 间 已- 5 -到 ”的 信 号 ， 控 制 器 根 据 定 时 器 的 信 号 ， 决 定 是 否 进 行 状 态 转 换 。 如 果 肯定 ， 则 控 制 器 发 出 状 态 转 换 信 号 ST， 定 时 器 开 始 清 零 ， 准 备 重 新 计 时 。交 通 灯 控 制 器 的 控 制 过 程 分 为 四 个 阶 段 ， 对 应 的 输 出 有 四 种 状 态 ， 分别 用 S0、 S1、 S2、 S3 表 示 。S0 状 态 ： 主 干 道 绿 灯 亮 ， 支 干 道 红 灯

11、亮 ， 此 时 主 干 道 允 许 车 辆 通 行 ，主 干 道 禁 止 车 辆 通 行 。 当 主 干 道 绿 灯 亮 够 规 定 的 时 间 后 ， 控 制 器 发 出 状 态转 换 信 号 ， 系 统 进 入 下 一 个 状 态 。S1 状 态 ： 主 干 道 黄 灯 亮 ， 主 干 道 红 灯 亮 ， 此 时 主 干 道 允 许 超 过 停 车线 的 车 辆 继 续 通 行 ， 而 未 超 过 停 车 线 的 车 辆 禁 止 通 行 ， 支 干 道 禁 止 车 辆 通行 。 当 主 干 道 黄 灯 亮 够 规 定 时 间 后 ， 控 制 器 发 出 状 态 转 换 信 号 ， 系 统

12、进 入下 一 个 状 态 。S2 状 态 ： 主 干 道 红 灯 亮 ， 支 干 道 绿 灯 亮 。 此 时 主 干 道 禁 止 车 辆 通 行 ，支 干 道 允 许 车 辆 通 行 ， 当 支 干 道 绿 灯 亮 够 规 定 时 间 后 ， 控 制 器 发 出 状 态 转换 信 号 ， 系 统 进 入 下 一 个 状 态 。S3 状 态 ： 支 干 道 红 灯 亮 ， 支 干 道 黄 灯 亮 。 此 时 主 干 道 禁 止 车 辆 通 行 ，支 干 道 允 许 超 过 停 车 线 的 车 辆 通 行 ， 而 未 超 过 停 车 线 的 车 辆 禁 止 通 行 。 当支 干 道 红 灯 亮 够

13、 规 定 的 时 间 后 ， 控 制 器 发 出 状 态 转 换 信 号 ， 系 统 进 入 下一 个 状 态 -S0 状 态 。S0、 S1、 S2、 S3 状 态 分 别 分 配 状 态 编 码 为 00、 01、 11、 10， 由 此 得 到控 制 器 的 状 态 ， 如 表 1， 表 2 所 示 。状态主干道 支干道 时间（s）S0 绿灯亮，允许通行红灯亮，禁止通行60S1 黄灯亮，停车 红灯亮，禁止通行5S2 红灯亮，禁止通行绿灯亮，允许通行30S3 红灯亮，禁止通行黄灯亮， ，停车5画 出 控 制 器 的 状 态 转 换 图 ， 其 中 TL、 TS、 TY 为 控 制 器 的

14、输 入 信 号 ，ST 为 控 制 器 的 输 出 信 号 。- 6 -iii. 方 案 设 计 ：本 设 计 中 由 于 用 秒 脉 冲 信 号 作 为 计 数 器 的 计 时 脉 冲 ， 其 精 度 会 影 响 计 数器 的 精 度 ， 进 而 影 响 控 制 系 统 的 精 度 ， 因 此 要 求 秒 脉 冲 信 号 具 有 比 较 高 的 精度 ， 为 提 高 精 度 可 先 做 一 个 频 率 比 较 高 的 矩 形 波 振 荡 器 ， 然 后 将 其 输 出 信 号分 频 ， 就 可 以 得 到 频 率 较 低 而 精 度 比 较 高 的 脉 冲 信 号 发 生 器 。 用 石 英

15、 晶 体 构成 秒 脉 冲 信 号 发 生 器 不 需 要 外 加 输 入 信 号 ， 而 且 其 脉 冲 频 率 很 稳 定 ， 起 振 快 、时 基 精 度 高 ， 它 的 工 作 频 率 仅 决 定 于 石 英 晶 体 的 振 荡 频 率 ， 而 与 电 路 中 的R、 C 的 数 值 无 关 。综 上 考 虑 ， 在 实 际 应 用 中 秒 脉 冲 信 号 发 生 器 的 设 计 选 用 石 英 晶 体 振 荡器 和 分 频 器 构 成 秒 脉 冲 信 号 发 生 器 。定时器的设计：定 时 器 由 计 数 器 构 成 。 该 计 数 器 与 系 统 时 钟 同 步 （ 由 时 钟 脉

16、 冲 产 生 器提 供 ） 同 步 ， 时 钟 脉 冲 上 升 沿 到 来 时 ， 在 控 制 信 号 ST 作 用 下 ， 计 数 器 从零 开 始 计 数 。 并 向 控 制 单 元 提 供 模 M5、 M30 和 M60 信 号 ， 即 TY， TS 和 TL三 个 不 同 的 持 续 时 间 信 号 。 计 数 器 工 作 在 M60 状 态 ， 并 且 当 计 数 到 4 和- 7 -29 时 ， 也 给 出 TY 和 TS 信 号 。 但 此 时 系 统 处 于 S0 状 态 ， 控 制 单 元 只 检 测TL 信 号 而 不 响 应 TY、 TS 信 号 。当 系 统 处 于 S

17、0 状 态 ， 为 满 足 主 干 道 绿 灯 亮 ， 支 干 道 红 灯 亮 的 持 续 时 间TL=60s,所 以 要 将 M60 的 输 出 端 反 馈 到 计 数 器 的 使 能 端 EN， 使 它 计 数 到59 时 停 止 计 数 ， 并 保 持 在 M=60 的 状 态 直 到 支 干 道 有 车 要 通 过 时 ， 才 转换 到 S1 状 态 。 要 求 定 时 器 在 状 态 转 换 信 号 ST 的 作 用 下 ， 首 先 清 零 ， 然 后开 始 计 数 。控制器的设计：列 出 状 态 转 换 表 ， 如 下 表 所 示 。表 2 控 制 器 的 状 态 转 换 表输入

18、输出现态 状态转换条件 次态 状态转换信号现态符号Q1nQ0n TL.S TY SQ1n+1Q0n+1STS0 00 0 00 0S0 00 1 01 1S1 01 0 01 0S1 01 1 11 1S2 11 0 11 0S2 11 1 10 1S3 10 0 10 0- 8 -S3 10 1 00 1选 用 两 个 触 发 器 作 为 时 序 寄 存 器 产 生 四 种 状 态 ， 控 制 器 的 转 换 条 件为 TL、 TY 及 TS， 当 控 制 器 处 于 Q1nQ0n = 00 状 态 时 ， 如 果 TL=0， 则 控 制器 保 持 在 00 状 态 ； 如 果 TL=1，

19、则 控 制 器 转 换 到 Q1n+1Q0n+1=01 状 态 。 这两 种 情 况 与 条 件 TY 和 TS 无 关 ， 所 以 无 关 项 用 “”表 示 。 其 余 情 况 依 次类 推 ， 同 时 列 出 状 态 转 换 信 号 ST。根 据 表 2， 将 Q1n+1、 Q0n+1 和 ST 为 1 的 项 所 对 应 的 输 入 和 状 态 转 换 条件 变 量 相 与 ， 其 中 1 用 原 变 量 表 示 ， 0 用 反 变 量 表 示 ， 然 后 将 各 与 项 相 或 ，可 以 推 出 状 态 方 程 和 转 换 方 程 如 下 ：11010101 nn0101010snT

20、10101010.+QT+SS=Q. (+S)nnnnYYnnLnnnYYsQTTSTQT用 四 选 一 数 据 选 择 器 和 D触 发 器 实 现 ， 设 A1A0 = Q1nQ0n ， 其 他 变 量通 过 数 据 输 入 端 输 入 。数 据 选 择 器 用 74LS153， 触 发 器 用 74LS74。 设 计 中 将 触 发 器 的 输 出 看作 逻 辑 变 量 ， 将 TL、 TS、 TY 看 作 输 入 信 号 ， 按 照 由 数 据 选 择 器 实 现 逻 辑函 数 的 方 法 实 现 以 上 三 个 逻 辑 函 数 ， 并 将 触 发 器 的 现 态 值 加 到 数 据 选 择 器的 选 择 变 量 端 ， 数 据 选 择 器 的 输 入 端 信 号 可 以 根 据 状 态 方 程 和 转 换 图 得出 。- 9 -1DR2C3Q45F0YENA67MUXPestST交 通 灯 控 制 电 路 图