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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子类毕业论文交通灯控制系统设计.精品文档.目录摘 要2关键词2引 言3一、交通信号灯的设计目的以及要求4二.交通信号灯基本原理及设计方法4三、主控制器63.1 74LS90引脚排列图与逻辑图63.2 74LS90的功能表及引脚功能.7四、计数器94.1计数器的作用94.2计数器的工作情况94.3控制信号灯的译码电路的真值表104.4置数电路114.5状态译码电路12五.译码显示电路135.1共阳极LED七段数码管135.2 74LS247译码器14六.555振荡器构成的秒脉冲电路166.1 555定时器的引脚176.2 555定时器构成的多
2、谐振荡器186.3 555定时器工作原理19七、交通灯信号灯控制总体框图20八.组装和调试过程21总 结23参 考 文 献23交通信号灯控制系统的设计摘 要 随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。 当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调， 多值化方向发展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.随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者
3、为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确。关键词：控制器 计数器 信号灯 译码电路引 言黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全
4、世界陆、海、空交通领域了。 中国最早的马路红绿灯，是于1908年出现在上海的英租。 从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调， 多值化方向发展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.随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的
5、方案更为精确。一、交通信号灯的设计目的以及要求十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。实现红绿灯的自动指挥是城市交通自动化的重要课题。本课题利用数字路的基本知识和设计方法，设计一个简单的交通灯控制系统要求。1.掌握系统设计的一般步骤和方法，掌握一个大的系统中各子系统之间的相互作 用和相互制约关系；2.运用数字电路理论知识自行设计并实现一个较为完整的小型数字系统。通过系统设计、电路安排与调试、写设计论文等环节，初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，提高实际应用水平；3.学会用中规模器件设计一个符合要求的系统，并熟悉常用中规模器件的用法。4.学会按照电路图在面包板
6、上合理布局使各器件在系统中的连线更简单，清晰；5.掌握连接实物图的一般步骤和方法，学会系统安装与调试的一般步骤和方法。6.在实践中运用理论知识，培养实际动手能力；7.主干道的通行时间长于支干道的通行时间；8.每次由绿灯变为红灯或由红灯变为绿灯的前5秒四个路口要亮黄灯以提示过往车辆及行人注意路灯变化，安全通行；9.设计正计时60s、50s计时数码实现电路，要求每秒钟改变一次数字； 10在一个主支干道的十字路口，东西和南北方向各设置一个红，黄，绿三种颜色的交通灯。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5秒钟，以便让后来车辆准备停车。由于主干道车辆较多，支干道车辆较少，所
7、以要求主干道处于通行状态的时间要长一些，为60秒；而支干道通行时间为50秒。二.交通信号灯基本原理及设计方法 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3-1所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。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。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。 路口交通指挥系统示意图设主干道通行时间为N1，干道通行时间为N2，主、支干道黄等的时间均为N3，按主支干道通行的时间来看，设置N1N2N3。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N1到
8、60递增计数主干道黄灯亮，支干道红灯亮计数器由N3到5递增计数主干道红灯亮，支干道绿灯亮计数器由N2到50递增计主干道红灯亮，支干道黄灯亮计数器由N3到5递增计S1S2S3S0系统工作流程图要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整机电路的原理框图如图所示。四个路口设有红、黄、绿三色灯和两位8421BCD码的计数、译码显示器。 显示器译码器计数器时钟信号发生器支干道信号灯信号灯译码驱动电路主干道信号灯主控电路交通信号灯控制原理电路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
9、通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为60s。2）60s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，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50s。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。S0S1S2S360s后5s后50s后5s后状态转换图 三、主控制器3.1 74LS90引脚排列图与逻辑图十字路口车辆运行情况只有4种可能，实现这4个状态的
10、电路，可用两个触发器构成，也可用一个二-十进制计数器或二进制计数器构成。我采用二-十进制计数器74LS90实现。采用反馈归零法构成4进制计数器,即可从输出端QBQA得到所要求的4个状态。图4-1 74LS90管脚排列图,逻辑图如图所示。为以后叙述方便，设X1=QB,X0=QA。74LS90管脚排列图主控制器的逻辑图3.2 74LS90的功能表及引脚功能.74LS90功能表输 入 输 出 功 能 清 0 置 9 时 钟 QD QC QB QA R0(1)、R0(2) S9(1)、S9(2) CP1 CP2 1 1 0 0 0 0 0 0 清 0 0 0 1 1 1 0 0 1 置 9 0 0 0
11、 0 1 QA输出二进制计数 1 QDQCQB输出五进制计数 QA QDQCQBQA输出 8421BCD 码 十进制计数 QD QAQDQCQB输出 5421BCD 码 十进制计数 1 1 不 变 保 持 如表7 4LS90功能表：7 4LS90逻辑功能为(1)计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。 (2)计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。 (3)若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，则构成异步8421码十进制加法计数器。 (4)若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出
12、端，则构成异步5421码十进制加法计数器。 (5)清零、置9功能。a) 异步清零当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA0000。b) 置9功能当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA1001。四、计数器4.1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60s、50s、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。4.2计数器的工作情况计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应
13、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60s计数；60s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50s计数；50s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60s、50s、5s计数的归零信号分别为A、B、C，则计数器
14、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)。图5-1计数器。图计数器(利用74LS90正计数功能)4.3控制信号灯的译码电路的真值表主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为1，灯灭为0，则控制信号灯的译码电路的真值表。表控制信号灯的译码电路的真值表主控制器状态主干道支干道 X1 X0红灯R 黄灯
15、Y 绿灯G红灯r 黄灯y 绿灯gS0 0 0 S1 0 1S2 1 0S3 1 1 001010100100100100001010由灯控真值表可写出六盏等的逻辑式,经化简获的六盏灯逻辑式为： 由真值表得灯控函数逻辑表达式R=QB r =Q BY=QB QA y =QBQA _G=QBQA g =QBQA4.4置数电路由真值表可分别写出各灯的逻辑表达式： R=S2+S3=X1X0+X1X0=X1 Y=S1=X1X0 G=S0=X1X0 r=S0+S1=X1X0+X1X0=X1 y=S3=X1X0 g=S2=X1X0根据功能要求采用以下逻辑门电路构成：门电路是数字逻辑电路的基本组成单元，门电路按
16、逻辑功能可分为：与门、或门、非门以及与非门、或非门、异或门、同或门、与或非门。若按电路结构组成的不同，可分为立元件门电路、CMOS集成门电路、TTL集成门电路等。各种集成门电路通常都封装在集成芯片内。此次设计采用的集成电路有74LS04、74LS00、74LS20引脚排列图如下图所示 这些集成电路的封装形式均为双列直插式。为双列直插式集成电路的右下方通常是地线GND，左上方引脚一般是电源线VCC，其它引脚的用途如图中符号所示，每个集成电路都有自己的代号，与代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途。如74LS00是二输入端四与非门，它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门。74LS04、74
17、LS00、74LS20引脚图如下图所示：图74LS04六非门内部结构引脚图图74LS00四入与非门内部结构引脚图图7420四输出与非门内部结构引脚图4.5状态译码电路根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图所示。将状态控制器，状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，如图所示。图 态译码电路五.译码显示电路译码显示电路主要是由共阳极LED七段数码管，74LS247译码器组成。5.1共阳极LED七段数码管数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。此次设计采用的是共
18、阳极连接如图图 共阳极数码管引脚图图 共阳极数码管接法5.2 74LS247译码器图 74LS247管脚功能排列图1.以下介绍各引脚的功能：（1）3脚是输入端当=0时,a、b、c、d、e、f、g均输出为零,发光数码管各发光段全亮,显示8字用以检查数码管各发光段是否良好.当,=1时,译码器按输入BCD码正常译码显示.（2）4脚灭灯输入端当=0时,不论A,B,C,D,的输入状态如何,译码器的输出a、b、c、d、e、f、g均为高电平,显示器各段均不亮,只有=1时,译码器才根据A、B、C、D输入状而译码输出.（3）3脚灭零输入端当=0时,若输入DCBA=0000,则输出不显示0,若输入为其它带码,则照
19、常显示.（4）4脚灭零输出端该端同端共用一个引脚,它既是灭灯输入端用来接收信号,又是灭零输出端输出信号,为相邻位提供灭零输入信号。注:常用的七段显示器还加了小数点DP（5）分析当编码器某一个输入信号为1而其它输入信号都为0时，则有一组对应的数码输出，如 71时，Y3 Y2 Y1 Y00111。输出数码各位的权从高位到低位分别为8、4、2、1。2.数码连接译码电路。74LS247是一种BCD码输入端,其中D是高电位;a、b、c、d、e、f、g是输出端,输出低电平有效,和共阳极半导体发光数码管各发光段的阴极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，74LS247和数码管的管脚排列图:图 段数码
20、显示器管脚接法图 码连接电路图3. 真值表共阳极数码管的数字显示真值表如下表所示表 七段显示译码电路真值表六.555振荡器构成的秒脉冲电路 555定时器是种中规模集成电路，只要外部配上适当阻容元件，就构成脉冲产生和整形电路。6.1 555定时器的引脚 时器555定时器内部结构和引脚排列图，如内部电路图，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。图 555的内部电路图
21、 555定时器引脚排列图555定时器个引线端的用途如下：11端为接地线；22端为低电平触发端，也称为触发输入端。当2端的输入高电压高 于VCC/3时，C2输出为1；当输入电压低于VCC/3时，C2的输出为0，使基本触发器置1；33端U0为输出端；44端是复位端，当=0时，基本触发器直接置0，使Q=0，=1；53端UDD 为电压控制端，如果CO 端另加控制电压，则可以改变C1，C2的参考电压。工作中不使用CO 端时，一般都通过一个0.01uF的电容接地，以防旁路干扰；66端TH 为高电平触发端，当输入电压低于2VCC/3时，C1的输出为1；当输入电压高于2VCC/3时，C1的输出为0，使基本触发
22、器置0，即Q0=0，=1，这时定时器输出U0=0；77端D为放电端。当基本触发器的=1时，放电晶体管T导通，外接电容元件通过T放电；88端VCC为电源端，可在4.3-1.6V范围内使用，若为CMOS电路，则VCC=3-18V。表7-1 555定时器功能表，它全面表示了555的基本功能。55定时器功能表6.2 555定时器构成的多谐振荡器多谐振荡器产生矩形波的自激振荡电路，由于矩形波包含和高次谐波成分，因此称为多谐振荡器。如图7-3 555定时器图7-4 波形图采用555设计的多谐振荡器及其工作波形，其振荡频率与实际的数字钟频率略有出入，但可以通过校时装置校时。多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有
23、稳定状态，同时毋须外加发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用555实现多谐振需要外接电阻R1，R2和电容C，并外接+3V的直流电源。只需在+VCC端接上+3V的电源，就能在3脚产生周期性的方波。图 本次设计的秒脉冲电路图图 波形图6.3 555定时器工作原理接通电后，它经过电阻和对电容C充电，当上升略高于时，比较器C1的输出为“0”，将触发器置“0”，为“0”。这时， 1，放电管T导通，电容C通过和T放电，下降。当下降略低于时，比较器C2的输出为“0”，将触发器置“1”，又由“0”变为“1”。由于0，放电管T截止，又经过和对电容C充电。如此重复上述过程，为连续的矩形波。第一个暂稳状
24、态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的（）Cln20.7（）C第二个暂稳状态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时间：Cln20.7C振荡周期 T=+0.7(2)C振荡频率占空比 由式可得,占空比大于总是%50。若设占空比=%50，又知交通信号灯的振荡周期是1S，可得到本次所需要的元器件阻值：.R15.1KR25.1KC1100uFC20.01uF七、交通灯信号灯控制总体框图根据设计各部分功能可画出交通信号灯控制系统总体框图：图 交通信号灯控制系统总体框图八.组装和调试过程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以下步骤进行调试：1秒脉冲信号发
25、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60秒、5秒、50秒、5秒、60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。 以上是本次设计的全过程，由以上分析知此设计所需材料有：3片74LS90、2片74LS247和2个共阳数
26、码管、1个555定时器、3片74LS04、2片74LS20、1片74LS00、21个1k电阻、2个5.1k电阻。1个100UF电容、1个0.01UF 电容和导线若干。总 结通过此次交通控制信号灯的分析和设计，我深深感到学好数字逻辑电路的重要性。这一次设计对我来说，感触最深的就是要想做好一个设计课题首先要对每一部分所涉及的知识点掌握好，只有这样才能对设计做的得心应手。通过此次焊接使我的焊接技术得到了加强，动手能力也有了进一步的提高，它锻炼了我的分析、设计动手的能力，培养我思考问题的全面性。在整个毕业论文设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何
27、问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。参 考 文 献1. 徐锦 数字电路与逻辑设计 第2版 北京 高等教育出版社2. 夏路易 石宗义 电路原理图与电路板设计教程 第1版 北京希望电子出版社 3.方至烈 第三代LED信号灯 复旦大学出版社4.王军华 LED道路交通信号灯测试研究 交通管理学院研究所5.郭玉平 探讨交通信号灯 北京工业技术出版社6.杨晓松 交通灯的信号测试 复旦大学出版社7.周伟 交通信号灯的设计原理 上海光源研究所8.王泰华 交通信号灯测试 湖北邦德出版社