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1、北 海 职 业 学 院毕业设计 (论文)2020学年度电子信息工程系(部)电子信息工程技术专业题 目智能交通灯学生姓名 李乾宁 学生班级电信一班 指导教师林幼文 起止日期 智能交通灯的设计摘 要： 交通信号灯的出现，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。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，在本次设计里，将以传统的设计方法为基础，同时引入了电子设计自动化技术，将模拟信号转化为数字信号，利用了数字逻辑这一
2、强大工具，同时还运用了Protel软件和一些数字逻辑器件，来设计了可控制的交通信号灯。关键词：交通控制，传感检测。AbstractThe appearance of the traffic signal lamp, so that traffic can be effective control,for ease traffic flow, improve the road capacity, the effect of significantly reducing traffic accidents. By using digital circuit design of traffic li
3、ghts control circuit, the method for automatic control of crossroads two groups of red and yellow, green traffic light state transition with digital signal circuit to control traffic lights, command of all vehicles and pedestrians safe passage, the crossroadstraffic management automation. Therefore,
4、 in this design, the in the traditional design method as the foundation, at the same time introduced electronic design automation technology, the analog signal into a digital signal, using digital logicwhich is a powerful tool, but also the use of Protel software and some digitallogic device, to des
5、ign the traffic signal lamp control.Key words：traffic control,Sensing目 录1前言11.1设计背景11.2设计目标12总体方案设计22.1方案比较22.2方案论证42.3方案选择43单元模块设计53.1各单元模块功能介绍及电路设计53.2电路参数的计算及元器件的选择113.3特殊器件的介绍124系统调试144.1调试环境144.2硬件调试145系统功能、指标参数165.1系统能实现的功能165.2系统指标参数测试166结论177总结与体会18附录211 前言纵观交通事业的发展历史，以前，人们出门远行或运输东西最常用到的的交通工
6、具是马车，但是随着社会的进步经济的发展，一种新型交通工具汽车随之问世。为了缓解交通的负荷量，使车辆运行畅通无阻，交通事业整严有序，国家起用了双车道交通灯控制系统。通过红，绿，黄三色灯进行单一的控制，使其遵守红灯停，绿灯行的原则。但是随着社会的发展，此系统已经远远不能满足交通控制事业的需求，需要一种全新的控制理念，进而引进了与我国国情相符合的国外先进的控制体系，多车道交通灯控制系统，不但解决以往交通控制系统的局限性，同时还加快车了车流辆速度。并制定了第三十八条明确规定：绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行， 黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行，红灯亮时，禁
7、止车辆通行。 研究交通灯控制系统：一方面可以更好地学习数字电路的应用技术，能进一步加深对数电的理解，从而达到更深层次的运用它，另一方面可以为城市多车道交通灯控制系统提供一种智能化的技术方案，虽然此次设计过程是以简单的电路来实现对实行交通灯控制，但是智能化交通控制系统，是交通控制系统发展的必然趋势，也是社会发展的需要。1.1 设计背景随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。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。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给予技术革新。1.2 设计目标通过采用数字电路对交通灯控
8、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。绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行， 黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行，红灯亮时，禁止车辆通行。2 总体方案设计通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，主要提出了三种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这三种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述最终选择方案的原因。2.1 方案比较城市路口交通信号控制系统大体上分为三种类型：定周期的信号机、多时段且具有无电缆
9、协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多想为智能型信号机。具体采用哪种类型，应根据其应用场合及特点加以确定。其中，第一种类型以其成本低，设计简单，安装及维护方便等特点得到了广泛应用。本文讨论的交通灯控制系统就属于该种类型。该交通灯控制系统主要由时间发生器电路、信号灯定时电路、数字显示电路、手动与自动控制电路等几个部分组成。2.1.1 方案一用传统的数字电路设计并制作，方案一原理框图如图2-1所示。控制器A车道信号灯译码电路B车道信号灯秒脉冲信号发生器定时器 图2-1 方案一的原理框图系统主要由控制器、定时器、秒脉冲信号发生器、译码器、信号灯组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的
10、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，译码器输出两条信号灯的控制信号。、为定时器的输出信号，为控制器的输出信号。当某车道绿灯亮时，允许车辆通行，同时定时器开始计时，当计时到45S时，则输出为1，否则，=0；当某车道黄灯亮后，定时器开始计时，当计时到5S时，输出为1，否则=0。为状态转换信号，当定时器计数到规定的时间后，由控制器发出状态转换信号，定时器开始下一个工作状态的定时计数。2.1.2 方案二555定时 器计数进制转换器交通显示灯交通灯选择器通道选择器图2-2方案二原理框图由555定时器计时,驱动交通灯选择器控制交通灯的显示,当一个方向的计数完成之后会产生一个脉冲,给
11、通道选择器, 然后通道选择器驱动计数进制转换器转换到另一个进制,由计数进制转换器预置555定时器的定时时间,然后再驱动交通灯选择器控制交通灯的显示,如此往复,其中555定时器是由电阻和电容来控制定时时间,其中的计数进制转换器就可用一个数据分配器74138来选择所需电阻的大小来控制,通道择器就可用两个JK触发器构成一个四进制的计数器,其中两个输出端就可以来作为计数进制转换器74138的输入,并且这两个输出端还可作为交通灯选择器74138的输入。2.1.3 方案三交通灯的电路由下载电路及外围电路组成，所用到的器件有EMP7064SLC44芯片、钟振、发光二极管、电阻和导线。EDA流程图如图2-3所
12、示：原理图程序清单功能仿真综合 适配时序仿真 编程下载FPGA/CPLD图2-3交通灯EDA流程图2.2 方案论证方案一中控制器应该由秒信号发生器、计数器、译码器、显示器、控制器、译码驱动电路及信号灯等7部分组成，其原理图如上图。该电路的工作原理是：用秒信号发生器产生1s的周期信号作为计数器的时钟脉冲；用计数器分别计数5s、30s,计数器的输出经译码器送显示器，显示红、黄、绿灯点亮的时间，同时向控制器发出状态转换信号。控制器以计数器的归零信号作为时钟脉冲进行状态的转换，其输出分两路：一是控制信号灯译码电路，驱动信号灯的点亮；二是控制计数器，使其归零。 方案二相对比较简单，主要由定时器和时序逻辑
13、电路的相互作用来控制递减的数字显示和交通灯的转变。每个干道的通行时间分别与2个状态对应，为了简化电路，采用仅对干道通（禁）行时间状态控制的参考设计方案，交通灯的控制根据干道通行时间分段实现。在一般状况下，由自动控制系统来控制定时器以达到交通状况的转变；一旦发生突发事件，可以有人为控制自动按钮以改变定时器，从而改变时序逻辑电路的波形，最后达到交通灯。方案三是运用EDA技术，使用Verilog HDL语言编写音乐发生器的程序，借助quartus软件对程序进行仿真方案选择。2.3 方案选择通过这三个方案的对比,由第二个方案用的是555定时器来计时,所以无法显示倒计 时的时间。定时采用倒记时的方式，这
14、里可以用二-十进制计数器，这里我们用74LS191加减计数器来完成计数功能，并通过数码管显示出来。定时的起始信号由状态控制电路给出，当一种定时时间结束的信号输入到状态控制电路时，由控制电路去启动、关闭三色交通灯或启动另一种倒计时电路。我觉得第一个方案更符合我们的实际要求, 故选择第一个方案。3 单元模块设计本章主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 各单元模块功能介绍及电路设计本系统主要分为四个单元模块，它们分别是：秒脉冲发生器、定时电路模块、控制器电路模块和译码器模
15、块。各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。3.1.1 脉冲信号发生器秒脉冲信号发生器需要产生一定精度和幅度的矩形波信号。本设计中由于秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度直接影响计数器的精度，因此要求秒脉冲有比较高的精度。一般情况下，要做出一个精度比较高、频率很低的振荡器有一定的难度，工程上解决这一问题的办法是先做一个频率比较高的矩形波振荡器，然后将其输出信号通过计数器进行多级分频，就可以得到频率比较低、精度比较高的脉冲信号发生器，其精度取决于振荡器的精度和分频级数。按照这种的思路设计出图3-1所示的秒脉冲信号发生器。 图3-1 秒脉冲发生器图3-1中由陶瓷振荡器、电阻、电容和4060内含的
16、振荡电路共同构成32768 振荡器，产生频率为32468的矩形波，经4060内部的14级计数器的分频，得到频率为2的矩形波，然后由74LS160的端得到频率为1的秒脉冲信号，用该脉冲作为减法计数器的计数脉冲。3.1.2 定时器模块设计74LS161的外引线排列图如图3-2所示。图3-2 74LS161管脚图其功能表如表3-1所示。表3-1 74LS161功能表输 入 输 出 MR CLKTC CEPCETP3 P2 P1 P0 Q3 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 d c b a d c b a 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 0 Q3 Q2 Q1 Q0 1 1 1
17、1 状态码加1以秒脉冲作为计数器的计数脉冲，设计一个四十五进制和五进制的计数器，如图3-3所示。 图3-3 定时器电路3.1.3 控制器模块设计控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。按照图2-3的状态转换图，控制器有4个状态，因此可由两个触发器构成，本设计中选用两个JK触发器产生4个状态。（1）A车道绿灯亮，B车道红灯亮，此时A车道允许车辆通行，B车道禁止车辆通行。当A车道绿灯亮能够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统转入下一个状态。（2）A车道黄灯亮，B车道红灯亮，此时A车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，B车道禁止车辆通
18、行。当A车道黄灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统转入下一个状态。（3）A车道红灯亮，B车道绿灯亮。此时A车道禁止车辆通行，B车道允许车辆通行，当B车道绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统转入下一个状态。(1)描述中的状态。由以上分析，交通信号灯有4个状态，可分别用、来表示，并且分别分配状态编码为00、01、11、10，由此可得到控制器的状态。控制器的输入为触发器的现态以及和，控制器的输出为触发器的次态和控制器状态转换信号,由此得到表3-3所示的状态转换表。表3-3 控制器状态转换表 输入 输出现 态 状态转换条件 次 态 状态转换信号 0 00 00 10 11 1
19、1 11 01 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1根据表3-3，写出状态方程和状态转换信号方程为 （3-1） （3-2） （3-3）以上三个逻辑函数可用多种方法实现，本设计采用四选一数据选择器74LS153来实现，这种方法比较简单。图3-5中R和C构成上电复位电路，保证触发器的初始状态为0，复触发器的时钟输入端输入1秒脉冲。图3-5 控制器电路图3.1.4 译码器模块设计译码器的作用是将控制器输出、构成的4种状态转换成为甲乙车道上6个信号灯的控制信号。定义：A车道绿灯亮为AG=1，A车道绿灯灭为AG
20、=0；A车道黄灯亮为AY=1，A车道黄灯亮为AY=1,A车道黄灯灭为AY=0；A车道红灯亮为AR=1,A车道红灯灭为AR=0。B车道绿灯亮为BG=1，B车道绿灯灭为BG=0；A车道黄灯亮为BY=1，A车道黄灯亮为BY=1,B车道黄灯灭为BY=0；B车道红灯亮为BR=1,B车道红灯灭为BR=0。则有表3-3所示的译码器输入和输出之间的对应关系。3-4控制器输出与信号灯之间关系状态（） AC AY AR BG BY BR 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 由表3-4可以写出AG、AY、AR、BG、BY、B
21、R与之间的逻辑关系： AG=,AY=,AR= （3-4） BG=,BY=,BR= （3-5）图3-6 译码器电路3.2 电路参数的计算及元器件的选择3.2.1 元器件选择4060内含的振荡电路、74LS160、74LS161、数据选择器74LS153、74LS139发光二极管、电阻、电容、JK触发器、逻辑门等。3.2.2 时钟电路秒脉冲发生器见图3-1，图中C1=10PF,C2=39PF;R1=330K，R2=15M CY=32768.产生频率为32468的矩形波，经4060内部的14级计数器的分频，得到频率为2的矩形波，然后由74LS160的端得到频率为1的秒脉冲信号。3.3 特殊器件的介绍
22、本系统中主要使用了如下一些功能新器件：4060、74LS139。下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。3.3.1 4060器件介绍图3-7 4060引脚图CD4060是14位二进制串行计数器分频器，其有三个特点：（1）内置振荡器；（2）全静态操作；（3）有14级计数器，但只有10个输出端。其内部框图和引出端功能如图3-7所示。CD4060是4000系列CMOS器件中的一种，是14位二进制计数器。它内部有两反相器，外接两个电阻及一个电容就可组成振荡器，作为时钟发生器。输入时钟脉冲时(下降沿)，输出端输出记数脉冲。它有一个复位端(Reset)，当复位端为高电平时所有输出端都是低电
23、平。3.3.2 74LS139器件介绍3-8 74LS139引脚图74ls139 跟74ls138类似,区别在于139内部是2个独立的2-4译码器。输入的2位二进制码共有4种状态，译码器将每个输入代码译成对应的一根输出线上的高、低电平信号。例如，当输入代码BA=10时，对应Y2输出为低电平，其余输出全为高电平。为使能端，低电平有效。它既可控制电路的工作，也可用于扩展逻辑功能。=0时，24译码器工作；=1时，电路被禁止，输出全部为高电平，输出状态与输入数据无关。BA可视作二进制数据，B为高位，A为低位，与输出Y0Y3对应。表3-3 74LS139功能表系统调试输 入输 出Y0 Y1 Y2 Y3使
24、能端选 择A B1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 10 0 1 1 0 1 10 1 0 1 1 0 10 1 1 1 1 1 04 系统调试4.1 调试环境Tina Pro是重要的现代化EDA（Electronic Design Automation，即电子电路设计自动化）软件之一，用于模拟及数字电路的仿真分析。其研发者是欧洲DesignSoft Kft.公司,目前大约流行四十多个国家,并有二十余种不同语言的版本,其中包括中文版，大约含有两万多个分立或集成电路元器件。该软件的具体功能包括：在模拟电路分析方面，Tina Pro除了具有一般电路仿真软件通常所具备的直流分析、瞬态分析、正弦
25、稳态分析、傅立叶分析、温度扫描、参数扫描、最坏情况及蒙特卡罗统计等仿真分析功能之外，还能先对输出电量进行指标设计，然后对电路元件的参数进行优化计算。此外，它具有符号分析功能，即能给出时域过渡过程表达式或频域传递函数表达式；具有RF仿真分析功能；具有绘制零、极点图、相量图、Nyquist图等重要的仿真分析功能。在数字电路分析方面，Tina Pro支持VHDL语言；并具有BUS总线及虚拟连线等功能，这避免了电路图中元件之间连线过密，使得电路绘图界面看起来更清晰、简洁。Tina Pro具有八种虚拟测量仪器，各仪器与元件之间采用虚拟连线。其虚拟测试仪器（如多踪示波器）的动态演示功能，是极好的电类教学辅
26、助工具。Tina Pro的仿真分析结果，如波形图可方便地与电路图粘贴在界面中，对输出打印及分析资料的完整保存十分便利。 Tina Pro可以与其硬件设备Tina-Lab，即实时信号发生器、数据采集器相连接，故能将实时测量与虚拟仿真结果相比对。这是目前所知能实现该项功能的少数实用技术产品之一。5 系统功能、指标参数介绍系统能够实现的功能，对应指标参数的测试及分析系统存在的不足以及改进。5.1 系统能实现的功能1. 用红、绿、黄三色发光二极管作信号灯：A车道为东西向，有红、绿、黄三个灯；B车道为南北向，也有红、绿、黄三个灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则表示该车道上以过停车线的车辆继续通
27、行，未过停车线的车辆停止通行。2. 每条道路上每次通行时间为30S. 在每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道。黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次。3. 能实现正常的、即时显示功能：试验电路可用4个七段数码管作为倒计时显示器，分显示东西、南北方向的红灯、绿灯和黄灯的时间。5.2 系统指标参数测试首先秒脉冲发生器见图3-1，图中C1=10PF,C2=39PF;R1=330K，R2=15M.CY=32768.产生频率为32468的矩形波，经4060内部的14级计数器的分频，得到频率为2的矩形波，然后由74LS160的端得到频率为1的秒脉冲信号倒计时预置数,通过秒脉冲源给倒计数器发送秒脉
28、冲,倒计时器开始倒计时,驱动时间显示器显示,并且交通灯也正常运行,当倒计时器计到5s时,我们当然同时可以在时间显示器上看到,这时倒计时器驱动黄灯控制器,使正在亮绿灯方向的黄灯闪烁,当倒计时器计到0时,驱动计数进制转换器,使倒计时器预置为另一个进制,并同时控制和改变交通灯的显示,其实就是计数进制转换器既可以完成进制转换,也同时充当了交通灯的转换功能.如此往复循环.最后利用门电路或者74LS139译码器实现交通灯信号转换功能。6 结论本课程设计是我们组五四同学同学一起完成的，在整个实验过程中，我们共同设计，组装，调试，接受检查，积极面对实验过程中出现的各种问题。本设计控制器应该由秒信号发生器、计数
29、器、译码器、显示器、控制器、译码驱动电路及信号灯等7部分组成.该设计做大亮点我觉得是秒脉冲发生器。没有用555定时基电路，而是由陶瓷振荡器、电阻、电容和4060内含的振荡电路共同构成32768振荡器，产生频率为32468的矩形波，经4060内部的14级计数器的分频，得到频率为2的矩形波，然后由74LS160的端得到频率为1的秒脉冲信号，用该脉冲作为减法计数器的计数脉冲。由两片161组成的减法计数器也实现它实现的功能，能够正常实现每条道路上每次通行时间为30S. 在每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道。黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次。能正常的、即时显示功能。由于对软件熟悉度不够
30、，所以仿真图与原电路图在器件使用上面有所差别！不过并没有影响设计结果！用简单的数字电路实验交通灯的控制，这是一大成功之举！7 总结与体会通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力.现在设计已经做好了,自己感觉还是比较好的,虽然花了很多的时间,但学到了很多东西.做课程设计的时候,自己把整个书本都看了几遍,增强了自己对知识的理解,很多以前不是很懂的问题现在都已经一一解决了.在课程设计的过程中,我想了很多种方案,对同一个问题(像计数器的接法)都想了很多种不同的接法,运用不同的芯片进行了比较,最后还是采取了上面的方法进行连接.从开始做课程设计那天起,脑中天天都想着同样的问题,怎么去把电路弄得
31、更加简单,怎么别人更容易看懂.但似乎时间过得真的很快,我用了好几天才把它完全弄完,完成后,心里有一种说不出的高兴。在设计过程中遇到很多麻烦，但我都上网查资料，去图书馆找参考书，努力地去解决所遇到的问题。 比如遇到软件中芯片与所学课本中不对应，我会用其他的代替以实现相同的功能。 这次课程设计之后,使我明白了,做任何事情都要认真仔细,不然的话,你会花更多的时间才会做好.课程设计有利于提高我们的动手能力,能把我们所学的书本知识运用到实际生活中去.同时也丰富了我们的业余生活,提高我们对知识的理解能力。通过这一阶段的努力，我的课程设计终于完成了，这意味着大学二年级生活即将结束。在此阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在本课程设计的完成过程中，同时我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的各位老师以及关心我的同学和朋友。由于时间的仓促及自身专业水平的不足，整个课程设计肯定存在尚未发现的缺点和错误。恳请阅读此篇说明书的老师多予指正，不胜感激！附录10-1 交通灯原理图图10-2 交通灯PCB图图10-3 交通灯仿真图