简易交通灯控制器的设计报告

1一、概述交通灯在人类道路交通发展过程中扮演着非常重要的角色，而我国是一个人口超级大国，汽车工业的发展正在快速增长的阶段，因此限制车辆的增加不是解决问题的好方法。而采取增加供给，即大量修筑道路基础设施的方法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的源和财力以及环境的压力，也将受到限制。这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。智能交通灯系统正是解决这一矛盾的途径之一。对城市交通流进行智能控制，可以使道路畅通，提高交通效率。合理进行交通灯控制可以对交通流进行有效的引导和调度，使交通保持在一个平稳的运行状态，从而避免或缓和交通拥挤状况，大大提高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，增加交通安全，降低污染程度，节省能源消耗，本文就是通过对交叉路口交通灯的智能控制，达到优化路口交通流的目的。二、方案论证设计一个简单的交通灯控制器。实际上就是四个平时状态加上一个紧急状态。我们不妨设：S1：南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，时间15s；S2：南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮，时间3s；S3：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l5s；S4：南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，时间3s；S5（紧急状态）：如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。主电路状态南北红灯南北黄灯南北绿灯东西红灯东西黄灯东西绿灯S1100001S2100010S3001100S4010100S5100100图1主电路状态与指示灯状态转换2S5的紧急状态，我们可以设计一个开关来控制这个状态的开启与关闭。剩余的四个状态我们可以放在一起来综合考虑。因为四个状态是轮换的。首先，用10进制计数器对平时状态下的四种情况进行计数，再用3线——8线译码器对这四种状态进行编码，之后控制四个方向的二极管（代替红绿灯）的亮暗。其次，1Hz脉冲信号我们可以用555时基电路构成的多谐振荡器来实现。555定时器内部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。由555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰。再者，用两片十进制可逆计数器来显示黄绿灯亮的秒数。最后，就可以基本实现红绿灯的简单控制。图2红绿灯控制器的基本流程图三、电路设计1.脉冲产生电路脉冲是由555时基电路构成的多谐振荡器产生的。选取两个固定电阻，计算出电容，使其频率为1Hz，其电路图如下:1Hz的脉冲信号十进制可逆计数器用借位来计数4种状态3-8线译码器进行编码实现红绿灯的控制紧急状态开关3图3脉冲产生电路其高电平时间为：sCRRT812.0)(7.0211其低电平时间为：sCRT203.07.022占空比：%80203.0812.0812.0q211TTT频率f=1.015Hz（约为1Hz）2.倒计时电路因为是倒计时的15s和倒计时的3s，涉及到两位数，所以采用两片十进制可逆计数器芯片。A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5VR115kΩR25kΩC158uFC210nF30VCC12输出4图3倒计时电路我们要完成的是15s和3s的倒计时循环，因为是倒计时，所以将脉冲接到down的一端。左边的芯片表示的是十位的数字，右边的芯片表示的是各位的数字。十位之涉及到0和1，所以只要控制A端的输入为0或1，所以用一个异或门连接译码器的Y0和Y2上，因为这两个输出端控制的是黄灯的状态（具体在译码器部分有解释），剩下的端口全部接地。各位的数字之涉及到3和5，所以输入端为0101和0011，这两个数的差别就在于中间的两位并且互反，所以将c端口接到译码器的b端口即可。并将两个借位输出连接到一个与门上来控制置数端。3.计数电路用计数器来计数四个状态，就是从15s-3s-15s-3s进行循环，输出为00011011。选择74LS160芯片，用的是置数法，实现四进制计数器。如图：U174LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U3DCD_HEX_DIG_GREENU4DCD_HEX_DIG_GREEN12345678VCC5VVCC0U16A74LS32N91011clk1214U7A74LS04N1516接开关译码器的1U20A74LS136D13译码器的Y0译码器的Y25图4计数电路这计数电路就是用来循环记录00011011四个基本状态的。4.状态译码电路从十进制计数器输出了4个状态，对这四个状态进行译码。真值表如下：（因为只有四个状态，超出的部分就不写了）输入输出A1A0Y3Y2Y1Y0000001010010100100111000表13位二进制译码器真值表（部分）译码阶段已经完成，接下来就是用这些译码出来的信号。来控制四个方向红绿灯的状态。输出为0001,0010,0100,1000的时候分别对应着S3,S1,S2,S4四个状态，并且同方向的一个灯亮起的时候剩余的灯必须是保持暗的状态。所以用与非门和非门来控制二极管。首先是黄灯的控制，黄灯出现在S2和S4的状态下，所以将非门连接在Y1，Y3处。将绿灯接在Y0，Y2处。红灯的切换是在黄灯亮之后，所以用与非门来控制。南北的与非门两端分别接Y2,Y3；东西的与非门两端分别接Y1,Y3。接下来说明一下为什么要这么接。就S1状态而言，南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，时间15s，译码器的输出为0010。此时东西方向有且仅有绿灯在亮，南北方向有且仅有红灯在亮。所以东西方向的绿灯要是想亮就得连接Y1端。同理，分析四种状态分别得出南北的黄灯连接Y0，南北的绿灯连接Y3，东西的黄灯连接Y2。之后分析如何让红灯亮。红灯的亮暗是在黄灯的亮暗之后切换的，所以用一个与非门。先用南北方向上的红灯来分析，南北的红灯时在S1和S2两个状态都亮的，其输出为0010和0100，所以与非门的两端接的是Y1与Y2。同理东西方向的红灯连接的是Y0与Y3。U174LS160NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10~LOAD9~CLR1CLK2VCC5V输出端01clkU18B74LS00N23VCC46图5状态译码电路5.紧急控制开关电路开关没开启之前要保持之前的状态，开关开启之后，四个红灯全部亮起，并且计数器归零。首先，让四个红灯全部亮起。在对红灯输入信号之前接出一个或门，其中的一端接原来的信号，另一端接0，这样保证了原有信号的输出。开关闭合后，让原本接0信号的那一段改变为1信号，就强制使红灯的输出变成了1，实现了功能。其次，让计数器归0。开关没有动作之前，让十进制可逆计数器的清零端接0信号，开关动作后，让清零端接1信号，实现了清零的功能。如图：图6紧急开关控制四、性能测试1.脉冲产生电路的测试为了在仿真中快速的看到结果，故将电容缩小了100倍，仿真如下图，脉冲周期约为10ms，扩大100倍即为1s，频率为1Hz。U174LS138NY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A1B2C3G16~G2A4~G2B5U9A74LS04NU11A74LS04NU12A74LS04NU13A74LS04NU14B74LS00NU15B74LS00NU8A74LS32NU10A74LS32N1817VCC5VVCC0123419接开关南北红灯南北绿灯南北黄灯7865910东西红灯东西黄灯东西绿灯1112计数器Qa计数器QbJ2Key=SpaceVCC5VVCCU22A74LS04N012接倒数计时电路的清零端接译码电路的或门7图7脉冲产生电路仿真测试图2.倒计时电路的测试检验倒计时计数器是否可以从15s和3s开始倒计时。图8十进制可逆计数器15s检测图U174LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14VCC5VJ1Key=SpaceU3DCD_HEX_DIG_GREENU4DCD_HEX_DIG_GREEN12345678U16A74LS32N91011012U7A74LS04N14J2Key=SpaceVCC0138图9十进制可逆计数器3s检测图3.电路整体性能测试总电路见附录I。（由于十进制计数器计数4种状态，3—8线译码器，紧急控制开关无法单独显示测试结果所以放在电路的整体性能的测试上）S1状态：南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，时间15s；图10S1状态检测图S2：南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮，时间3s；U174LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4~LOAD11~BO13~CO12CLR14VCC5VU3DCD_HEX_DIG_GREENU4DCD_HEX_DIG_GREEN12345678U16A74LS32N91011J1Key=SpaceU5A74LS04N0VCC13129图11S2状态检测图S3：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间l5s；图12S3状态检测图S4：南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，时间3s图13S4状态检测图S5（紧急状态）：如果发生紧急事件，可手动控制四个方向红灯全亮10图14紧急状态检测图五、结论经过两周的努力终于完成了关于交通灯控制电路的电子课程设计，通过不断的查资料让我积累了许多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术。我深刻体会到数字电子技术对当今现代社会的重要作用。经过这次设计，我学会了怎样把计划付诸于实际行动中。同时与社会的不断高速发展的步伐相比，我认识到自己所学的知识和技能还远远不足，缺乏应有的动手解决实际问题的能力，有待在今后的学习实践中进一步提高。经过这次课程设计，我更加认识到要学好自己的专业知识以适应不断发展的社会。参考文献[1]阎石主编.，数字电子技术.[M]北京：高等教育出版社，2006年[2]陈振官等编著.，新颖高效声光报警器.[M]北京：国防工业出版社，2005年[3]彭介华，电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社[4]孙梅生，李美莺，徐振英.电子技术基础课程设计[M].北京：高等教育出版社[5]梁宗善.，电子技术基础课程设计[M].武汉：华中理工大学出版社[6]张玉璞，李庆常.电子技术课程设计[M].北京：北京理工大学出版社[7]谢自美，电子线路设计·实验·测试（第二版）[M].武汉：华中科技大学出版社11附录I总电路图12附录II元器件清单序号编号名称型号数量1U1U2十进制可逆计数器74LS162N22U3U4U19U21数码管43U5十进制计数器74LS160N14U63线—8线译码器74LS138N15U7六反相器74LS04N26U92输入4与非门74LS00N17U102输入4或门74LS32N18U112输入4异或门74LS136D19U12555时基电路555_VIRTUAL110二极管1211J1开关112R1电阻5kΩ113R2电阻15kΩ114C1电容0.01uF115C2电容58uF1