城市交通信号控制系统的设计.

第6章第6章6.1设计任务6.2设计方案论证6.3以标准数字集成电路为核心的实现方案6.4基于双MCU的交通信号控制系统6.5基于CPLD的交通信号控制系统第6章6.1设计任务针对城市道路十字交叉路口，设计一个交通信号灯控制系统，具体要求如下:(1)主干道通车时间1~99s，可任意设置。(2)次干道通车时间1~99s，可任意设置。(3)黄灯亮时间1~9s，可任意设置。(4)采用倒计时的方式，用两位十进制数字显示红、绿、黄色信号灯亮的倒计时时间。(5)其他功能。第6章6.2设计方案论证6.2.1十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管理自动化的重要课题。一般说来，十字路口处的两条相互交叉的道路是有主次之分的。其中一条道路平时车流量较大，称为主干道；而另一条道路平时车流量较小，称为次干道。十字路口交通信号灯控制系统应考虑十字路口主、次干道车流量不同的特点，并且能根据车流量发生变化的实际情况，很方便地更改主、次干道的通车时间。第6章有一条主干道和一条次干道的城市道路交叉路口如图6.1所示。每边（共四边）都设置红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行；绿灯亮表示可以通行；在绿灯亮转变为红灯亮之前，先要求黄灯亮几秒钟，以便让交叉路口停车线以外的车辆停止运行，而使交叉路口停车线以内的车辆快速通过交叉路口。每一边的红、绿、黄色信号灯亮的顺序是红→绿→黄→红→绿→黄……。主干道红灯亮时，对应次干道的绿灯亮、黄灯亮；主干道绿灯亮、黄灯亮时，对应次干道的红灯亮。这样就要求主干道红灯亮的时间，应等于次干道绿灯亮的时间与次干道黄灯亮的时间之和；同理，次干道红灯亮的时间，应等于主干道绿灯亮的时间与主干道黄灯亮的时间之和。第6章有的时候，红、绿、黄色信号灯亮的时间要求采用倒计时的方式，并用十进制数字显示出来，以便机动车司机和行人一目了然、心中有数。第6章图6.1交叉路口信号灯示意图主干道红黄绿红黄绿次干道第6章6.2.2要实现上述城市道路交叉路口信号灯的自动控制，则要求交通信号控制系统由控制器，倒计时器，倒计时时间数字显示部分，红、绿、黄信号灯等几个部分组成，其构成原理方框图如图6.2所示。图中有向线段的箭头表示信号流向。第6章图6.2交通信号控制系统构成原理方框图倒计时时间数字显示部分主干道通车倒计时器主干道黄灯亮倒计时器次干道通车倒计时器次干道黄灯亮倒计时器主干道绿、黄、红灯控制器次干道绿、黄、红灯第6章倒计时器用于对秒脉冲的计数，完成计时任务，向控制器发出相应的定时信号，控制主干道和次干道的通车时间、禁止通行时间和黄灯亮的时间。控制器根据倒计时器送来的信号，保持或改变系统的状态，以实现对主、次干道车辆运行状态的控制。同时，控制器对倒计时时间数字显示部分进行控制，使得数码管显示器能以两位十进制数字显示红、绿、黄色信号灯亮的倒计时时间。根据上面的分析，完成设计任务的实现方案大致可以归纳为以下三种。第6章1.用标准数字集成电路实现交通信号控制系统的设计是比较容易的，虽然所设计的电路比较复杂，但是人们不难找到已有的设计方案作为参考。图6.2中的倒计时器可以用十进制减法计数器构成；控制器可以用触发器或其他功能的常规数字集成电路芯片来进行设计；倒计时时间数字显示部分也要用到减法计数器，还要用到显示译码器等标准数字集成电路芯片。第6章2.以MCU用单片机实现交通信号控制系统的设计相对而言是最容易的。因为交通信号灯控制系统就是要根据计时的情况，实现对交通信号灯的控制，并要用十进制数字显示倒计时时间，而单片机最适宜用来对物理对象进行控制，通过单片机软件编程，很容易实现对交通信号灯的控制和对LED数码管的显示控制。但是，单片机应用系统具有抗干扰性差的缺点，而对交通信号灯控制系统工作可靠性的要求是很高的，所以，必须采取有效措施，提高单片机应用系统的可靠性。一般应该综合采用软、硬件抗干扰措施，才能获得好的抗干扰效果。第6章3.以CPLD运用EDA技术实现电子系统的设计特别是数字电子系统的设计，是现代电子技术发展的趋势。CPLD芯片内部的电路功能可以通过标准硬件描述语言进行设计，而且整个设计过程都是在通用计算机的帮助下完成的，从而使得以CPLD为核心的方案容易实现、容易修改、容易保存，因此，无论是在系统的工作可靠性方面，还是在系统的成本、系统的运行速度、系统结构的简易程度等方面，以CPLD为核心的实现方案具有一定的技术先进性，而且最后能得到比较满意的设计结果。第6章以上三种实现方案各自的特点有所不同，采用的技术手段也有很大区别。但是，因为设计任务本身不是很难，而这三种实现方案作为学生学习电子系统设计的简单实例是比较好的（如作为电子技术课程设计题使用），所以，下面我们将对这三种实现方案都作详细的介绍。第6章6.3以标准数字集成电路为核心的实现方案6.3.1图6.3是十字路口交通信号控制系统电路原理图。为了简便起见，在图6.3中没有画出“倒计时时间数字显示部分”，该部分电路如图6.4所示，稍后说明之。在图6.3中，IC1、IC2组成“主干道通车倒计时器”；IC3组成“主干道黄灯亮倒计时器”；IC4、IC5组成“次干道通车倒计时器”；IC6组成“次干道黄灯亮倒计时器”；IC7、IC8、IC9组成“控制器”；LED1~LED6表示“主、次干道的绿、黄、红灯”。第6章上面所述4个“倒计时器”都是由十进制可逆计数器74LS192组成的，现以“主干道通车倒计时器”为例进行说明。IC1、IC2级联，组成减法计数器，秒脉冲从IC2的第4脚输入。当LD=0时，由IC1、IC2组成的减法计数器处于预置数功能状态，可编程的预置数由8421BCD码拨盘开关SW1、SW2产生。例如，要求主干道通车时间为89s，则只要将SW1拨到8，将SW2拨到9就可以了。当LD=1时，由IC1、IC2组成的减法计数器处于减法计数功能状态，在秒脉冲的作用下，从89开始每秒钟减1，当减到00时，IC1的第12脚产生借位负脉冲Qcb=0，此负脉冲送到由IC7、IC8、IC9组成的“控制器”，使得“控制器”的状态发生改变。第6章其他“倒计时器”的工作过程与“主干道通车倒计时器”类似。SW3、SW4用来预置次干道通车时间；SW5用来预置主、次干道黄灯亮的时间。由图6.3可知，主、次干道黄灯亮的时间是相同的。“控制器”主要由IC7组成。“控制器”中的IC7是CMOS数字集成电路（型号为CD4017），是十进制计数/脉冲分配器。在任何时刻，IC7的输出Y0~Y4总是有且仅有一个为逻辑1。当Y0=1、Y1=Y2=Y3=Y4=0时，“主干道通车倒计时器”进行减法计数，当计数到00时，“主干道通车倒计时器”产生的借位负脉冲送到与非门IC8（型号为74LS20），由IC8产生正脉冲送到IC7，使IC7的状态改变为Y1=1、Y0=Y2=Y3=Y4=0。第6章这时，“主干道通车倒计时器”处于预置数功能状态，而“主干道黄灯亮倒计时器”IC3开始作减法计数。当“次干道黄灯亮倒计时器”IC6减计数到0时，IC7的状态改变为Y0=Y1=Y2=Y3=0、Y4=1，因为IC7的输出端Y4接清零端Cr，所以这时IC7处于清零功能状态，则IC7的状态立即又变为Y0=1、Y1=Y2=Y3=Y4=0。由此可知，IC7是循环工作的。第6章“控制器”中的或门IC9（型号为74LS32），用来产生红色信号灯的控制信号。例如，主干道的红色信号灯LED1的控制信号是X1，在X1=1时LED1亮。而X1=Y2+Y3，由此可知，当次干道的绿灯亮或次干道的黄灯亮时，主干道的红色信号灯LED1也亮。次干道的红色信号灯LED6的控制信号是X2，X2=Y0+Y1，这样，当主干道的绿灯亮或主干道的黄灯亮时，次干道的红色信号灯LED6也亮。在图6.3中，用发光二极管LED1~LED6模拟交通信号灯，而实际中的交通信号灯可能是交流大功率高亮度灯泡或者是发光二极管阵列，只要给TTL集成电路（IC9，型号为74LS32）增加相应的驱动电路就可满足实际要求。第6章6.3.2图6.4是倒计时时间数字显示部分，其左、右两半部分分别是主、次干道倒计时时间数字显示电路，从电路结构上来看，左、右两半部分具有对称性。下面以主干道倒计时时间数字显示电路为例，进行简要说明。在图6.3的基础上，倒计时时间数字显示电路的设计主要解决两个问题:一是用两个十进制数字分时显示红、绿、黄色信号灯亮的时间，即分时显示的问题；二是对红色信号灯亮的时间实现倒计时，即红色信号灯亮的倒计时问题。第6章分时显示的问题是用三态门74LS245、74LS244解决的。图6.4中IC15、IC16的芯片型号是74LS245，IC17的型号是74LS244。通过三态控制端的控制作用，在任何时刻，只有红、绿、黄色信号灯亮的倒计时器中的一个倒计时器的状态，被送到七段译码/驱动电路IC20、IC21（型号为74LS48），经译码后，驱动共阴极数码管LED7、LED8显示倒计时器的状态。图6.4中的R43～R56是300Ω的限流电阻。该倒计时时间数字显示电路还解决了消隐无效数字0的问题，即当LED7要显示的数字是0时，该数字0将消隐而不显示。第6章在图6.3中，通过或门IC9（型号为74LS32），可以很方便地获得主干道红色信号灯LED1的控制信号X1和次干道红色信号灯LED6的控制信号X2。然而，在图6.3中没有红色信号灯LED1、LED6亮的倒计时器。要解决红色信号灯亮的倒计时问题，必须再设计红色信号灯亮的倒计时器。在图6.4中，IC10、IC11构成了主干道红色信号灯亮的倒计时器，SW6、SW7用来提供可编程的主干道红色信号灯亮的时间预置数。但是，SW6、SW7提供的可编程的预置数，必须等于次干道绿灯亮的时间与次干道黄灯亮的时间之和，即等于SW3、SW4的预置数与SW5的预置数之和。第6章次干道的倒计时时间数字显示电路与主干道的类似，SW8、SW9用来提供可编程的次干道红色信号灯亮的时间预置数。同理，SW8、SW9提供的可编程的预置数必须等于主干道绿灯亮的时间与主干道黄灯亮的时间之和，即等于SW1、SW2的预置数与SW5的预置数之和。第6章由图6.3和图6.4可知，图6.4所示的倒计时时间数字显示部分不影响图6.3所示控制电路的工作，但是，图6.4所示的倒计时时间数字显示部分受到图6.3所示控制电路的控制。因为有些十字路口的交通信号不需要用十进制数字来显示倒计时时间，所以，图6.4所示的倒计时时间数字显示部分与图6.3所示的控制电路之间，宜采用积木式结构，分别安装在两块印制板上。这样，在实际应用中，当需要“倒计时时间数字显示部分”时，才将图6.4所示的电路接上，与图6.3所示控制电路配合使用；而在不需要“倒计时时间数字显示部分”时，图6.3所示的控制电路可单独工作。第6章这里所介绍的十字路口交通信号灯控制系统主要采用标准的常规数字集成电路，只有IC7是CMOS系列数字集成电路，其他的都是TTL系列数字集成电路。将图6.3所示电路与图6.4所示电路分别制作安装在两块印制板上，相互之间用信号排线及接插件连接。只要按图正确接线，不需要调试，电路就能正常工作，并且该电路可完全满足设计任务所提出的各项技术指标要求。经试验证明，这里所介绍的十字路口交通信号灯控制系统不仅实现了交通信号灯的自动控制，而且电路运行稳定可靠，可应用于实际场合。在实际应用中，根据主、次干道车流量变化的情况，可通过拨盘开关SW1～SW9，很方便地更改主、次干道通车的时间。第6章6.4基于双MCU6.4.1系统硬件电路如图6.5所示，主要采用了两片51系列单片机芯片AT89C51（IC1、IC2），电路左、右两半部分分别负责主、次干道交通信号的控制与时间显示。用发光二极管LED1~LED6表示交通信号灯，其中，LED1~LED3表示主干道信号灯，LED4~LED6表示次干道信号灯，虽然P0口的输出级是开路电路，但因为所带负载是灌电流负载，故未接上拉电阻。AT89C51的P0.7~P0.5直接驱动红、绿、黄信号灯。AT89C51的P