基于单片机的交通信号灯的设计

1漯河食品职业学院毕业设计（论文）交通信号灯控制系统的设计及仿真分析学生姓名：扈亚伦所学专业：机电一体化学号：110602526指导老师：郑艳2014年3月18日2摘要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。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，通过我应用所学的知识设计了一套交通灯控制电路的方案。交通灯的控制系统主要由计时电路、主控电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器组成。关键词：控制系统；计时电路；主控电路；信号灯转换器；脉冲信号发生器3目录第一章绪论…………………………………………………………11.1交通信号灯控制系统研究的背景和意义………………………………11.2交通信号灯控制系统设计方案……………………………………………1第二章状态控制器设计……………………………………………42.1状态分析……………………………………………………………………42.2CD4029的引脚图及引脚功能……………………………………………42.3状态控制器设计图…………………………………………………………5第三章状态译码器设计……………………………………………63.1控制信号灯的译码电路的真值表…………………………………………63.2电路分析……………………………………………………………………63.3三态门的功能………………………………………………………………73.4状态译码器设计图…………………………………………………………7第四章定时系统设计………………………………………………94.1计数器的作用及工作情况………………………………………………94.2共阳极LED七段数码管引脚图……………………………………………94.374LS247译码器引脚图及引脚功能……………………………………104.4数码连接译码电路…………………………………………………………114.5三态门74LS245的引脚图及引脚功能…………………………………124.6触发器的电路结构及功能………………………………………………124.7定时系统设计图……………………………………………………………13第五章秒脉冲发生器设计…………………………………………155.1555定时器介绍……………………………………………………………1545.2NE555的特点………………………………………………………………155.3555定时器的引脚排列图及引脚功能……………………………………165.4555定时器构成的秒信号发生器…………………………………………165.5秒信号发生器工作原理……………………………………………………18第六章仿真软件介绍及仿真分析…………………………………206.1仿真软件介绍………………………………………………………………206.2仿真调试交通信号灯状态控制器…………………………………………206.3仿真调试交通信号灯显示电路……………………………………………216.4仿真调试交通信号灯定时电路……………………………………………226.5仿真调试秒脉冲发生器……………………………………………………236.6仿真调试整个系统…………………………………………………………25总结……………………………………………………………………26参考文献………………………………………………………………27附录……………………………………………………………………28谢辞……………………………………………………………………36天津工业大学2011届本科生毕业设计（论文）1第一章绪论1.1交通信号灯控制系统研究的背景和意义世界上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。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[1]。随着社会的发展和进步，路上的车辆越来越多，而道路建设往往跟不上城市发展的速度，因此城市交通问题日益突出，经常在十字路口等交通繁忙的地方发生堵塞情况，出现交通混乱。为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，也就是修路。但是这两个办法都有其局限性。我国汽车工业正处在起步阶段，限制车辆的增加不是解决问题的好方法。而采取增加供给，即大量修路，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，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。交通系统正是解决这一矛盾的途径之一。交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少适时调整和转移多条线路的分流也十分必要。交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产，安全和时间的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们的出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位甚至是生命道路的延伸。研究城市交通信号控制系统具有相当的学术价值和实用价值，解决了城市交通拥挤问题，提高了城市交通的效率，适应未来的城市交通的发展，从长远来看该研究具有巨大的现实意义。1.2交通信号灯控制系统设计方案十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。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[2]。故本设计如下：1主、支干道交替通行，设主干道通行时间为30s，干道通行时间为20s。2绿灯亮表示可通行，红灯亮表示禁止通行。天津工业大学2011届本科生毕业设计（论文）23每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s（此时另一干道上的红灯不变）。4十字路口要有数字显示，作为等候时间提示。主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。5在黄灯亮时，原红灯按1Hz的频率闪烁。6主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。故系统工作流程图如图1-1所示：图1-1系统工作流程图要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由控制器、译码器、秒脉冲发生器、计数器信号灯译码驱动电路[3]和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整个电路的原理框图如图1-2所示：天津工业大学2011届本科生毕业设计（论文）3图1-2交通灯控制系统的原理框图1）状态控制器：主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，以实现对主、支干道车辆运行状态的控制。2）状态译码器：按照状态控制器所处的状态，通过状态译码器分别驱动点亮相应的信号灯，指挥主、支干道的行人和车辆。3）秒脉冲发生器：产生整个定时系统的时基脉冲，确保整个电路同步工作和实现定时控制。4）减法计数器：通过减法计数器对秒脉冲作减计数，完成计时任务，达到控制每一种工作状态持续时间的目的。减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态，决定计数器下一次减法计数的初始值。天津工业大学2011届本科生毕业设计（论文）4第二章状态控制器设计2.1状态分析首先分析十字路口交通信号灯工作的实际各种可能状态。因主干道和支干道各有3种灯(红、绿、黄)，它们在正常工作时，亮灯的组合只有4种可能。1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30s。2）30s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯亮，支红灯闪烁，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20s。4）20s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯闪烁，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，主控制电路有4种状态，设这4种状态依次用S0(主绿灯亮，支红灯亮)、S1(主黄灯亮，支红灯闪烁)、S2(主红灯亮，支绿灯亮)、S3（主红灯闪烁，支黄灯壳)表示[4]，其状态编码及状态转换图如图2-1所示：图2-1信号灯工作顺序流程图4组编码对应4种状态，显然这是一个2位二进制计数器的输出状态，故可采用多种中规模集成计数器来实现。本设计采用CD4029连接成二进制加法计数器构成状态控制器。2.2CD4029的引脚图及引脚功能CD4029为4位可预置二进制/十进制可逆计数器。它的引脚图如图2-2所示。该计数器可进行二进制加/减计数或BCD十进制加/减计数操作，两种计数方式均有超前进位功能；B/D端为高电平时，进行二进制计数；B/D端为低电平时，进行十进制计数。U/D为高电平时，为加计数器；反之，为减计数器。PE为置数控制端，iC为计数控制器。因此CD4029的计数选择有4种，分别由U/D(上数/下数)及B/D(二进制/十进制)两脚来控制。天津工业大学2011届本科生毕业设计（论文）5图2-2CD4029的引脚图1.U/D=1，B/D=1；则为上数二进计数，其计数值由0000到1111，总共有16种状态，也就是十进制的0到15。2.U/D=1，B/D=0；则为上数十进计数，其计数值由0000到1001为止，只有10种状态，换句话说就是BCD计数的0到9，详如时序图所示。3.U/D=0，B/D=1；则为下数二进计数，其计数值分别依1111、1110往下计至0000，再回到1111；总共有16种状态，也就是十进制的15到0。4.U/D=0，B/D=0；则为下数十进计数，其计数值由1001、1000往下计数至0000，再回到1001，即由9下数至0，再回到9。2.3状态控制器设计图本设计中需要用二进制加法计数器来表示S0、S1、S2、S3这四种状态，故把B/D和U/D接高电平。在4029的引脚Q0、Q1上分别加了一个非门来表示对它们取反，从而得到S0、S1、S2、S3这四种状态，电路如图2-3所示：图2-3状态控制器设计图天津工业大学2011届本科生毕业设计（论文）6第三章状态译码器设计3.1控制信号灯的译码电路的真值表主、支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见表3-1。其中主干道的信号灯分别用大写字母R、Y、G代表红灯、黄灯和绿灯，支干道的信号灯分别用小写字母r、y、g代表红灯、黄灯和绿灯。对于信号灯的状态，1表示灯亮，0表示灯灭[5]。这样，就将交通信号灯信号的工作状态以真值表的形式表达出来。表3-1交通信号灯信号状态真值表根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为：R=Q2·1Q+Q2·Q1=Q2R=Q2(3-1)Y=2Q·Q1Y=12QQ(3-2)G=2Q·1QG=12QQ(3-3)r=2Q·1Q+2Q·Q1=2Qr=Q2(3-4)y=Q2·Q1y=12QQ(3-5)g=Q2·1Qg=12QQ(3-6)3.2电路分析根据以上表达式可采用逻