交通信号灯控制电路

1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控、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。随着城市机动车辆的不断增加，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，它们也是曾有效的改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长很热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倒库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，缓解主干道与道、城市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，通过我应用我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2目录第一章绪论1.1交通信号灯控制系统研究的背景和意义1.2交通信号灯控制系统设计方案第二章状态控制器设计2.1状态分析2.2CD4029的引脚图及引脚功能2.3状态控制器设计图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3.2电路分析3.3三态门的功能3.4状态译码器设计图第四章定时系统设计4.1计数器的作用及工作情况4.2共阳极LED七段数码管引脚图4.374LS245的引脚图及引脚功能4.4数码连接译码电路4.5三态门74LS245的引脚图及引脚功能4.6触发器的电路结构及功能4.7定时系统设计图第五章秒脉冲发生器设计5.1555定时器介绍5.2NE555的特点5.3555定时器的引脚排列图及引脚功能5.4555定时器构成的秒信号发生器5.5秒信号发生器工作原理第六章系统电路原理图总结3参考文献附录谢词第一章绪论1.1交通灯信号灯控制系统研究的背景和意义早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。第一次对交叉路口交通的控制尝试起源于1868年英国伦敦，当时由警察手工轮流变换指挥用的旗帜，当时的控制指令可以称之为旗语。这种控制方式在1908年传到美国纽约，并且很快在全国传播开来。城市电气化的发展导致了1914年在俄亥俄州的克利夫兰市出现了第一台电力驱动的交通信号灯。1919年，纽约市开始把手动指挥的旗子换成了电机控制的信号灯。在1923年，GarrettMorgan申请专利Morgan交通信号灯，后来卖给了通用电气公司。到1932年，在布鲁克林市Parkside大街上的最后一个手动控制的旗子也被电机控制信号灯取代。从1920年到1970年近50年的时间里，电机驱动的信号灯占据了交通信号控制系统的主要市场。周期长度是通过安装合适的齿轮来进行保证的，通过在一个计时转盘上插入销子来把周期分成不同的时间间隔。为了适应交通变化的需要，这种划分时间的方式被称为“三个时段”划分法。同时为了保证相邻的交叉口能够在一个交通信号系统中以预计的信号周期、绿信比和相位差下工作，一种“七条线缆”连接的方式发展起来，以使相邻的电机驱动的信号灯能够在一种系统控制的方式下工作，即使现在我们步入了新千年，在一些城市的某些地方仍然使用这种基于三个时段划分周期的信号控制器和七条线缆连接的系统。甚至，大部分在电机驱动的系统中发展起来的术语到现在仍然在现代的微处理控制器中使用。在20世纪60年代早期，计算机被引进到交通信号控制系统中。在1963年，第一个计算机控制的交通信号控制系统在加拿大的多伦多市安装，到20世纪70年代，微处理器被普遍使用，相应的硬件和软件也开始起步。现在，交通控制更是趋向智能化方向发展，相信我们将来的交通一定是畅通而便捷的。在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子4设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。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。在绿灯变红灯时现要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。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20s。2绿灯亮表示可通行，红灯亮表示禁止通行。3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单位作为减计算。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：5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和数字显示译码驱动电路灯几部分组成、整个电路的原理框图如图所示：主干道绿灯亮支干道红灯亮（40进制计数器减1）主干道黄灯亮支干道红灯闪烁（5进制计数器减1）我主干道黄灯亮支干道红灯闪烁干道黄灯亮支干道红灯闪烁主干道主干道红灯亮支干道绿灯亮（40进制计数器减1）主干道红灯闪烁支干道黄灯亮（5进制计数器减1）40秒未到5秒未到40秒未到5秒未到6译码、显示主道信号灯支道信号灯减法计数器状态译码器红灯闪烁控制置数控制状态控制器秒脉冲发生器图3-1交通信号灯控制系统结构框图1）状态控制器：主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，义实现对主、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。第二章状态控制器2．1状态分析首先分析十字路口交通信号灯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。7因此，主控制电路有4种状态，设这4种状态依次用So（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，支黄灯亮）表示，器状态编码及状态转换如图2-1所示：图2-1交通信号灯状态装换图4组编码对应4种状态，显然这是一个二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。它的引脚图如图所示2-2所示。该计数器可进行二进制加/减计数器或BCD十进制加/减计数操作，两种计数方式均有超前进行位功能；B/D端为高电平时，进行二进制数；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，为减数计数器。PE为置数控制端，Ci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。1．U/D=1，B/D=1；则为上数二进制计数，其计数器由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；则为上数十进制计数，其计数值由0000到1001为止，只有10种状态，也就是BCD计数的0到9。3．U/D=0，B/D=1；则为下数二进计数，其计数值风别依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，其计数器值由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：第三章状态译码器设计3.1控制信号灯的译码电路真值表8主、支干道删红、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。其中主要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。这样，就将交通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状态控制器输出主干道信号灯状态支干道信号灯状态Q2Q1R(红)Y（黄）G（绿）r(红)Y（黄）G（绿）00001100010101001010000111100010根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为：121212,12221212121212,122,21212,,,QQgQQgQQyQQyQrQQQQQrQQGQQGQQYQQYQRQQQQQRG=1：主干道车道绿灯亮Y=1：主干道车道黄灯亮R=1：主干道车道红灯亮g=1：支干道车道绿灯亮y=1：支干道车道黄灯亮r=1：支干道车道红灯亮在这里选择半导体发光二级管模拟交通灯，由于门电路的带灌电流能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出地电平时，点亮相应的发光二极管。3.2电路分析根据以上表达式可采用逻辑门电路构成：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9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74LS00、74LS125。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。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的与非门。由交通信号灯控制系统设计的技术指标知道，当黄灯亮时，红灯按1HZ的频率闪烁。从表3-1中可以看出，黄灯亮时，Q1必为高电平；而红灯点亮信号与Q1信号无关。可利用Q1信号去控制一个三态门电路74LS125（或模拟开关）来控制。3.3三态门的功能三态门简称TSL门（以TTL三态门为例），它是在普通的基础上加上使能控制电路和控制信号构成的。所谓三态门，是指其输出有3种状态，即高电平、低电平和高阻态（开路状态）。在高阻态时，其输出与外接电路呈现断开状态。图3-1、3-2是三态与非门的逻辑图图3-1高电平有效图3-2低电平有效图3-1所示的三态门是控制端为高电平时有效。当非EN=1时，与普通与非门的逻辑功能相同：当非EN=0时，不论A、B的状态如何，输出均为高PEI态（与外电路隔断）。图3-2所示的三态门是控制端为低电平时有效。当非EN=0时，与普通与