交通信號燈控制電路

PAGEPAGE19摘要隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)控、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。隨著城市機動車輛的不斷增加，許80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也是曾有效的改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長很熱缺乏對高速道路的系統(tǒng)研也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通倒庫耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與道、城市同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。為此，通過我應(yīng)用我所學(xué)的知識設(shè)計了一套交通燈控制電路的方案。交通燈的控制系統(tǒng)主要由計時電路，主控電路、信號燈轉(zhuǎn)換器、脈沖信號發(fā)生器組成。關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng);計時電路；主控電路；信號燈轉(zhuǎn)換器；脈沖信號發(fā)生器目錄第一章緒論交通信號燈控制系統(tǒng)研究的背景和意義第二章狀態(tài)控制器設(shè)計狀態(tài)分析CD4029的引腳圖及引腳功能狀態(tài)控制器設(shè)計圖第三章狀態(tài)譯碼器設(shè)計控制信號燈的譯碼電路的真值表電路分析三態(tài)門的功能第四章定時系統(tǒng)設(shè)計計數(shù)器的作用及工作情況LED七段數(shù)碼管引腳圖74LS245的引腳圖及引腳功能數(shù)碼連接譯碼電路74LS245的引腳圖及引腳功能觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)及功能定時系統(tǒng)設(shè)計圖第五章秒脈沖發(fā)生器設(shè)計555定時器介紹NE555的特點555定時器的引腳排列圖及引腳功能555定時器構(gòu)成的秒信號發(fā)生器秒信號發(fā)生器工作原第六章 系統(tǒng)電路原理圖總結(jié)附錄謝詞第一章緒論交通燈信號燈控制系統(tǒng)研究的背景和意義1850年，城市交叉口處不斷增長的交通就引發(fā)了人們對安全和擁186819081914年在俄亥俄州的克利夫蘭市出現(xiàn)了第一臺電力驅(qū)動的交通信號燈。1919年，紐約市開始把手動指揮的旗子換成了電機控制的信1923年，GarrettMorganMorgan交通信號燈，后來賣給1932Parkside大街上的最后一個手1920197050年的時2060年代早期，計算機被引進到交通信號控制系統(tǒng)中。在19632070年代，微處理器被普遍使用，相應(yīng)的硬件和軟件也開始起步。在現(xiàn)代城市中，人口和汽車日益增長，市區(qū)交通也日益擁擠，人們的安具之一。有了交通燈人們的安全出行有了很大的保障。燈控制電路的設(shè)計提供了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計方案十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。每邊設(shè)置了紅、綠、黃色信號燈。因為主干道上的車輛多，所以主干道放行的時間要長。在綠燈變紅燈時現(xiàn)要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓停車線以外的車輛停止運行。故本設(shè)計如下：30s20s。綠燈亮表示可通行，紅燈亮表示禁止通行。5s（此時另一干道上的紅燈不變。燈亮的時間均以秒單位作為減計算。1HZ的頻率閃爍。0~99s故系統(tǒng)工作流程：主干道綠燈亮支干道紅燈亮（主干道綠燈亮支干道紅燈亮（40主干道黃燈亮支干道紅燈閃爍（51）主干道紅燈亮支干道綠燈亮（40主干道紅燈閃爍支干道黃燈亮（51）5秒未到40秒未到5秒未到要實現(xiàn)上述交通信號燈的自動控制，則要求控制電路由控制器、譯碼燈幾部分組成、整個電路的原理框圖如圖所示：譯碼、顯示 主道信號燈 支道信號燈減法計數(shù)器 狀態(tài)譯碼器 紅燈閃爍控制置數(shù)控制 狀態(tài)控制器 秒脈沖發(fā)生器圖3-1 交通信號燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖輛運行狀態(tài)的控制。信號燈，指揮主、支干道的行人和車輛?？刂啤７N工作狀態(tài)持續(xù)時間的目的。減法計數(shù)器的回零脈沖使狀態(tài)控制器完成狀態(tài)轉(zhuǎn)始值。狀態(tài)分析

第二章狀態(tài)控制器3種燈（紅、綠、黃4種可能。1）時間為30s。2）30s后，主干道停車，支干道仍不通行，這種情況下主黃燈亮，支紅燈閃爍，持續(xù)時間為5s。3）5s后，主干道不通行，支干道通行，這種情況下主紅燈和支綠燈亮，持續(xù)時間為20s。4）20s后，主干道仍不通行，支干道停車，這種情況下主紅燈閃爍，支黃燈亮，持續(xù)時間為5s。5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復(fù)。44So（紅燈亮S1（主黃燈亮，支紅燈閃爍S2（主紅燈亮，支綠燈亮S3（燈閃爍，支黃燈亮）2-1所示：圖2-1交通信號燈狀態(tài)裝換圖4組編碼對應(yīng)4種狀態(tài)，顯然這是一個二位二進制計數(shù)器的輸出狀態(tài)，故可采CD4029構(gòu)成狀態(tài)控制器。CD4029CD40294/2-2/BCD/B/DPECiCD40294B/D（二進制/十進制）兩腳來控制。U/D=1，B/D=1；000016015。U/D=1，B/D=0；0000100110BCD09。則為下數(shù)二進計數(shù)，其計數(shù)值風別依111111100000，1111；16150。則為下數(shù)十進計數(shù)，其計數(shù)器值由100110000000，1001，90，9。狀態(tài)控制器設(shè)計圖S0S1S2S3B/DU/D4029Q0Q1S0S1S2S32-3第三章狀態(tài)譯碼器設(shè)計控制信號燈的譯碼電路真值表主、支干道刪紅、黃、綠信號燈的狀態(tài)主要取決于狀態(tài)控制器的輸出狀3-1R、Y、Gr、、g代0就將交通燈信號的工作狀態(tài)以真值表的形式表達出來。狀態(tài)控制器輸出主干道信號燈狀態(tài)支干道信號燈狀態(tài)表狀態(tài)控制器輸出主干道信號燈狀態(tài)支干道信號燈狀態(tài)Q2Q1R(紅)Y（黃）G（綠）r(紅)Y（黃）G（綠）00001100010101001010000111100010根據(jù)真值表，可求出各信號燈的邏輯函數(shù)表達式為：2 1 2 1 2, RQQQQQ RQ2 1 2 1 2, YQQYQQ2 2 1GQQ,GQQ2 1 2 1rQQQQQ,rQ2 1 2 1 2 22 2 yQQ yQ2 2 gQQ,gQQ2 1 2 1G=1：主干道車道綠燈亮Y=1：主干道車道黃燈亮R=1：主干道車道紅燈亮g=1：支干道車道綠燈亮y=1：支干道車道黃燈亮r=1：支干道車道紅燈亮在這里選擇半導(dǎo)體發(fā)光二級管模擬交通燈，由于門電路的帶灌電流能力一般比帶拉電流的能力強，要求門電路輸出地電平時，點亮相應(yīng)的發(fā)光二極管。電路分析根據(jù)以上表達式可采用邏輯門電路構(gòu)成：門電路是數(shù)字邏輯電路的基本組成單元，門電路按邏輯功能可分為：與門、或門、非門以及與非門、或非門、異或門、同或門、與或非門。若按電路結(jié)構(gòu)組成的不同，可分為立元件門電路、CMOS集成門電路、TTL集成門電路等。各種集成門電路通常都74LS0074LS12574LS00是二輸入端四與非門，它說明這個集成電路中包含四個二輸入的與非門。3-1中可以看出，黃燈亮?xí)r，Q1Q1Q1模擬開關(guān)）來控制。三態(tài)門的功能TSL門（TTL三態(tài)門為例3電平、低電平和高阻態(tài)（開路狀態(tài)。在高阻態(tài)時，其輸出與外接電路呈現(xiàn)3-1、3-2是三態(tài)與非門的邏輯圖 圖3-1高電平有效 圖3-2低電平有效3-1EN=1時，與普通與非門的邏輯功能相同：當非EN=0時，不論ABPEI態(tài)（與外電路隔斷。3-2所示的三態(tài)門是控制端為低電平時有效。當非EN=0非門的邏輯功能相同：當非EN=1時，不論AB的狀態(tài)如何，輸出為高組態(tài)。因此，當Q1為高電平時為低電平，控制三態(tài)門的EN，將秒脈沖3-4狀態(tài)譯碼器設(shè)計圖輸出端選擇發(fā)光二極管來模擬交通燈，由于門電路帶灌電流的能力一般比帶拉電流的能力強，要求門電路輸出低電平時，點亮?xí)r應(yīng)的發(fā)光二極管，故交通信號燈狀態(tài)譯碼電路組成如圖3-3所示：圖3-3 交通信號燈狀態(tài)譯碼電路第四章定時系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，交通燈控制系統(tǒng)要有一個能自動置入不同定時時間的定時器，30s、20s、5sCD40292位十進制可預(yù)74LS47LED七段數(shù)碼管對38路雙向三態(tài)門74LS125374LS24530205374LS245的選通信號來實現(xiàn)。計數(shù)器的作用及工作情況計數(shù)器的作用：一是根據(jù)主干道和支干道車輛運行時間以及黃燈切換時間的要求，進行30s、20s、5s三種方式的計數(shù)；二是向主控制器發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，主控制器根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。器根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。S030s計數(shù)；30s后產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進入狀態(tài)S1，計數(shù)器開始5s計數(shù)；5s主控制器進入狀態(tài)S2，計數(shù)器開始20s計數(shù)；20s后產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進入狀態(tài)S3，計數(shù)器又開始5s計數(shù)；5s后同樣產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器開發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器回到狀態(tài)S0，開始新一輪循環(huán)。本設(shè)計由兩片CD4029構(gòu)成的2位十進制可預(yù)置減法計數(shù)器來進行倒計時，由于CD4029功能前面已經(jīng)寫出，此處不再綴余。4．2LED七段數(shù)碼管引腳圖數(shù)碼管分為共陽極結(jié)構(gòu)和共陰極結(jié)構(gòu)。若顯示器共陽極連接，則對應(yīng)陽極接高電平的總段發(fā)光：而顯示器共陰極連接，則接低電平的總段發(fā)光。共陰極數(shù)碼管引腳如圖4-1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-2所示：圖4-2共陽極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)74LS47譯碼器引腳圖及引腳功能74LS4774LS47是輸出低電平有01時，對應(yīng)字段熄滅，所以驅(qū)動是共陽極的七段顯示器。該譯碼器能夠驅(qū)動70~1516A1、A2、A3A44位二進制碼，輸出端QaQbQcQdQeQfQg77段。譯碼4-3所示：4-3譯碼顯示原理圖74LS47主要引腳功能如下：LTLT=0A1，A2，A3，A4為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，即abcd、ef、g均輸出為零，發(fā)光數(shù)碼管各8LT=1BCD碼正常譯碼顯示。BILT為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，即abcdefg17BI=1A、、C、D輸入狀態(tài)而譯碼輸出。非RBI：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設(shè)定的。當非RBI=0DCBA=00000碼，則照常顯示。RBOBI共用一個引腳，它即是滅燈輸入端用用它可以實現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。DP4-4數(shù)碼管連接譯碼電路74LS247BCDD是高電平，a、b、c、d、e、fg是輸出端，輸出低電平有效，和共陽極半導(dǎo)體發(fā)光數(shù)碼管各發(fā)光段的陰極引出線互相連接，74LS47譯碼器原理譯碼為編碼的逆過程。它是編碼時賦4-474LS247圖4-4七段數(shù)碼管顯示譯碼電路表4-1列出了七段顯示譯碼電路真值表，表示出了它與數(shù)碼管之間的關(guān)系。表4-1七段顯示譯碼電路真值表4.5三態(tài)門74LS245的引腳圖及引腳功能74LS245874LS2454-5其中芯片引腳為芯片使能端（有的標為|EN，為低電平時，緩沖器才能工作。DIRDIR=0BADIR=1時，信號由A向B傳輸；為高電平時，A、B均為高阻態(tài)。圖4-574LS245的引腳圖4-6觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)及功能根據(jù)邏輯功能的不同分為：RSJK觸發(fā)器、T觸發(fā)器、DRS4-64-7RS4-7定時系統(tǒng)設(shè)計圖交通燈控制系統(tǒng)要有一個能自動裝入不同定時時間的定時器，以完成40秒和5秒的定時任務(wù)。該定時器由兩片CD4029構(gòu)成的二位十進制可預(yù)制減法計數(shù)器完成；定時狀態(tài)由兩片74LS48和兩只LED數(shù)碼管對減法計數(shù)器進行譯碼顯示；預(yù)置到減法計數(shù)器的時間常數(shù)通過三片 8路雙向三態(tài)門74LS245來實現(xiàn)。三片74LS245的輸入數(shù)據(jù)分別接入40和5兩個不同的數(shù)字，任一輸入數(shù)據(jù)到減法計數(shù)器的置入由狀態(tài)譯碼器的輸出信號來控制不同74LS245的選通信號來實現(xiàn)。例如：當狀態(tài)控制器在S1(Q2Q1=01)或在S3(Q2Q1=11)時要求減法計數(shù)器按初值5開始記數(shù)，故采用S1、S2為邏輯變量而形成的控制信號Q1去控制輸入數(shù)據(jù)接數(shù)字5的74LS245的選通信號。由于74LS245選通信號要求低電平有效，故Q1經(jīng)一級反向器后輸出接相應(yīng)的 74LS245的選通信號。同理，輸入數(shù)據(jù) 40的三態(tài)門74LS245的選通信號用主干道綠燈信號與輔助控制器的主干道有人控制信號的或輸出來控制。譯碼顯示電路由兩片74LS248芯片（譯碼、兩片CD4029芯片（減計數(shù)、三片74LS245芯片（預(yù)置數(shù)）和兩個共陰極，顯示時間）組成。同時在本系統(tǒng)中應(yīng)用短導(dǎo)線將控制板的信號引至顯示板上74LS48驅(qū)動能力有限故實際用8個74LS48驅(qū)動?xùn)|西南北四個方向共8個LED數(shù)碼管74LS245只能為提供初始數(shù)用，它由三態(tài)門電路封裝而成，當控制端為低電位時，初始化數(shù)值為事先設(shè)置好的數(shù)值。第五章 秒脈沖發(fā)生器設(shè)計產(chǎn)生秒信號的電路有多種形式，本設(shè)計是利用555定時器組成的秒信號發(fā)生器。555定時器介紹555可靠、使用靈活，只要外部配上適當阻容元件，就構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。NE555的特點NE555NE555555IC的其中ICNE555的特點：可由幾微秒至幾小時之久。它是操作電源電壓范圍極大，可與TTL，CMOS出準位及輸入觸發(fā)準位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。它是計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。555定時器的引腳排列圖555定時器構(gòu)成的秒信號發(fā)生器555有出入，但是可以通過校時裝置校時。它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時毋須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自動振蕩。用555設(shè)計秒信號發(fā)生器需要外接電阻C+3V+3V的電源，就能在35-3。5-3秒脈沖電路圖秒信號發(fā)生器工作原理接通電后，它經(jīng)過電阻R1R2C充電，當Uc2/3VccC1的輸出為“00Uo為“0Q=1TCR2T放電，UcUc1/3Vcc時，比較器C201Uo01Q=，放電管T截止，VccR1R2C充電。如此重復(fù)上述過程，Uo為連續(xù)的矩形波。第一個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度Ttp，即Uc從1/3Vcc所需的時間：Tp1≈（R1+R2）C㏑2=0.7（R1+R2） （5-1）第二個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度即Uc從2/3Vcc放電下降到1/3Vcc所需要時間： Tp2≈R2C㏑2=0.7R2C （5-2）振蕩周期 T=Tp1+Tp2≈0.7（R1+2R2）C （5-3）振蕩頻率 f=1/T=1.43/(R1