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巧妙地采用交通信号灯了 8 总线收发器和
(完整版)交通信号灯控制电路设计_交通运输_工程科技_专业资料。应天职业技术学院毕业论文 目录 1．综述 …………………………………………………2 1.1 设计任务…………………………………………………....3 1.2 基本要求……………………………………………
应天职业技术学院毕业论文 目录 1．综述 …………………………………………………2 1.1 设计任务…………………………………………………....3 1.2 基本要求…………………………………………………...3 2．工 作 原 理………………………………………..4 2.1 整体方框图………………………………………………...4 2.2 整机工作原理……………………………………………...5 3．分机电路设计与计算………………………………5 3.1 秒信号产生器……………………………………………...5 3.2 状态控制器设计…………………………………………...6 3.3 状态译码器………………………………………………...7 3.4 定时系统…………………………………………………...8 3.5 元件功能介绍……………………………………………..10 4．整机电原理图……………………………………...14 5 . 调试要点…………………………………………...15 6．元器件清单…………………………………………16 7．总结…………………………………………………16 8．参考资料...................................................................17 1 应天职业技术学院毕业论文 摘要 随着现代城市交通的日益拥挤，一个有效的交通指挥系统对人们的安全出行、 交通流量的提升和出行效率的提高日见重要，交通灯指挥系统是这一指挥系统 基层、分布面广的重要组成部分之一。 本课程设计就交通灯控制电路的一个实用方案作了详细的分析与设计，它结 合我们在校所学的模拟电子、数字电子、计算机等有关学科的知识，并参考了许 多实用的参考方案，在此基础上，综合利用了数字逻辑功能这一强大工具，引入 了电子设计自动化技术，还运用了 protel 软件等手段来完成电路方案及 PCB 印制 板的设计。本设计方案比较新颖，巧妙地采用了 8 总线收发器和可预制可逆计数 器，使设计更灵活，而且还设置了完整的倒计时功能设计，因而控制和显示方案 具，更主要的优点是功能已接近软件设计，可按需要较容易地变化通行时间或 扩展功能，本文所设计的方案完善，具有较好的实用价值。 关键词 状态控制器 定时系统 秒脉冲发生器 译码器 计时器 2 应天职业技术学院毕业论文 前言 随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻 常老百姓的家庭，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许 多大城市如北京、、南京等均出现了道路交通超负荷运行的情况。所以，如何采用 合适的控制方法，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。在这 种情况下，道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用，并已成为交管部门管理交通 的重要工具之一。交通控制器的设计有采用软硬件两种方案。一般来说，采用软件的方 案可通过编制程序的方法灵活满足各种用户的要求，不需要改变硬件结构，但成本相对 要高一些；而采用数字电路的硬件方案也能较好地满足要求，且各种实现的方案也很多， 但硬件的方案往往随设计参数要作一定的变化，所以灵活性较差。这次毕业设计我采用 数字电路的设计方案，以便更好地巩固在校所学的知识，将理论应用于实践。在以往交 通控制器的方案选择中，采用移位寄存器的方案较多，本设计方案比较新颖，采用 8 总 线收发器和可预制可逆计数器，使参数按设计需要变更更灵活，而且还设置了完整的倒 计时功能设计，因而控制和显示方案具，具有很好的实用价值。 1．综述 1.1 设计任务 设计一个十字路通灯信号控制器，控制车辆安全快速的通过。 1.2 基本要求 为了确保车辆安全快速的的通行，在十字交叉路口的每个入口处设置红，绿，黄三 种信号灯，并安装时间数字时间显示，来达到下列的基本要求： 红灯表示禁止通行，绿灯表示允许通行，黄灯提醒司机把车辆停靠在禁行线以内。 东西，南北各干道交替通行，各干道放行 30 秒 3 应天职业技术学院毕业论文 当绿灯即将变为红灯时，黄灯开始闪烁 2 秒 十字路口的数字时间显示以秒为单位，使人们能够直观地把握时间。 2． 工作原理 2.1 整体方框图 交通灯信号控制器的控制方案图如下： 译码显示器 南北干道信号灯 东西干道信号灯 减法计数器 状态译码器 交通灯控制器 置数控制 状态控制器 秒脉冲发生器 表２.１交通灯控制方案图 由上面的方案图可以看出各部分的作用如下： 秒脉冲发生器用来产生秒信号，置数控制和减法计数器共同构成倒计时装置，减法 计数经译码显示器将实时显示时间，提供行人直观的时间概念。而状态控制器的作用是 记录十字路通灯的工作状态，通过状态译码器分别点亮相应状态的信号灯，使某种 状态持续一段时间，而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 码器根据下一个工作状态决定计数器下一个减计数器的初始赋值，从而进入下一个工作 4 状态，如此不断循环。 应天职业技术学院毕业论文 2.2 整机工作原理 交通灯工作流程表如下： 工作次序 表 2.2 交通灯工作流程表 南北干道 东西干道 时间 1 绿灯亮，允许通行 红灯亮，禁止通行 30s 2 黄灯亮，停车 红灯亮，禁止通行 2s 3 红灯亮，禁止通行 绿灯亮，允许通行 30s 4 红灯亮，禁止通行 黄灯亮，停车 2s 由上表可以看出，此交通灯应该有 30s、32s 和 2s 三种定时信号，因此定时显示电 路也应该设计三种定时情况，定时采用倒记时的方式，这里可以用二-----十进制计数器， 这里我们用 74LS192 同步加减计数器及二进制/十进制可异步置数的 CD4029 可逆计数 器来完成计数功能，并通过数码管显示出来。定时的起始信号由状态控制电路给出，当 一种定时时间结束的信号输入到状态控制电路时，由控制电路去启动、关闭三色交通灯 或启动另一种倒计时电路。 状态控制电路属于时序逻辑电路，应该按照时序逻辑电路的设计方法设计。它的输 入信号来自 30s、2s、32s 三个定时信号。其输出信号一方面经译码后分别控制东西干道 和南北干道的三个信号灯，另一方面控制定时电路的启动。 3．分机电路设计与计算 3.1 秒信号产生器 产生秒信号有各种形式的电路，在这里我们利用 555 定时器组成秒脉冲发生器，其 电路图如图 3.1 所示： 5 4 7K + 5V 5K 3 9K 7 6 3 2 NE555 4 1 秒脉冲信号 1 8 5 1 0u F SGND 图 3.1 0 . 01 uF SGND 秒脉冲发生器 应天职业技术学院毕业论文 如右图电路的输出脉冲的周期为： T≈0.7（R1+2R2）×C，若 T=1s，令 C=10μF， R1=3kΩ，则 R2≈51 kΩ。在这里我们可以用固定 电阻 47 kΩ和 5 kΩ的电位器相串联代替电阻 R2。然后 通过调节电位器来确定输出脉冲的周期为 1 秒。 3.2 状态控制器设计 根据表 2.2 交通灯工作流程表可以画出具体的交通灯顺序流程图如下表 3.2.1： 表 3.2.1 交通灯顺序流程图 南北干道绿灯亮，东西干道红灯（30 进制计数器减一） 南北干道黄灯亮，东西干道红灯亮（2 进制记数器减一） 南北干道红灯亮，东西干道绿灯亮（30 进制记数器减一） 南北干道红灯亮，支干道黄灯亮（2 进制记数器减一） 由上边的流程表可以看出，信号灯有四种不同的工作状态，在这里我们可以用 S0(南北干道绿灯亮，东西干道红灯亮)，S1(南北干道黄灯亮，东西干道红灯亮），S2 (南 北干道红红灯亮，东西干道绿灯亮），S3 (南北干道红灯亮，东西干道黄灯亮）表示，四 种工作状态的状态编码以及状态图如图 3.2.2 6 应天职业技术学院毕业论文 S0=00 3.2.2 工作状态编码的状态图 S1=01 S2=10 S3=11 由上图很容易看出这是一个二进制计数器的状态图，因此我们只需要采用一个二进 制计数器就可以完成交通灯四种工作状态的转换，在这里我们采用了 CD4029 构成状态 控制器，其电路图如 3.2.3 所示： 1 1 Q2 Q1 Q4 Q3 Q2 Q1 B/D\ +5 CD4029 U/D\ CP CI/ PE SGND 图 3.2.3 交通灯状态控制器 3.3 状态译码器 有了上面状态控制器用数字信号控制了交通灯的四个工作状态， 我们就需要设计一个译码器，将数字信号转化为南北、东西干道信号灯的状态显示 出来，而信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。对于信号灯的状态，可以 “1” 表示灯亮，“0”表示灯灭，这时信号灯的状态与状态控制器之间的关系见线 信号灯真值表 状态控制器输出 南北干道信号灯 东西干道信号灯 Q2 Q1 R（红） Y（黄） G（绿） r（红） y（黄） g（绿） 7 应天职业技术学院毕业论文 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 根据上面的真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为： R=Q2·Q1＼+Q2·Q1=Q2 R＼=Q2＼ Y=Q2＼·Q1 Y＼=（Q2＼·Q1）＼ G=Q2＼·Q1＼ G＼=（Q2＼·Q1）＼ r=Q2＼·Q1＼+Q2＼·Q1=Q2＼ r＼= (Q2＼·Q1 ) ＼ y=Q2·Q1 y＼=(Q2·Q1) ＼ g=Q2·Q1＼ g＼=(Q2 ·Q1＼)＼ 根据上面的逻辑表达式，可以设计出状态译码器，如果在找几个发光二极管我们就 可以将交通灯的状态显示出来，由于电路的带灌电流的能力一般比带拉电流的能力强， 要求当门电路输出低电平时，点亮相应的发光二极管，即为低电平有效。状态译码器的 电路组成如图 3.3.2： 图 3.3.2 交通灯状态译码器 220?? +5v 220?? R Y G LED LED LED R Y G LED LED LED &R &Y &G 1 & & 1 & & G Y R Q2 Q1 3.4 定时系统 8 应天职业技术学院毕业论文 该定时系统由定时器，时间状态显示器等部分组成，其中定时器由两片 CD4029 构 成的二位十进制可预置减法计数器完成；时间状态由两片 74LS47 和两只 LED 数码管对 减法计数器进行译码显示；预置到减法计数器的时间常数通过两片 8 路双向三态门 74LS245 来完成。根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的 定时器，以完成 30s，2s 的定时任务。将 30，2，两个不同的数字接到两片 74LS245 的输入端，任一输入数据到减法计数器的置入由状态译码器的输出信号控制不同 74LS245 的选通信号来实现。例如当状态控制器在 S1（Q2Q1=01）或在 S3（Q2Q1=11） 时，要求减法计数器按初值 2 开始计数，故采用 S1，S2 为逻辑变量而形成控制信号 Q1 去控制输入数据接数字 2 的 74LS245 的选通信号。由于 74LS245 选通信号要求低电平 有效，故 Q1 一极反相器后输出接相应 74LS245 的选通信号。同理，输入数据接 30 的 三态门 74LS245 的选通信号接南北方向绿灯信号 G：输入数据接 30 的三态门 74LS245 的选通信号接东西方向红灯信号 R。所设计的定时系统如图 3.4.1 所 示： 3.4.1 定时系统电路图 9 应天职业技术学院毕业论文 DPY a f b g e c d [LEDgn] DPY a f b g e c d [LEDgn] 6 7 4 5 2 3 1 6 7 4 5 2 3 1 LT a b c d e f g BI/RBO 7 4L S47 RBID C B A Vss 53 52 51 50 GND B/D 54 51 CO C DH4E02A9DEUR/ D3 50 LT a b c d e f g BI/RBO 7 4L S47 RBID C B A Vss 53 52 51 50 GND B/D 54 51 CO CD4 02 9 U/D 50 CP CVsLs 53 J4 PE 52 CP CVsLs 53 J4 PE 52 J2 J3 J1 J2 J3 J1 SGND 计数器信号输出 SGND 1 =1 A1 B8 A2 B7 A3 B6 A4 B5 A5 B4 A6 B3 A7 B2 VAs8s B1 A1 B8 A2 B7 A3 B6 A4 B5 A5 B4 A6 B3 A7 B2 VAs8s B1 D? 7 4L S24 5 E N +5V R/G SGND D? 7 4L S24 5 E N Y 秒脉冲信号 +5V SGND 3.5 元件功能介绍 3.5.1 CD4029 功能介绍 CD4029 是一 CMOS 电路二进制/十进制可异步置数的 可逆计数器，其功能更强。它的管脚排列图如左图所示， 功能表见下表。 10 应天职业技术学院毕业论文 CD4029 的功能表 CI＼ 1 0 0 0 0 X 输入 CP B/D＼ U/D＼ PE X X X 0 ↑ 1 1 0 ↑ 0 1 0 ↑ 1 0 0 ↑ 0 0 0 X X X 1 输出 Q0～Q3 保持不变 二进制加计数 十进制加计数 二进制减计数 十进制减计数 置数 3.5.2 74LS245 功能介绍 74LS245 是一种三态输出的 8 总线收发器，其逻辑电路图和引脚图如图 1.8（a）、 （b）所示。 该收发器有 16 个双向传送的数据端，即 A1～A8，B1～B8，另有两个控制端——使 能端 G，方向控制端 DIR，该芯片的功能见下表。 74LS245 的真值表 使能 G﹨ 方向控制 DIR 传送方向 L L B→A 11 应天职业技术学院毕业论文 L H H X 3.5.3 NE555 定时器功能介绍 VC C D IS TH Vc NE 8 7 6 5 555 555 1 2 3 4 定 G N D TR IG O U T R 时器的引脚图如左图所示， 其功能表如下表 A→B 隔开 NE555 定时器功能表 输入 输出 阈值输入（V11） 触发器输入（V12） 复位（RD） 输出（Vo） 放电管 T X X 0 0 导通 ＜2/3Vcc ＜1/3Vcc 1 1 截止 ＞2/3Vcc ＞1/3Vcc 1 0 导通 ＜2/3Vcc ＞1/3Vcc 1 不变 不变 74LS47 的外引线 应天职业技术学院毕业论文 gf 5V a b 10 9 8 7 6 a f b g e d 1 2 3 c dp 45 ed 5V c dp 接共阳极数码管相应的笔划段 V CC f ga b 限流电阻 300 8 c d e 16 15 14 13 12 11 10 9 74LS47 12345678 B C LT RBO / BI RBI D A GND 74LS47 的外引线) LT ：试灯输入， LT 0 时各笔划段全亮，显示字形“8”。 (2) BI / RBO ：作输入时为灭灯输入， BI =0 时各笔划段全灭。 (3) A、B、C、D（D 为位）输入二进制码。 (4) BI / RBO ：作为输出端使用时为动态灭灯输出，当动态灭灯输入 RBI =0，且 DCBA=0000 时， BI / RBO =0，使所有笔划段全部熄灭。 (5) a、b、c、d、e、f、g：各笔划段控制端，输出低电平时点亮相应的笔划段，需 配共阳极数码管。数码管外形图、管脚图及与 74LS47 的连接方法如下图所示。 输入 输出 CR LD CPU CPD D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 1X X XXX X X 0 0 0 0↓ 00 X 01 ↑ 01 1 01 1 X D3 D2 D1 D0 D3 D2 D1 D↓ 1 XX X X 加计数↓ ↑X X X X 减计数↓ 1 XX X X 保持 13 应天职业技术学院毕业论文 3.5.4 74LS192 功能介绍 74LS192 是一块同步 8421BCD 码加/减计数器。 其 管脚图和功能表如下 输入 输出 CR LD CPU CPD D3 D2 D1 D0 Q3 Q2 Q1 Q0 1X X XXX X X 0 00 0↓ 00 X X D3 D2 D1 D0 D3 D2 D1 D0 ↓ 01 ↑ 1 XX X X 加计数↓ 01 1 ↑X X X X 减计数↓ 01 1 1 XX X X 保持 4．整机原理图 14 应天职业技术学院毕业论文 15 &R & Y &G G Y R +5V 4 7K 5K 4 3 9K 7 6 3 2 NE555 1 秒脉冲信号 1 8 5 1 0u F SGND 0 . 01 uF SGND 2 20 Ω +5v 2 20 Ω R Y G LED LED LED R Y G LED LED LED 1 & & 1 & & DPY a f b g e c d [LEDgn] 6 7 4 5 2 3 1 LT a b c d e f g BI/RBO 7 4L S47 RBID C B A Vss 53 52 51 50 GND B/D 54 51 CO C DH4E02A9DEUR/ D3 50 DPY a f b g e c d [LEDgn] 6 7 4 5 2 3 1 LT a b c d e f g BI/RBO 7 4L S47 RBID C B A Vss 53 52 51 50 GND B/D 54 51 CO CD4 02 9 U/D 50 CP CVsLs 53 J4 PE 52 CP CVsLs 53 J4 PE 52 J2 J3 J1 J2 J3 J1 SGND 计数器信号输出 SGND 1 =1 Q2\ Q1\ Q2 Q1 1 1 Q4 Q3 Q2 Q1 B/D\ +5 CD4 02 9 U/D\ CP CI/ PE SGND 计数器信号输入 D? 7 4L S24 5 E N +5V R/G SGND A1 B8 A2 B7 A3 B6 A4 B5 A5 B4 A6 B3 A7 B2 VAs8s B1 A1 B8 A2 B7 A3 B6 A4 B5 A5 B4 A6 B3 A7 B2 VAs8s B1 D? 7 4L S24 5 E N Y 秒脉冲信号 +5V SGND 交通灯控制电路 5 . 调试要点 应天职业技术学院毕业论文 首先调试秒信号发生器。用示波器监视秒信号发生器的输出，调节电位器 RW，使 输出信号的周期为 1s。直接将秒信号引入状态控制器脉冲输入端，在脉冲作用下，模拟 各路口的三色信号灯应该按要求依次转换，否则应查找原因。将秒信号引入定时系统电 路脉冲输入端，在秒脉冲作用下，将三个 74LS245 的置数选通端依次接地，计数器应以 三个不同的置数输入为进制体制，完成减法计数，两位数码管应有相应的显示。否则应 查找原因。把各个单元电路互相连接起来，进行系统通调。 16 6．元 件 清 单 元件清单如下表所示： 应天职业技术学院毕业论文 交通灯控制电路元器件清单 序列号 名称 型号 序列号 名称 型号 1 R1 RJ-0.25-47K-±10% 11 U5、U6 74LS192 2 R2 RJ-0.25-39K-±10% 12 U7、U8 74LS47 3 Rw WS-0.5-5K-±10% 13 U9 74LS00 4 R4 RJ-0.25-0.2K-±10% 14 U10 74LS04 5 R5 RJ-0.25-0.2K-±10% 15 LED1 发光二极管(红) 6 C1 CA-25V-10UF-20% 16 LED2 发光二极管(黄) 7 C2 CA-25V-0.01uF-20% 17 LED3 发光二极管(绿) 8 U1 NE555 18 9 U2、U3 74LS245 19 10 U4 CD4029 20 7. 总结 本次设计的课题是简易交通灯，按照设计的要求，主要采用了 CD4029 四位二进制可 逆计数器来实现它的功能。我们运用所学的课本知识，以及查阅相关的文献，对设计过 程中、所遇到的问题都一一的攻破，经这次设计证明，将所学的知识和电子设计方法想 结合，大大的调动了我们学习的积极性，并有利于我们系统的科学地培养我们的实际动 手能力，工程设计能力及创新设计能力，活耀了我们的思维，既符合由简到繁，循序渐 进的教学规律，又能激发我们对电子线路设计的兴趣。 本次设计得道了老师和同学们的大力帮助，但由于本人知识水平有限，而且是进入 大学的次课程设计，总有许多的不足之处，希望各位老师能够提出宝贵的建议和批 评，这样有助于我们以后能够完成更完美的设计。 17 应天职业技术学院毕业论文 电子设计中心的各位老师给予了指导并提出了许多修改意见，本次设计完成之际， 谨向他们致以诚挚的谢意！ 8. 参考资料 何小艇，《电子系统设计》，浙江大学出版社，2001 年 6 月 姚福安，《电子电路设计与实践》，山东科技技术出版社，2001 年 10 月 王澄非，《电子与逻辑设计实践》，东南大学出版社，1999 年 6 月 李银华，《电子线路技术指导》，北京航空航天大学出版社，2005 年 6 月 康华光，《电子技术基础》，高等教育出版社，2003 年 吴立新，《实用电子技术手册》，机械工业出版社，2000 18
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