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基于单片机的交通信号灯的设计


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 郑 艳

指导老师:

2014 年 3 月 18 日

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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

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第一章



绪论 ?????????????????????? 1

1.1 交通信号灯控制系统研究的背景和意义???????????? 1 1.2 交通信号灯控制系统设计方案????????????????? 1

第二章

状态控制器设计 ????????????????? 4

2.1 状态分析?????????????????????????? 4 2.2 CD4029 的引脚图及引脚功能?????????????????4 2.3 状态控制器设计图?????????????????????? 5

第三章

状态译码器设计 ????????????????? 6

3.1 控制信号灯的译码电路的真值表????????????????6 3.2 电路分析?????????????????????????? 6 3.3 三态门的功能???????????????????????? 7 3.4 状态译码器设计图?????????????????????? 7

第四章

定时系统设计 ?????????????????? 9

4.1 计数器的作用及工作情况?????????????????? 9 4.2 共阳极 LED 七段数码管引脚图????????????????? 9 4.3 74LS247 译码器引脚图及引脚功能?????????????? 10 4.4 数码连接译码电路?????????????????????? 11 4.5 三态门 74LS245 的引脚图及引脚功能????????????? 12 4.6 触发器的电路结构及功能?????????????????? 12 4.7 定时系统设计图??????????????????????? 13

第五章

秒脉冲发生器设计 ???????????????? 15

5.1 555 定时器介绍??????????????????????? 15
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5.2 NE555 的特点???????????????????????? 15 5.3 555 定时器的引脚排列图及引脚功能??????????????16 5.4 555 定时器构成的秒信号发生器????????????????16 5.5 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 ????????????? 20

6.1 仿真软件介绍???????????????????????? 20 6.2 仿真调试交通信号灯状态控制器????????????????20 6.3 仿真调试交通信号灯显示电路????????????????? 21 6.4 仿真调试交通信号灯定时电路????????????????? 22 6.5 仿真调试秒脉冲发生器???????????????????? 23 6.6 仿真调试整个系统?????????????????????? 25

总结?????????????????????????? 26 参考文献???????????????????????? 27 附录?????????????????????????? 28 谢辞?????????????????????????? 36

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天津工业大学 2011 届本科生毕业设计(论文)

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。

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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:

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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。

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第二章
2.1 状态分析

状态控制器设计

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。

2.2 CD4029 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, C i 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。
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图 2-2 CD4029 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

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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· Q1 + Q2·Q1=Q2 Y= Q 2 ·Q1 G= Q 2 · Q1 r= Q 2 · Q1 + Q 2 ·Q1 = Q 2 y= Q2·Q1 g= Q2· Q1
R =Q 2
Y = Q 2 ? Q1
G = Q 2 ? Q1
r =Q 2
y = Q2 ? Q1
g = Q 2 ? Q1

(3-1) (3-2) (3-3) (3-4) (3-5) (3-6)

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端的与非门。 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
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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), 它是在普通门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)[6]。在高阻态时,其输出与外接电路呈断开状态。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 EN=1 时,与普通与非门 的逻辑功能相同:当 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 EN =0 时,与普通与非门 的逻辑功能相同;当 EN =1 时,不论 A、B 的状态如何,输出为高阻态。 因此,当 Q1 为高电平时(Q1 为低电平,控制三态门的 EN,将秒脉冲信号引到驱动 红灯的与非门的输入端,使红灯在黄灯亮期间闪烁;反之将其隔离,使红灯信号 不受黄灯信号的影响。

3.4 状态译码器设计图
输出端选择发光二极管来模拟交通灯, 由于门电路带灌电流的能力一般比带 拉电流的能力强,要求门电路输出低电平时,点亮相应的发光二极管,故交通信 号灯状态译码电路组成如图 3-3 所示:

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图 3-3 交通信号灯状态译码电路

第四章

定时系统设计

根据设计要求,交通灯控制系统要有一个能自动置入不同定时时间的定时 器,以完成 30s、20s、5s 的定时任务。该定时器由两片 CD4029 构成的 2 位十 进制可预置减法计数器构成,时间显示状态由两片 74LS47 和两只共阳极 LED 七 段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 3 片 8 路双向三态门 74LS245 来设定。3 片 74LS245 的输入数据分别接入 30、20、5 这 3 个不同的数字,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。

4.1 计数器的作用及工作情况
计数器的作用: 一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的 要求,进行 30s、20s、5s 3 种方式的计数;二是向主控制器发出状态转换信号, 主控制器根据状态转换信号进行状态转换。 计数器除需要秒脉冲作时钟信号外,还应受主控制器的状态控制。计数器的 工作情况为:计数器在主控制器进入状态 S0 时开始 30s 计数;30s 后产生归零脉 冲,并向主控制器发出状态转换信号,使计数器归零,主控制器进入状态 S1,计 数器开始 5s 计数;5s 后又产生归零脉冲,并向主控制器发出状态转换信号,使
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计数器归零,主控制器进入状态 S2,计数器开始 20s 计数;20s 后也产生归零脉 冲,并向主控制器发出状态转换信号,使计数器归零,主控制器进入状态 S3,计 数器又开始 5s 计数; 5s 后同样产生归零脉冲, 并向主控制器发出状态转换信号, 使计数器归零,主控制器回到状态 S0,开始新一轮循环。本设计由两片 CD4029 构成的 2 位十进制可预置减法计数器来进行倒计时,由于 CD4029 功能前面已经 写出,此处不再缀余。

4.2 共阳极 LED 七段数码管引脚图
数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接,则对应阳极接 高电平的字段发光;而显示器共阴极连接,则接低电平的字段发光。共阳极数码 管引脚如图 4-1 所示,内部结构如图 4-2 所示:

图 4-1 共阳极数码管引脚图

图 4-2 共阳极数码管内部结构

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4.3 74LS47 译码器引脚图及引脚功能
中规模集成电路 74LS47 是一种常用的 7 段显示译码器,74LS47 是输出低电 平有效的七段字形译码器,它在这里与数码管配合使用,即输出为 0 时,对应字 段点亮;输出为 1 时,对应字段熄灭,所以驱动的是共阳极的 7 段显示器。该 译码器能够驱动 7 段显示器显示 0~15 共 16 个数字的字形。输入端 A1、A2、A3 和 A4 接收 4 位二进制码,输出端 Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf 和 Qg 分别驱动 7 段显 示器的 7 段。译码显示原理图如图 4-3 所示:

图 4-3 译码显示原理图

74LS47 主要引脚功能如下: (1) LT :试灯输入,是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当 LT =0 时,无论输入 A1,A2 ,A3 ,A4 为何种状态,译码器输出均为低电平,即 a、b、c、 d、e、f、g 均输出为零,,发光数码管各发光段全亮,显示 8 字用以检查数码管 各发光段是否良好。当 LT ,=1 时,译码器按输入 BCD 码正常译码显示。 (2) BI :灭灯输入,是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。 BI =0 时。不论 LT 和输入 A1,A2 ,A3 ,A4 为何种状态,译码器输出均为高电平,即 a、b、c、d、e、 f、g 均输出为 1,使共阳极 7 段数码管熄灭。只有 BI =1 时,译码器才根据 A、B、 C、D 输入状态而译码输出。 (3) RBI :灭零输入,它是为使不希望显示的 0 熄灭而设定的。当 RBI =0 时,若 输入 DCBA=0000,则输出不显示 0,若输入为其它带码,则照常显示。 (4) RBO :灭零输出,它和 BI 共用一个引脚,它既是灭灯输入端用来接收信号, 又是灭零输出端输出信号,为相邻位提供灭零输入信号,用它可以实现多位数码 显示的灭零控制。 (5) 常用的七段显示器还加了小数点 DP。

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4.4 数码连接译码电路
74LS247 是一种 BCD 码输入端,其中 D 是高电位,a、b、c、d、e、f、g 是输 出端,输出低电平有效,和共阳极半导体发光数码管各发光段的阴极引出线相互 连接, 74LS47 译码器原理译码为编码的逆过程。 它将编码时赋予代码的含义“翻 译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对 应关系。图 4-4 是 74LS247 和数码管的管脚排列图。

图 4-4 七段数码显示器译码电路

表 4-1 列出了七段显示译码电路真值表,表示出了它与数码管之间的关系。
表 4-1 七段显示译码电路真值表

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4.5 三态门 74LS245 的引脚图及引脚功能
74LS245 是我们常用的芯片,用来驱动发光二极管或者其他的设备,尾带 三态输出的 8 位双向数据缓冲器,专用于数据双向传输。74LS245 芯片引脚如图 4-5 所示。其中芯片引脚 G 为芯片使能端(有的标为 EN ), G 为低电平时,缓冲 器才能工作。 DIR 为传输方向控制端, 当 DIR=0 时, 信号由 B 向 A 传输, 当 DIR=1 时,信号由 A 向 B 传输; G 为高电平时,A、B 均为高阻态。

图 4-5 74LS245 的引脚图

4.6 触发器的电路结构及功能
根据逻辑功能的不同分为: RS 触发器、 JK 触发器、 T 触发器、 D 触发器。 本设计用到的是 RS 触发器, 图 4-6 和 4-7 分别是 RS 触发器的电路结构和图形符 号。

图 4-6 电路结构

图 4-7 图形符号

SR 锁存器的特性表如表 4-2 所示:

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天津工业大学 2011 届本科生毕业设计(论文) 表 4-2 SR 锁存器特性表

SR 锁存器在电路中的作用是保证数码管显示数字的时间间隔为 1s。

4.7 定时系统设计图
当状态控制器在 S1 (Q2Ql =01)或在 S3(Q2Ql=11)时. 要求减法计数器按初值 5 开始计数,故采用 S1、S3 为逻辑变量而形成的控制信号 Q1 去控制输入数据接数字 5 的 74LS245 的选通端[7]。由于 74LS245 选通信号要求低电平有效,故 Q1 经过一 个非门输出后接相应 74LS245 的选通控制端。 。 所设计的定时系统如图 4-8 所示:

图 4-8 定时系统设计图

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第五章

秒脉冲发生器设计

产生秒信号的电路有多种形式, 本设计是利用 555 定时器组成的秒信号发生 器。

5.1 555 定时器介绍
555 定时器是一种模拟和数字电路混合的中规模集成电路。它结构简单、性 能可靠、使用灵活,只要外部配上适当阻容元件,就构成脉冲产生和整形电路。 在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了 应用。 在市面上可以看到 NE555,CA555,HA555,FX555,SN52555/SN72555、MCI555、 TA555、 5G1555 等, 但是尽管不同厂家生产的产品在结构和参数方面可能有差别, 但在产品中都保留了 555 数字, 即片内的两个电压比较器的基准