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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电压由三个严格 相等的 5k 欧电阻分压提供,因此,称为 555 集成电路。在应用中都是一样的效 果。 555 是一种时基电路, 能在 4.5——18V 电源电压下工作, 输出电瓶可与 TTL、 CMOS、HTL 逻辑电路兼容,定时或震荡精度仅与外接元件特性有关,具有 200mA 的吸入或供出电流, 可直接推动扬声器, 电感等低阻抗负载。 还可以在仪器仪表、 自动化装置和各种电器中作定时和时间延迟等控制。在电路中可做单稳态、多谐 振荡器、脉冲发生器、脉冲检测器。脉冲宽度和位置的调至电路以及报警器,应 用极其广泛。

5.2 NE555 的特点
本设计用 NE555 来设计秒脉冲发生器。NE555 是属于 555 系列的计时 IC 的 其中的一种型号,555 系列 IC 的接脚功能及运用都是相容的,只是型号不同的 因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同。下面是 NE555 的 特点: 1.只需简单的电阻器、 电容器, 即可完成特定的振荡延时作用。 其延时范围极广, 可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源电压范围极大,可与 TTL,CMOS 等逻辑电路配合,也就是它的输 出准位及输入触发准位,均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大,可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳,且价格便宜。 5.静态电流 最大值 VCC = 5 V, RL = ∞ =6mA RL = ∞ =15mA。 VCC =15 V,

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5.3 555 定时器的引脚排列图及引脚功能

图 5-1 555 的内部电路图

图 5-2 555 定时器引脚排列图

555 定时器各引脚的功能如下: 1 端 GND 为接地线; 2 端 TR 为低电平触发端, 也称为触发输入端。 当 2 端的输入高电压高于 VCC/3 时, C2 输出为 1;当输入电压低于 VCC/3 时,C2 的输出为 0,使基本触发器置 1;3 端 OUT 为输出端; 4 端 RT 是复位端,当 R =0 时,基本触发器直接置 0,使 Q=0, Q =1; 5 端为电压控制端,如果 C0 端另加控制电压,则可以改变 C1,C2 的参考电压。工
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作中不使用 C0 端时,一般都通过一个 0.01uF 的电容接地,以防旁路干扰; 6 端 TH 为高电平触发端,当输入电压低于 2VCC/3 时,C1 的输出为 1;当输入电压 高于 2VCC/3 时,C1 的输出为 0,使基本触发器置 0,即 Q0=0, Q =1,这时定时器 输出 U0=0; 7 端 D 为放电端,当基本触发器的 Q =1 时,放电晶体管 T 导通,外接电容元件通 过 T 放电; 8 端 VCC 为电源端,可在 4.3-1.6V 范围内使用,若为 CMOS 电路,则 VCC=3-18V。 表 5-1 为 555 的功能表,它全面表示了 555 的基本功能。
表 5-1 555 功能表

5.4 555 定时器构成的秒信号发生器
采用 555 设计的秒信号发生器及其工作波形, 其振荡频率与实际的数字钟频 率略有出入, 但可以通过校时装置校时。 它没有稳定状态, 同时毋须外加发脉冲, 就能输出一定频率的矩形脉冲[8](自激振荡) 。用 555 设计秒信号发生器需要外 接电阻 R1,R2 和电容 C,并外接+3V 的直流电源。只需在+VCC 端接上+3V 的电源, 就能在 3 脚产生周期性的方波。秒脉冲电路如图 5-3,波形图如图 5-4。

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图 5-3 秒脉冲电路图

图 5-4 波形图

5.5 秒信号发生器工作原理
接通电后,它经过电阻 R1 和 R2 对电容 C 充电,当 UC 上升略高于 2/3VCC 时

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,比较器 C1 的输出为“0” ,将触发器置“0” ,U0 为“0” 。这时, Q =1,放电管 T 导通,电容 C 通过 R2 和 T 放电,Uc 下降。当 Uc 下降略低于 1/3VCC 时,比较器 C2 的输出为“0” ,将触发器置“1” , U0 又由“0”变为“1” 。由于 Q =0,放电管 T 截止,VCC 又经过 R1 和 R2 对电容 C 充电。如此重复上述过程,U0 为连续的矩形波。 第一个暂稳状态的脉冲宽度 tp1, 即 Uc 从 1/3VCC 充电上升到 2/3VCC 所需的时间: tp1≈(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2) (5-1)

第二个暂稳状态的脉冲宽度 tp2, 即 Uc 从 2/3VCC 放电下降到 1/3VCC 所需的时间: tp2≈R2Cln2=0.7R2C 振荡周期 (5-2) T= tp1+ tp2≈0.7(R1+2 R2)C (5-3) 振荡频率 (5-4) 占空比 q=
t P1 T

f=

1.43 1 = T (R 1 ? R 2 )C

(5-5)

由式可得,占空比大于总是>%50。若设占空比=%50,又知交通信号灯的振荡 周期是 1s,可得到本次所需要的元器件阻值: .R1≈39KΩ R2≈51KΩ C≈10uF C0≈10nF

第六章
6.1 仿真软件介绍

仿真软件介绍及仿真分析

Multisim 是加拿大图像交互技术公司(Interactive Image Technoligics 简称 IIT 公司)推出的以 Windows 为基础的仿真工具, 适用于初级的模拟/数字电 路板的设计工作。 它包含了电路原理图的图形输入、 电路硬件描述语言输入方式, 具有丰富的仿真分析能力。 工程师们可以使用 Multisim 交互式地搭建电路原理图,并对电路行为进行 仿真。 Multisim 提炼了 SPICE 仿真的复杂内容, 这样工程师无需懂得深入的 SPICE
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技术就可以很快地进行捕获、 仿真和分析新的设计, 这也使其更适合电子学教育。 通过 Multisim 和虚拟仪器技术,PCB 设计工程师和电子学教育工作者可以完成 从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。 Multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真,能够快速、轻松、高 效地对电路进行设计和验证。凭借 Multisim,可以立即创建具有完整组件库的 电路图,并利用工业标准 SPICE 模拟器模仿电路行为[9]。借助专业的高级 SPICE 分析和虚拟仪器,能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证,从而缩短建 模循环。Multisim 帮助工程师优化电路设计,减少错误和原型重复。Multisim 可以与新的 NI Ultiboard11 软件结合,为工程师提供高性价比、端对端原型平 台。 Multisim 是一个用于电路设计和仿真的 EDA 工具软件,由于其强大的功能, 形象生动的仿真效果,友好的界面,丰富的元件库和仪表库,在我国各级各类学 校得到广泛的推广应用,尤其是电类专业可以将其作为电子电路的教学示教、仿 真实验、电子电路的设计等。Multisim 软件以图形化的方式消除了传统电路仿 真的复杂性,帮助教育工作者、学生和工程师使用先进电路分析技术。由于 Multisim 的交互式组件、模拟驱动仪器、实际的模拟和数字测量的整合,使 Multisim 在学术界、专科技术院校和大学获得了广泛应用。

6.2 仿真调试交通信号灯状态控制器
将秒信号引入状态控制器脉冲输入端,在该脉冲作用下,观察主控制器的状 态是否是按 00、01、10、11、00 的规律变化,如果不是这样就应查找原因。交 通信号灯状态控制器仿真电路如图 6-1 所示:

图 6-1 状态控制器仿真电路

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由于仿真软件中秒脉冲信号发生器产生的仿真秒脉冲信号太慢, 为了加快调 试速度,在交通信号灯状态控制器仿真电路中用信号发生器代替秒脉冲信号,信 号发生器频率设置为 100Hz。为了观察起来直观,在输出端接有指示灯,用来观 察 4029BD 的输出信号。同时需要注意,仿真电路中的 4029BD 与 CD4029 芯片只 是标注有所不同,功能是完全相同的。简要说明如下:CP 为时钟脉冲输入端, UD 为加/减计数控制端 BIND 为二进制/十进制计数端,PE 为置数控制端,CI 为 计数控制端,Q3、Q2、Q1、Q0 为计数输出端,TC 为进位输出端,P3、P2、P1、 P0 为置数输入端[10]。仿真电路中 4029BD 的计数输出端为 Q3、Q2、Q1、Q0。逻 辑原理图中的 CD4029 输出端为 Q4、Q3、Q2、Q1,这一点特别需要注意。仿真图 采用的是和原理图相同的引脚进行连接的,但标号是不一样的。

6.3 仿真调试交通信号灯显示电路
这部分仿真电路是交通信号灯状态控制器与交通信号灯显示电路相连接后 的测试电路。其中对于支干道的交通信号灯标注,由于 Multisim10 软件的问题 (不支持同一字符的多次标注), 只能标注成小写的 rl (红灯)、 yl(黄灯)、 gl (绿 灯)。测试的目的是检查 6 个发光二极管是否按设计要求发光。参照图 3-3 所示 的交通信号灯状态译码电路进行仿真测试,仿真电路如图 6-2 所示:

图 6-2 交通信号灯显示电路仿真
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6.4 仿真调试交通信号灯定时电路
参照图 4-8 所示的交通信号灯定时电路进行仿真测试,仿真调试定时电路 时,将秒信号引入定时系统电路的脉冲输入端,指示灯 X2 作为一种状态的指示, 接在仿真测试线路上,它的作用是显示当某一种计数倒计时为 0 的时候,指示灯 的连接端会输出一个脉冲. 指示灯 X2 会闪亮一下。 在整个交通信号控制系统中, 该处的脉冲信号就是控制交通信号灯状态变化的脉冲信号。为了加快调试速度, 用信号发生器产生的信号代替秒脉冲信号, 然后在 74LS245 的使能控制端接 3 个 开关,当开关依次接低电平时,计数器应以 5、20、30 送给计数器进行倒计数。 两位数码管应有相应显示,否则查找原因。在仿真电路如图 6-3 所示:

图 6-3 交通信号灯定时部分仿真电路

6.5 仿真调试秒脉冲发生器
秒脉冲信号发生器的仿真电路如图 6-4 所示。 用示波器监视秒脉冲发生器的 输出,调节电位器 RW,使输出信号的周期为 1s。

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图 6-4 秒脉冲信号发生器仿真电路

示波器的输出波形如图 6-5 所示:

图 6-5 示波器输出波形图
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由图可知,该脉冲信号约为 1s,符合设计要求。

6.6 仿真调试整个系统
各单元电路均能正常工作后,再把各个单元电路互相连接起来,进行系统总 调。电路如图 6-6 所示:

图 6-6 总电路





本系统由数字电路组成,整个系统主要由定时系统、状态控制器,状态显示 电路及秒脉冲发生器组成。定时系统用两片 CD4029 构成 2 位十进制可预置减法 计数器,时间显示状态由两片中规模集成电路 74LS47 和两个共阳极 LED 七段数 码管进行译码显示,预置到减法计数器的时间常数通过三片 8 路双向三态门 74LS245 来设定。状态控制器以 CD4029 为核心。状态显示电路用发光二极管来 模拟交通灯。秒脉冲发生器以 NE555 芯片为核心,设计产生周期为 1s 的秒冲。 从而设计出主干道交替通行的交通灯控制系统。 在设计一个较大的电路系统时,每一个环节都是很重要的,先要有一个较为 合理的原理图,然后才能对原理图中的每一部分进行仿真修改,这往往不是一蹴 而就的,需要不断地反复。先对单元电路进行仿其分析,再对总体电路进行仿真 分析。仿真调试时,要把整个电路分成几块,每块单独调试,这样才能减少故障 率,提高调试的效率。

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参考文献
[1] 郭玉平. 探讨交通信号灯. 北京, 北京工业技术出版社, 2005. [2] 余华,岳秋琴. 电子设计自动化技术的发展及在现代数字电子系统设计中的应用. 现 代电子技术, 2001, 12(5) :167—170. [3] 何小艇. 电子系统设计. 浙江, 浙江大学出版社, 2004. [4] 林红. 数字电路与逻辑设计. 北京, 清华大学出版社, 2009. [5] 周伟. 交通信号灯的设计原理. 上海, 上海光源研究所, 2006. [6] 李青. 电路与电子技术基础. 浙江, 浙江科学技术出版社, 2005. [7] 谢自美. 电子线路设计·实验·测试. 武汉, 华中科技大学出版社, 2001. [8] 2009. [9] 刘鸣. 电子线路综合设计实验教程. 天津, 天津大学出版社, 2008. [10] 庄俊华. multisim9 入门及应用. 北京, 机械工业出版社, 2008. 骆新全 . 吴小泉 . 李行星 . 电子电路与系统实验 . 北京 , 中国广播电视出版社 ,

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电子信息技术在智能交通信号灯控制中的应用
1 引言 城市化进程的日益加快和汽车的日益普及,事故频发、交通拥挤加剧、路况 日益恶化,交通问题已经成为困扰全世界的严重问题。由此导致的交通秩序的恶 化已严重影响了现代化的城市建设和国民经济的发展。研究车辆的通行规律,根 据实际情况制定相应的通行规则对缓解交通阻塞, 提高路口车辆通行的效率具有 非常重要的现实意义。交通信号灯是管理交通网络的最重要元素,而街道各路口 又是车辆通行的关键所在。随着电子信息技术的迅猛发展,其相关的虚拟仪器技 术在数据采集、自动测试和仪器控制领域得到广泛应用,使测试系统和测量控制 的设计方法与实现技术发生了深刻的变化。 “软件就是仪器”已经成为测试与测 量技术发展的重要标志。 2 基于电子信息技术的虚拟仪器技术发展及应用分析 基于电子信息技术的虚拟仪器技术是新世纪科学技术中的核心技术之一, 它 包含了计算机技术、自动控制技术、信息技术、电子技术等多方面。美国国家仪 器公司于20世纪80年代中期首先提出基于计算机技术的虚拟仪器的概念, 把虚拟 测试技术带入新的发展时期,随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟器。虚 拟仪器突破了传统电子仪器以硬件为主体的模式, 实际上是一种基于计算机的自 动化测试仪器系统。 虚拟仪器通过软件将计算机硬件资源与仪器硬件有机地融合 为一体,从而把计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在 一起,大大缩小了仪器硬件的成本和体积,并通过软件实现对数据的显示、存储 以及分析处理。 虚拟仪器是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。通过应用程序将通用计 算机和功能模块硬件结合起来,用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算 机,完成对测试数据的采集、分析、判断、显示和数据处理等功能。虚拟仪器系 统中的硬件仅仅是为了解决信号的调理和输入输出。与传统的电子仪器相比,虚 拟仪器以软件取代了部分的硬件,用软件实现了数据读取、数据分析处理、数据 显示等传统仪器只能用硬件实现的功能。 虚拟仪器通过友好的图形界面操作这台 计算机,就像在操作自己定制的一台传统仪器一样。它以透明的方式把计算机资 源和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起,通过软件实现数据的分析处理、表 达。以这种方式构成的虚拟仪器系统实质上就是计算机仪器系统,从某种意义上 来说,“软件就是仪器”。虚拟仪器具有以下一些特点: (1)仪器的功能和性能的实现大多采用硬件软件化或以软件代硬件技术来完成 复杂的控制、分析或处理等能力,强调“软件就是仪器”的新概念,在虚拟仪器 中,除了必备的硬件外,解决了传统仪器单个仪器资源不能共享的现状。
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(2)由计算机来完成显示、存储、打印及微处理器控制管理等,即无论任何功 能的仪器可利用或共享计算机的这些公共资源,而无需重复的设计。 (3)模块化、开放性、互换性的特点和资源的重复性,并可方便、经济地组建 或重构自动测试系统,用户可根据自己的需要选购不同功能的卡式或模块化仪 器,并可随测试任务的不同而灵活组合,提高仪器资源的可再用性。 (4)自定义仪器功能。传统仪器在出厂时其功能已经由厂商确定,用户不能根 据自己的需求随时进行修改,只能一机一用,而虚拟仪器则可借助通用的数据采 集装置, 编制不同的软件测试方案, 构造几乎任意功能的仪器, “软件就是仪器” 的思想在这里再次体现。 (5)使硬件测试设备与计算机之间的数据交流变得非常方便、直接和迅速。采 用虚拟仪器技术,测试设备所得的测试结果将会实时、直接地通过计算机总线传 输到计算机的内存或硬盘,供以后分析使用。这样,一方面避免了数据传输的问 题,另一方面可以充分地利用计算机的存储功能。 (6)使用人员可以通过软件编程或采用现有的分析模块,根据工程的实际需要 实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理。 3 交通信号灯控制策略及电子信息化的重要性分析 交通信号灯控制策略的目的是解决交通流问题, 并利用各种算法来最小化车 辆的旅程花费。许多交通信号灯控制器研究的焦点都是绿时的适应性,或是控制 循环的顺序。实际生活中多用固定周期控制器,这一固定周期控制器会带来交通 信号灯控制系统实现的简单化,但也会带来交通通行时间的极度浪费化。由于其 绿灯循环顺序一定,并不考虑交通信息,所以一定会有这样的情况发生:一个路 口上没有多少车辆却长久的占有绿时, 另外一个路口上有很多的车辆却无法得到 绿时只能被动的处于等待状态。为了解决固定周期控制器的种种弊端,人们对其 做了各种改进。例如针对拥挤路段绿灯周期越长越会提高性能这一特性,人们对 于繁忙路段优先考虑使其变绿。并且提出了信号灯偏移量,即定义一个周期相对 于其他交通信号灯周期开始时间的偏移量。 可以调整这个偏移量使几个交通信号 灯进行合作,例如交通信号灯同步延迟。再如针对可重复事件,引入表来记录特 殊情况的设定。 虽然这些改进已经在一定程度上优化了交通状况, 但是固定控制器的种种弊 端仍然存在。例如其参数设定工作的庞大,且控制器需要随交通情况的改变有规 则地进行更新;它对于意外事件的处理并不完善,一旦意外事件发生就需要对系 统进行大量的手工修改。虽然固定控制器可以精确的给出路口状态的持续时间, 但是仍需要调整许多细节。 随着智能性交通灯控制系统的出现给这些问题提供了解决的可能性, 即用智 能算法来解决交通控制问题。这样的智能系统可以不用考虑控制循环,如何做决

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定取决于当时交通路口的真实情况,这样可以更精确的控制。按照是否加入智能 算法可以将交通信号灯控制策略分为2种:传统控制策略、智能控制策略。其中 传统控制策略包括: 固定周期、 最长等待队列、 相对最长等待队列控制策略等等; 智能控制策略的核心算法包括:模糊逻辑、遗传算法、收益桶算法、改进的强化 学习算法、神经网络及这几种算法的不同组合与优化。 电子信息技术的快速发展使其在智能交通灯控制应用方面越来越广泛, 这主 要是由于其技术的优势所决定,即用户可以通过电子定义自己的专用仪器系统, 且功能灵活,很容易构建,所以应用极为广泛,尤其在科研、开发、测量、检测、 计量、测控等领域更是不可多得的好工具。电子信息技术先进,十分符合国际上 流行的“硬件软件化”的发展趋势,因而常被称作“软件仪器”。尤其电子信息 技术支撑下的虚拟仪器技术功能强大,可实现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信 号发生器等多种普通仪器全部功能, 配以专用探头和软件还可检测特定系统的参 数,如汽车发动机参数、汽油标号、炉窑温度、血液脉搏波、心电参数等多种数 据;它操作灵活,完全图形化界面,风格简约,符合传统设备的使用习惯,用户 不经培训即可迅速掌握操作规程;它集成方便,不但可以和高速数据采集设备构 成自动测量系统,而且可以和控制设备构成自动控制系统。 随着计算机技术在测绘系统的广泛应用, 传统的仪器设备缺乏相应的计算机 接口,因而配合数据采集及数据处理十分困难,而且,传统仪器体积相对庞大, 多种数据测量时常感到捉襟见肘,手足无措。我们常见到交通通信线路上交错的 线缆和繁多待测器件, 然而在集成的电子信息技术下的虚拟测量系统不但使测量 人员从繁复的仪器堆中解放出来,而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据 处理。其方便之极固不必多言,而设备成本的大幅降低却不可不提。 基于电子信息的智能交通灯控制系统可实现3种颜色灯的交替点亮,通过信 息提示指挥车辆和行人安全通行,并能实时监测交通灯工作状态。该系统不仅编 程简单、灵活,具有较高的可靠性,而且成本低,具有良好的经济效益。





在郑艳老师的精心指导和大力支持下,我才得以完成这篇论文。郑老师严谨 求实的治学态度、孜孜以求的工作作风,我在论文的不断修改过程中更是耳濡目 染,深受感动。通过老师的不断指导,使我对自己的选题有了更深刻的认识,并 且收获的不仅仅是知识方面的,郑老师的治学态度于我也是一笔财富,我会好好 珍惜这次收获的。 同时,对身边的同学也表示感谢,对于我的论文中某些观点提出的修改建议 对我而言,获益颇多。 最后,再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢!
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