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科研训练论文
学校代码:
10128
学号:
201180204001
科研训练论文
题目:
十字路口交通灯
控制电路设计
学生姓名:
学院:
信息工程学院
班级:
指导老师:
2014年11月18日
科研训练选题申请表
学号
姓名
专业班级
论文题目
十字路口交通灯控制电路设计
具体实施方案
在深刻考虑简易城乡交通灯的基本原理、性能后,基于数字电子技术和模拟电子技术我为十字交通路的交通控制提出一个实用型的方案:
该交通灯由红、黄和绿等三种颜色12个灯组成,甲车道有红、黄、绿6个灯,同理,乙车道也有6个。
根据交通规则,当某车道红灯亮时,该车道的车子停止前行;而当绿灯亮时,则该车道的车子可以前行;而当该车道的黄灯亮时,进入缓行状态,即该车道的车子未过停车线的车子禁止前行,而已经过了停车线的车子继续前进。
再由红灯亮的时间为25s,同样绿亮25s,黄灯亮时隔5s。
由此,就这些规则,就可以用数字电子器件来实现对该交通灯的亮灭进行控制。
原理图如下所示:
交通灯数字控制电路设计
(内蒙古工业大学内蒙古10080)
摘要:
交通信号灯常用与交叉路口,用来控制车的流量,提高交叉口车辆的通行能力,减少交通事故。
有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。
本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。
主要由秒脉冲发生器、定时器、控制器、译码显示电路及夜间黄灯闪烁模式组成。
秒脉冲发生器由NE555产生脉冲,计时器由74LS160实现,控制器由74LS153和74LS74组成,译码电路采用74LS139.本设计结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理,并给出了一种简单实用的交通灯数字控制的电路设计方案。
关键词:
交通灯秒脉冲信号发生器主控器计时器译码器
中图分类号:
TP304 文献标识码:
A
TheDesignofDigitalControlCircuitforTrafficLight
(InnerMongoliauniversityoftechnologyInnerMongolia10080)
Abstract:
Traffic lights and intersection, used to control the flow of cars, improving the intersection vehicle traffic capacity, reduce the number of traffic accidents. With traffic lights safety travel has a great deal of security of people. This design through the use of traffic light control circuit design of digital circuits, make digital signal control intersection traffic light control circuit of two groups of red, yellow, and green traffic lights state transition method, commanding various vehicles and pedestrians safe passage, implementation of traffic management automation. Mainly by the second pulse generator, timers, controllers, display decoding circuit and night consisting of yellow lights flashing mode. Second pulse generator by NE555 pulse, timer is implemented by 74LS160, the controller is composed of 74LS153 and 74LS74, decoding circuit using 74L139.Thisdesignexpoundstheoperationalprinciplesofcontrolsystemoftrafficlightandgiveasimpleandpracticalcircuitdesignofdigitalcontroloftrafficlight.
Keywods:
Trafficlight;Pulsesignalgenerator;Master;Timer;Decoder
随着社会经济的发展和机动车辆的增加,城市交通问题越来越引起人们的广泛关注。
人、车、路三者关系的协调,是交通部门需要解决的关键问题,而交通灯控制系统在三者的协调中起着相当关键的作用,它用于交通数据检测、交通信号控制和交通疏导,是现代化交通控制系统中最重要的组成部分。
因此,如何设计简单、可靠、成本相对低廉的交通灯控制系统,将是此领域需要研究的重要课题[1]。
城市路口交通灯控制系统大体上分为三种类型:
定周期的信号机、多时段且具有电缆协调功能的电脑信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机[2]。
本设计属于第一种类型。
交通灯控制系统包括脉冲信号发生电路、计时电路、数字显示译码驱动电路、控制电路等几个部分,其设计结构简单、控制方法新颖、精度高、可靠性好、成本低。
1总体方案设计
在深刻考虑简易城乡交通灯的基本原理、性能后,为十字两路交道用数字电子技术和模拟电子技术提出一个实用型的方案。
该交通灯由红、黄和绿等三种颜色12个灯组成,甲车道有红、黄、绿6个灯,同理,乙车道也有6个。
根据交通规则,当某车道红灯亮时,该车道的车子停止前行;而当绿灯亮时,则该车道的车子可以前行;而当该车道的黄灯亮时,进入缓行状态,即,该车道的车子未过停车线的车子禁止前行,而已经过了停车线的车子继续前进。
再由红灯亮的时间为25s,同样绿亮25s,黄灯亮时隔5s。
由此,就这些规则,就可以用数字电子器件来实现对该交通灯的亮灭进行控制。
方案总体如下:
1.1交通灯控制系统组成
两路交通灯控制电路系统,主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。
秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源,是整控制系统的时钟;定时器是根据实际交通规则,控制各路车辆通行时间的重要器件;控制器是系统的主要部分,是接收到定时器的信号后,发出控制信息的器件;译码器是接收到控制信息后,根据控制信息输出两组信号灯的控制信号,经驱动电路后驱动信号灯工作的器件。
图1.1系统总体结构图
Fig.1.1Structurediagramofthepowercontrolunittestsystem
1.2交通灯控制系统原理图分析
如图1.1所示:
1.秒脉冲发生器能输出频率为1HZ的方波,用此方波当作整个系统的CP,也是定时器和控制器的信号源。
2.图中TL:
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒,即车辆正常通行的时间间隔。
定时时间到,TL=1,否则,tl=0。
图中TY:
表示黄灯亮的时间间隔为5秒。
定时时间到,TY=1,否则,TY=0。
图中ST:
表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。
由它控制定时器开始下个工作状态的定时。
3.甲车道信号灯和乙车道信号灯,是两路车道车子通行信号。
4.系统作用发挥主要构件:
定时器、控制器和译码器。
2设计原理分析
2.1交通灯状态状态的转换
关于交通灯的状态无非就是3个状态,我们可以先对甲车道的车子通行情况进行分析,对甲车道,令甲车道车子先通行,则其信号灯的时序状态流程有如图2.1所示,对于乙车道有同样的,其灯时序状态为图2.2所示。
图2.1.1甲车道灯状态图2.1.2乙车道灯状态
Fig.2.1.1ThestateofAdriverwaylightsFig.2.1.2ThestateofBdriverwaylights
2.2交通灯控制器的状态算法
根据交通灯的状态转换图,再次结合系统原理就可以对控制器状态算法进行分析,首先对系统结构原理图进行具体分析:
1.图甲车道绿灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上的车辆允许通行,乙车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔TL时,控制器发出状态信号ST,转到下一工作状态。
2.甲车道黄灯亮,乙车道红灯亮。
表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行,乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。
3.甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时,控制器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。
4.甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行,乙车道上位过县停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定的时间间隔TY时,控制器发出状态转换信号ST,系统又转换到第
(1)种工作状态。
交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。
设控制器的四种状态编码为00、01、11、10,并分别用S0、S1、S3、S2表示,则控制器的工作状态及功能如表2.2.1所示,控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见,把灯的代号和灯的驱动信号合二为一,并作如下规定:
控制状态
信号灯状态
车道运行状态
S0(00)
甲绿,乙红
甲车道通行,乙车道禁止行驶
S1(01)
甲黄,乙红
甲车道缓行,乙车道禁止通行
S1(11)
甲红,乙绿
甲车道禁止通行,甲车道通行
S1(10)
甲红,乙黄
甲车道禁止通行,甲车道缓行
表2.2.1控制器工作状态
Tab.2.2.1Thestateofcontrollers
用符号状态ag,ar,ay,bg,br,by与交通灯状态建立一一关系如表2.2.2所示:
符号状态
交通灯相应状态
ag=1
甲车道绿灯亮
bg=1
乙车道绿灯亮
ay=1
甲车道黄灯亮
by=1
乙车道黄灯亮
ar=1
甲车道红灯亮
by=1
乙车道红灯亮
表2.2.2状态对应表
Tab.2.2.2Thestateofcorresponding
由此得到交通灯的控制器逻辑示意图,如图2.2.3所示。
设控制器的初始状态为s0(用状态框表示s0),当s0的持续时间小于25秒时,tl=0(用判断框表示tl),控制器保持s0不变。
只有当s0的持续时间等于25秒时,tl=1,控制器发出状态转换信号st(用条件输出框表示st),并转换到下一个工作状态。
依此类推可以弄懂asm图所表达的含义。
图2.2.3控制器逻辑示意图
Fig.2.2.3Logicdiagramofcontrollers
3具体电路实现
经过以上对交通灯控制系统原理的分析,接下来就应对系统的各个部件进行较为详细的分析和对各电路的实现展开设计。
3.1电源的提供
为使模块稳定工作,须有可靠电源。
可以根据模拟电子技术的单相整流电容滤波电路来设计一个可以满足各种器件电压源需求,并容易实现。
现对电源电路进行阐述,由于在数字电路中所用电源电压基本是5v,因此,该电源用是单相整流电容滤波电路及集成三端稳压器来实现,其电路图如图3.1.1所示:
图3.1.1电源电路
Fig.3.1.1Circuitofthepowersupply
该电路由一个电源接口,变压器TRANS,整流电桥bridege,和集成三端稳压器LM7805和2个极性电容及2个瓷片电容构成。
3.2秒脉冲发生器
针对秒脉冲发生器,要发出1HZ即T=1s的方波,因此采用555定时多谐
振荡器。
1.555定时器
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555,用CMOS工艺制作的称为7555,除单定时器外,还有
对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽,可在4.5V~16V工
作,7555可在3~18V工作,输出驱动电流约为200mA,因而其输出可与TTL、
CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器
的外引脚排列图如图3.2.1所示。
图3.2.1
Fig.3.2.1
2.555定时器组成多谐振荡器
要实现我们想要的功能,现用555定时器外加电阻电容实现,图3.2.2(a)
是用555定时器组成的多谐振荡器。
则R1、R2和C为定时元件,C1是滤波
电容,通常R1、R2大于1kΩ。
接通电源时,放电管T截止,Vo=1。
此时电
源通过R1、R2向电容C充电,当电容上电压大于2VCC/3时,比较器1翻
转,输出Vo=0,同时555内部的放电管T导通,电容C通过R2放电;当电
容上电压小于VCC/3时,比较器2翻转,使输出电压Vo=1,C放电终止,
又重新开始充电。
电容电压VC和输出电压Vo的波形如图3.2.2(b)所示。
图3.2.2(a)555多谐振荡器图3.2.2(b)555多谐振荡器振荡波形
Fig.3.2.2.(a)555multivibratorFig.3.2.2.(b)555Oscillationwaveformofmultivibrator
此过程重复,形成振荡。
充电时间T1=0.693(R1+R2)C
放电时间T2=0.693R2C
振荡周期T=T1+T2=0.693(R1+2R2)C
占空比D=T1/T
于是,欲得到1hz的1v的方波,根据图
由T=T1+T2=0.693(R1+2R2)C……
(1);
R1=100K……
(2);C=4.7uf……(3);R2=100K……(4);
联立
(1)
(2)(3)(4)方程,可以求得T=1s.
以上就是秒脉冲发生器的实现。
3.3定时器
定时器由与系统秒脉冲(由时钟脉冲产生器提供)同步的计数器构成,要求计数器在状态信号ST作用下,首先清零,然后在时钟脉冲上升沿作用下,计数器从零开始进行增1计数,向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。
74LS163是4位二进制同步计数器,它具有同步清零、同步置数的功能。
74ls163的外引线排列图和时序波形图如图3.3.1和图3.3.2所示,其功能表如表3.3.1所示。
图中,CR是低电平有效的同步清零输入端,LD是低电平有效才同步并行置数控制端,CTp、CTT是计数器高电平有效端使能,CO是进位输出端,D0~D3是并行数据输入端,D0~D3是数据输出端。
由两片74LS163级联组成的定时器电路如图3.3.3所示。
图3.3.174LS163的外引线排列图
Fig.3.3.1Outerlinearrangementdiagramof74LS163
图3.3.2时序波形图
Fig.3.3.2Thesequentialwaveformdiagram
图3.3.3定时器电路图
Fig.3.3.3Circuitdiagramoftimer
3.4控制器
控制器是交通管理的核心,它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
从图2.2.1可以列出控制器的状态转换表,如表3.4.1所示。
选用两个D触发器FF1、FFo即用一片74LS74,做为时序寄存器产生4种状态,控制器状态转换的条件为TL和TY
表3.4.1控制器状态转换表
Tab.3.4.2Statechangeofcontroller
根据表4.1.1、可以推出状态方程和转换信号方程,
根据以上方程,选用数据选择器两片74LS153来实现每个D触发器的输入函数,将触发器的现态值Q1nQ2n加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号.即可实现控制器的功能。
控制器的逻辑图如图3.4.1所示。
图中R、C构成上电复位电路。
图3.4.1控制器逻辑图
Fig.3.4.1Logicdiagramofcontroller
3.5译码器驱动交通信号灯
上面已经讲述了控制器的电路的原理和基本电路的实现,当电路通上电后,控制器的输出端Q1Q2。
将输出的状态信号输入到数据译码器中,译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态,翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。
由于控制器输出状态的状态只有4个,所一这里用2—4译码器就可以解决需要了,在次电路中,笔者选选用74LS139双2—4译码器,其引脚图如下图3.5.1所示
图3.5.1双2—4译码器引脚图
Fig.3.5.1Pindiagramofdouble2-4decoder
用74LS139的第一个2—4译码器来组合实现输出甲车道灯的信号,即对ag,ay,ar的控制。
用另一个来实现对bg,by,br的控制。
图3.5.2译码器驱动交通信号灯电路图
Fig.3.5.2Circuitofdecoderdrivertrafficlights
在图3.5.2中,用了两片74LS00N与74LS139组装实现表4.5.1所示关系,即实现对交通灯信号的最终输出。
这样,我们就完成了对译码器电路。
3.6交通信号灯
交通信号灯,在我们这里用发光二极管来代替实现,即用4个绿色发光二极管,4个黄色发光二极管,4个红色发光二极管十字交通路口,每道有6个灯,即在某车道上前后个有绿、黄和红三个。
在此电路中,外加上拉电阻,起限流作用。
其电路示意图如图3.6.2。
图3.6.2交通信号灯电路图
Fig.3.5.2Circuitoftrafficsinglelights
3.7复位电路
由于在控制器中,需要一个上电复位功能,才能保证一开始按照一定规律进行工作。
其中,如图3.4.1,这里需要一个复位时间是t=RC,所以,令t=0.01s,则R=10K,C=1uF,即可。
3.8印制电路板
根据各部分电路原理,用protelDXP2004绘制出总电路原理图见附录1所示,并制出pcb,印制电路板,实现电路板。
其pcb图是由主电路pcb图和信号灯pcb两部分,其中主电路pcb图如图
4总结和体会
经过几周的奋战我的该设计终于完成了。
在没有做科研训练设计以前觉得科研训练只是对这几年来所学知识的单纯总结,但是通过这次做课程设计发现自己的看法有点太片面。
科研训练不仅是对前面所学知识的一种检验,而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次设计使我明白了所需要的知识远远超出自己所具有的知识。
自己要学习的东西还太多,以前老是觉得自己什么东西都会,什么东西都懂。
通过这次设计,我才明白学习是一个长期积累的过程,在以后的工作、生活中都应该不断的学习,努力提高自己知识和综合素质。
在此次设计中,我结合了多学科知识,进一步运用了所学到的各科领域相关的内容。
其中,主要运用数字电子技术学,结合模拟电子技术学,运用了Protel来绘制原理图和利用计算机多个制图软件制作相关图片。
进一步加强了word的图文编辑能力和文献检索能力,不仅提高了我的理论知识,更是实现了由理论的整合到电路实践成品的综合能力的大大提高。
在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了,同学之间互相帮助,有什么不懂的与大家在一起商量,听听不同的看法对我们更好的理解知识,所以在这里非常感谢帮助我的同学。
在设计中,对于一个还没有多少经验的学生来说,无论是理论的整合、器件准备,还是电路板印制到元器件的组装,甚至是撰写论文报告都可谓困难重重。
但每一步遇到的困难,只要努力的想方设法的去解决,查资料、问老师、问同学,总之,用上一切可以解决问题的
办法。
从这个角度上,进一步提高了我的办事情、解决问题的能力,从困难中收益匪浅。
我的心得也就这么多了,总之,不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多,真是万事开头难,不知道如何入手。
最后终于做完了有种如释重负的感觉。
此外,还得出一个结论:
知识必须通过应用才能实现其价值!
有些东西以为学会了,但真正到用的时候才发现是两回事,所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在设计过程中,我通过查阅大量有关资料,与同学交流经验和自学,并向老师请教等方式,使自己学到了不少知识,也经历了不少艰辛,但收获同样巨大。
在整个设计中我懂得了许多东西,也培养了我独立工作的能力,树立了对自己工作能力的信心,相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。
而且大大提高了动手的能力,使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
虽然这个设计做的也不太好,但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富,使我终身受益。
参考文献
[1]杨颂华等.数字电子技术基础[M].西安:
西安电子科技大学出版社.2000
[2]杨栓科.模拟电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社.2003
[3]江思敏等.Protel电子设计教程(第2版)[M].北京:
清华大学出版社.2006
[4]陈洁.数字电路实验指导书[M].玉林师范学院物理与信息科学系.2008
[5]陈有卿等.555时基电路原理与应用[M].电子工业出版社.2007
[6]114MarketSt.,Kenilworth,NJ,USA07033.(210)2980400
[7]SemiconductorComponentsIndustries,LLC,1999
[8]徐春娇.基于VHDL状态机设计的智能交通灯[J].国外电子元器2007
(2):
31——35
[9]蔡军,曹慧英.智能交通灯控制系统的设计与实现[J].重庆:
邮电学院学报2004,16(3):
129——132
[10]易铭.PLC控制的交通信号灯控制系统的设计.[J].工业控制计算机,2003,16(12):
43——45
[11]蒋璇,臧春华.数字系统设计与PLD技术[M].北京:
电子工业出版社,2001
[12]赵艳华,张睿.基于QuartusII的FPGA/CPLD设计与应用.北京:
电子工业出版社,2009:
30——58
[13]高有堂,EDA技术及应用实践,北京:
清华大学出版社,2006
作者简介:
内蒙古自治区人,学生,本科。
研究方向:
通信工程
原理图(ProtelDXP2004环境作业)
PCB的排线图
双面布线主电路pcb图
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