十字路口的交通灯控制电路设计教程文件.docx

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十字路口的交通灯控制电路设计

十字路口的交通灯控制电路设计

摘要

本论文主要阐述了交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。

随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。

俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。

作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。

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。

以下就交通灯控制系统的电路原理、设计和实验调试等问题来进行具体分析讨论。

关键词：

交通灯自动控制定时准确报警高速

一、对交通信号灯的控制

1．1题目要求

1.信号灯收一个启动开关控制，当启动开关接通时，信号系统开始工作，且先南北红灯亮，东西绿灯亮。

当启动开关断开时，所有信号灯都熄灭。

2.南北绿灯和东西绿灯不能同时亮，如果同时亮时应该关闭信号灯系统，并报警。

3.南北红灯亮维持25s，在南北红灯亮的同时东西绿灯也亮并维持20s，到20s时东西绿灯闪烁，闪烁3s后熄灭。

在东西绿灯熄时，东西黄灯亮，并维持2s，到2s时，东西黄灯灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。

4.东西红灯亮维持30s，南北绿灯维持25s，然后闪烁3s熄灭，同时南北黄灯亮，维持2s后熄灭。

这时南北红灯亮，东西绿灯亮。

5.周而复始。

二、交通灯的组成

2．1交通灯控制系统的原理框图

如图2、1所示。

它主要由控制器、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，译码器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，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。

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。

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。

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。

图2、1交通灯控制系统的原理框图

2．2交通灯运行状态

两方向车道的交通灯的运行状态共有4种（因人行道的交通灯和车道的交通灯是同步的,所以不考虑），如图2、2所示

图2、2两方向车道的交通灯的运行状态

2．2．1一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程

（1）如图2、2状态0所示，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）如图2、2状态1所示，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）如图2、2状态2所示，甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。

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）如图2、2状态3所示，甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。

表示甲车道禁止通行，乙车道上未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，系统又转换到工作状态1。

交通灯以上4种工作状态的转换由控制器进行控制。

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下表2.2.1所示。

控制器状态

信号灯状态

车道运行状态

S0（00）

S1（01）

S2（11）

S3（10）

甲绿，乙红

甲黄，乙红

甲红，乙绿

甲红，乙黄

甲车道通行，乙车道禁止通行

甲车道缓行，乙车道禁止通行

甲车道禁止通行，乙车道通行

甲车禁止道通行，乙车道缓行

表2.2.1控制器工作状态及其功能

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：

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；

BR=1：

乙车道红灯亮；

由此得到交通灯的ASM图，如图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、3交通灯控制器的ASM

三、单元电路的设计

3．1秒脉冲发生器

脉冲信号发生器用的是555定时器构成多谐震荡器，震荡频率为：

f=1.43/（R1+2R2）C

电路图如图3、1所示：

图3、1秒脉冲产生器

3．2定时器

定时器由与系统秒脉冲（由上面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、2和图3、3所示，其功能表如表3、1所示。

图中，是低电平有效的同步清零输入端，是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTT是计图12、2交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。

由两片74LS163级联组成的定时器电路如图3、4所示。

图3、274LS163的外引线排列图

图3、374LS163时序波形图

表3、174LS163功能表

图3、4定时器电路图

3．3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ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表3、2所示。

选用两个D触发器FF1、FFO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，当控制器处于Q1n+1Q0n+1＝00状态时，如果TL＝0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝01状态。

这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"X"表示。

其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。

表3、2控制器状态转换表

根据表3、2可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：

将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：

根据以上方程，选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（Q1n、Q0n）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、5所示。

图中R、C构成上电复位电路。

图3、5控制器逻辑图

3．4译码器

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。

控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表3、3所示。

表3、3控制器状态编码与信号灯关系表

状态

AGAYAR

BGBYBR

00

1   0   0

0   0   1

01

0   1   0

0     0     1

10

0   0   1

1     0     0

11

0   0   1

0     1     0

由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CP脉冲，一部分送给了定时器的74LS163芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。

在脉冲ST同时加到定时器74LS163芯片的情况下，通过芯片74LS00将会输出TY、T/Y/；TL、T/L/、即TY和T/Y/放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和T/L/放大的结果是秒脉冲的25倍。

前者输出的信号是后者的1/5。

将定时器输出的TY、T/Y/；TL、T/L/分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CP脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。

控制器中的信号在送给由芯片74LS00组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。

图3、6译码器部分的逻辑图

3．5交通信号灯

六个发光二极管（注意二极管的极性）

3．6整个交通灯控制系统的布局

见附件

四、PCB的制作

4．1原理图的绘制

把副表的原理图在Protel2004中绘制出来。

4．2PCB的排线

五、焊接技术

5.1导线的焊接

导线焊接在电子产品装配中占有重要位置。

实践中发现，出现故障的电子产品中，导线焊点的失效率高于印制电路板，有必要对导线的焊接工艺给予特别的重视。

5．1．1焊接操作姿势与卫生

焊剂挥发出的化学物质对人体有害的，如果操作时鼻子距烙铁头太近，则很容易将有害气体吸入。

一般烙头距鼻子至少不少于30cm，通常400cm以上为宜。

电烙铁拿法有几种，一般在操作台上焊接电路板时多采用握笔法。

使用烙铁要配置烙铁架，电烙铁使用之后要稳妥放于烙铁架上，注意导线等物不要碰触烙铁头。

由于焊锡丝成分中，铅占一定比例，众所周知铅是对人体有害的重金属，因此操作时应戴手套或操作后洗手，避免将其食入。

5．1．2焊接的基本操作

（1）焊件表面处理

手工烙铁焊接中遇到的焊件是各种各样的电子元件和导线，除非在规模生产条件下使用“保鲜期”内的电子元件，一般情况下遇到的焊件往往都需要进行表面清理工作，去除焊接面上的锈迹、油污、灰尘等影响焊接质量的杂质。

手工操作常用机械刮磨和酒精、丙酮擦洗等简单易行的方法。

（2）预焊

预焊就是将要锡焊的元器件引线或导线的焊接部位预先用焊锡润湿，一般也称为镀锡，上锡，搪锡等。

称此过程为“预焊”是准确的，因为其过程和机理都是锡焊的全过程──焊料润湿焊件表面，靠金属的扩散形成结合层后而使焊件表面“镀”上一层焊锡。

其实预焊并不是锡焊必不可少的步骤，但在手工焊接特别是维修，调试，研制工作中预焊可以提高产品的质量和可靠性。

如图13所示：

图13焊接过程图

（3）不要用过量的焊剂

适量的焊剂是必不可少的，但绝不是越多越好。

过量的松香不仅造成焊后焊点周围难以清洁，而且延长了焊接时间（松图13元件的引脚与预焊香溶化、挥发会带走热量），降低工作效率；而当加热时间不足时又容易夹杂到焊锡中形成“夹渣”缺陷；对开关元件的焊接，过量的焊剂容易流到触点处，造成

接触不良。

合适的焊剂量应该是仅能浸湿将要形成的焊点。

对使用松香芯的焊锡丝来说，基本不需要再涂焊剂。

（4）持烙铁头的清洁

因为焊接时烙铁长期处于高温状态，又接触焊剂等受热分解的物质，其表面很容易氧化而形成一层黑色杂质，这些杂志几乎形成隔热层，使烙铁头失去加热作用。

因此要随时在烙铁架上蹭去杂志。

用一块湿布或湿海绵随时擦烙铁头，也是常用的方法。

（5）热要靠焊锡桥

非流水线作业中，一次焊接的焊点是多种多样的，我们不可能不断换烙铁头。

要提高烙铁头加热的效率，需要形成热量传递的焊锡桥。

所谓焊锡桥，就是靠烙铁上保留少量焊锡作为加热时烙铁头与焊件之间传热的桥梁。

显然由于金属液的导热效率远高于空气，而使焊件很快被加热到焊接温度（如图14）。

应注意作为焊锡桥的锡保留不可过多。

图14焊锡桥作用

（6）焊锡量要合适

过量的焊锡不但毫无必要地消耗了较贵的焊锡，而且增加了焊接时间，相应降低了工作速度。

更为严重的是在高密度的电路中，过量的锡很容易造成不易觉察的短路。

但是焊锡过少不能形成牢固的结合，降低焊点强度，特别是在电路板上焊导线时，焊锡不足往往造成导线脱落，如图15所示。

图15焊点的状态

（7）元件要固定

在焊锡凝固之前不要使焊件移动或震动，特别是用镊子夹住焊件时一定要等焊锡凝固再移去镊子。

这是因为焊锡凝固过程是结晶过程。

根据结晶原理，在结晶期间受到外力（焊件移动）会改变结晶条件，导致晶体粗大，造成所谓“冷焊”。

外观现象是表面无光泽呈豆渣状；焊点内部结构疏松，容易有气隙和裂缝，造成焊点强度过低，导电性能差。

因此在焊锡凝固前一定要保持焊件静止。

实际操作时可以用各种合适的方法将焊件固定，或使用可靠的夹持措施。

5．2印制电路板的焊接

焊接印制板，除遵循锡焊要领外，以下几点须特别注意：

（1）电烙铁，一般应选内热式20～35W或调温式，烙铁的温度不超过300℃的为宜。

烙铁头形状应分局印制板焊盘大小采用凿形或锥形，目前印制板发展趋势是小型密集化，因此一般常用小型圆锥烙铁头。

焊接的焊接角度

（2）加热方法，加热时应尽量使烙铁头同时接触印制板上铜箔和元器件引线（图七）。

对较大的焊盘（直径大于5mm）焊接时可移动烙铁，即烙铁绕焊盘转动，以免长时间停留一点导致局部过热，如图八所示。

（3）金属化孔的焊接，两层以上电路板的孔都要进行金属化处理。

焊接时不仅要让焊料润湿焊盘，而且孔内也要润湿填充。

因此金属化孔加热时间应长于单面板。

（4）焊接时不要用烙铁头摩擦焊盘的方法增强焊料润湿性能，而要靠表面清理和预焊。

（5）耐热性差的元器件应使用工具辅助散热（图十八）。

5．3焊后处理

（1）剪去多余引线，注意不要对焊点施加剪切力以外的其他力。

（2）检查印制板上所有元器件引线焊点，修补缺陷。

（3）根据工艺要求选择清洗液清洗印制板。

一般情况下使用松香焊剂后印制板不用清洗。

六、仿真过程与效果分析

6．1电路试调

电路连接完后，要进行调试，以检测是否达到要求。

实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。

这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。

然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。

因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。

调试的常用仪器有：

万用表、示波器、信号发生器。

6．1．1调试前的检查

电子安装完毕，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。

其检查内容包括：

（1）连线是否正确

检查的方法通常有两种方法：

a.按照电路图检查安装的线路

这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。

按照实际线路来对照原理图电路进行查线这是一种以元件为中心进行查线的方法。

把每个元件引脚的线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。

为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。

b．元器件的安装情况

检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。

（2）调试方法与原则

通电观察

把经过准确测量的电源接入电路。

观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。

一步对电路参数提出合理的修正。

6．2调试中注意的事项

为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。

为此，需注意以下几点：

（1）正确使用测量仪器的接地端

（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。

因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。

（3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。

要正确选择测量点。

（4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。

（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。

记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。

只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。

（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。

因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。

我们应该认真检查.调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。

对于本交通灯来说，只要不出现异常的现象，一般不需要调试，直接进行测量。

测试电路中线路是否接通同上用万用表的欧姆档，测试每一组的连通的线，将两表笔接到被测的一组线的起始线和末端线的两端，看电阻是否为零，如果是零，则证明是通的；如果是无穷大，则证明中间有线是短开的，则要一根一根的检查该组的没一根线，直到查出为止。

6．3通电后的测试

（1）测试电源

用万用表的直流电压档，测试输入电源的电压，看是否达到额定电压（本产品为+5V），如果不是，则换电源。

（2）测试芯片的电源输入端

同上用万用表的直流电压档，测试芯片的接地端与接电源端的点呀，看是否达到芯片的额定电压（本产品所用的芯片都是+5V），如果不是，则检查其线路是否接错。

6．4操作说明

1、根据题目的要求，整个交通灯控制系统需要有个时间显示器，6个交通信号灯。

但由于芯片没有,只有用实验室的示波器来看秒脉冲时间。

2、打开总开关，便可以进行交通灯控制系统的仿真，电路默认把通车时间设为25秒，打开总开关，东西方向车道的绿灯亮；南北方向车道的红灯亮，示波器，显示时间为25秒，然后黄灯以每一秒的速度闪亮，东西方向车道的绿灯转换为黄灯，而且黄灯每秒闪一次，其余灯都不变。

再过4秒后，电路又转换成预置的25秒，东西方向车道的黄灯转换为红灯，人行道的红灯转换为绿灯；南北方向车道的红灯转换为绿灯，人行道的绿灯转换为红灯。

如此循环下去。

具体时间见下图：

南北

东西

时间

（S）

绿灯

黄灯

红灯

绿灯

黄灯

红灯

1

0

0

0

0

0

25

0

1

0

0

0

1

4

0

0

1

1

0

0

0

0

1

0

1

0

交通灯校验时间图

七、元器件清单

集成电路74LS741片

74LS101片

74LS091片

74LS1532片

74LS1633片

74LS001片

74LS041片

N5551片

芯片座若干

电容10μF,0.01μF,1μF,0.1μF各一支

电阻47KΩ两个1KΩ一个

发光二极管6个

PCB板一块

结束语

通过这次课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。

电路原理和连接，和芯片上的选择,也略懂。

巩固数字逻辑电路的理论知识，方案总共只用了八个芯片，对163计数器更加了解，懂得它的功能与其它芯片替换等.使DJ触发器从书本上的理论知识联系到实际,让我更加了解它的功能.还有如何利用555芯片产生秒脉冲.计数器的工作原理。

更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活。

同时也加强了PCB板的制作，使之更加很好的利用Protel99；协作的重要性。

我沉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。

而且还可以记住很多东西。

比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！

认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

故一个小小的课程设计，对我们的作用是如此之大。

谢词

本次关于简易交通灯的设计与制作是在**老师以及其他辅导老师的精心指导下，和同组内其他成员的共同交流下才得以顺利完成。

经过本次设计把我在大学学习数电年来所学的理论知识转化为实际应用，既锻炼了我们的实际操作能力，又使理论知识得以加强和升华，激发了创新意识。

同时也要感谢衡阳远达公司，为我们提供电子元器件。

特别感谢与我同组的两为组员，在工作中我们积极配合、勇于创新。

通过本次设计使我们自身的动手能力得到了很大的提高，使我们走出了实践的盲区，为以后的毕业设计及工作后的动手打下了坚实的基础。

最后感谢学院为我们提供了难得的机会。

再次感谢各位老师和同学们的帮助!

八、参考文献

1.《数字电子技术实验讲义》湖南工学院

2.《电子技术基础-模拟部分》高等教育出版社

3.《555集成电路实用电路集》高等教育出版社

4.《TTL集成电路应用》机械工业出版社

5.《CMOS集成电路》国防工业出版社