交通灯自动控制系统设原理及报告带倒计时.docx

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交通灯自动控制系统设原理及报告带倒计时

电子课程设计总结与报告

选题：

交通灯自动控制系统

姓名：

刘浩

日期：

2008年12月21日

交通灯控制逻辑电路设计

引言：

红绿交通灯自动控制系统在城市十字（或丁字）路口有着广泛的应用。

随着社会的进步，人们生活水平的提高，私家车数量会不断增加，对城市交通带来前所为有的压力。

道路建设也将随之发展，错综复杂的道路将不段增多。

为维持稳定的交通秩序，红绿灯自动控制系统将得到更为广泛的应用。

现在实际应用的红绿灯系统中一般没有倒计时功能，使司机和行人不知道指示灯还有多久将会改变现有状态。

本设计应用基本数字电路知识，采用LED灯作红、绿、黄三交通灯，用七段数码管作同步倒计时显示。

实现两方向通行时间不相等的控制并配有倒计时。

1设计任务及主要技术指标和要求

1.1设计任务和要求：

在丁字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯；用来指挥车辆和行人有序通行。

其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。

1.2工作流程：

南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。

1.3应满足的工作时序：

本系统应满足两个工作时序，即东西方向亮红灯时间（20秒）应等于南北方向亮黄灯（4秒）和绿灯（16秒）时间之和，南北方向亮红灯时间（14秒）应等于东西方向亮黄（4秒）、绿灯（10秒）时间之和。

一次循环为34秒，其中红灯亮的时间是绿灯、黄灯亮的时间之和。

2方案设计（比较论证）

2.1方案构思

2.1.1方案一：

采用单片机实现

选用8031单片机，8255并行通用接口芯片，74LS07，MAX692‘看门狗’，共阴极的七段数码管，双向晶闸管，7805三端稳压电源，红、黄、绿交通灯，开关键盘等。

系统总框图如下：

2.1.2方案二：

采用数字电子技术（核心控制部分用触发器来实现）

交通灯控制系统的原理框图如下图所示。

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。

2.1.3方案三：

用简单的计数译码芯片实现

由秒发生器电路部分产生周期为一秒的矩形脉冲信号，经74ls192分频后可得到周期为两秒的脉冲信号，用此信号作为74ls161的输入控制脉冲，控制74ls161计数，我们电路中用两块74ls161级联，并用异步清零的办法将其做成17进制计数器。

用此17位计数器的输出作为译码器74ls138的地址输入，最后将得到的译码信息经过相应的门电路，即可达到控制交通灯的目的。

显示部分所需脉冲直接采用555输出的秒脉冲，这样就可以使得显示与灯的控制在时间上达到同步！

系统框图：

译码

计数

分频得到2秒信号

秒信号产生

→→→→→→输出控制灯

↓

→→驱动共阴七段数码管显示

交通灯逻辑：

NSR（红1）=Y0+Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7+Y8+Y9

EWG（绿2）=Y0+Y1+Y2+Y3+Y4+Y5+Y6+Y7

EWY（黄2）=Y8+Y9

EWR（红2）=Y10+Y11+Y12+Y13+Y14+Y15+Y16

NSG（绿1）=Y10+Y11+Y12+Y13+Y14

NSY（黄1）＝Y15+Y16

2.2方案比较

方案一采用现在比较流行的51系列片机实现对灯的自动控制和同步倒计时输出。

该方案能够实现设计所给出的要求，且硬件电路较简单接线较容易。

但是，我们现阶段还没有学过单片机的知道，对单片机的具体工作原理不清楚，且完全不懂基于51系列单片机的编程。

对单片机而言，程序是其工作的灵魂，而我们对这又是完全不懂，所以就我们现在所掌握的知识而言，要实现这一方案难度很大！

方案二采用的是基本数字电路，原理比较简单，且其原理和所使用器件都是我们在数字电子技术课程中所学过的，但是此方案也有1个大的缺陷：

它对两路时间对称的系统容易实现，但对设计要求的两路时间不对称的系统较难实现，如果要实现两路时间不对称的控制就要多加控制信号，这样实现就很麻烦，且条理不清。

方案三采用的也是数字电子技术中所学的基本原理与芯片，具有方案二的全部优点，且其设计思路清晰，只是简单的计数，译码再通过逻辑门电路对其进行控制。

最大的优点是各部分电路是相互独立的，即可以采用分开接线，分开测试的方法，方便检查线路，当各部分电路检测输出无误后再将各部分连接成整体。

对实际检验校对很有帮助，且此电路能较方便地实现对控制时间的倒计时。

2.3方案选择

综上分析，此设计方案选择方案三，其原理简单，便于连线，便于调试，且容易实现与灯控制信号同步的倒计时功能

3．单元电路设计

3.1灯控制部分电路

3.1.1秒信号产生与分频电路

要想得到秒信号可以采用多种方法，这里我们选用数电书上所介绍的用555产生秒信号，为得到题目要求的控制时间我们将得到的秒信号进行分频得到周期为2秒的目的信号。

555芯片引脚及各引脚功能：

555芯片　

各脚主要功能（集成块图在左边）

1地GND

2触发

3输出

4复位

5控制电压

6门限（阈值）

7放电

应用电路原理图：

3.1.2灯控制部分计数电路

因为方案中对计数的最高要求为17。

即计数能达到17就能满足要求，考虑接线的简单我们选用16进制集成芯片（74ls161）实现。

74ls161引脚及真值表

管脚图介绍：

时钟CP和四个数据输入端P0~P3

清零/MR

使能CEP，CET

置数PE

数据输出端Q0~Q3

以及进位输出TC.（TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET）

输入

输出

CR

CP

LD

EP

ET

D3

D2

D1

D0

Q3

Q2

Q1

Q0

0

Ф

Ф

Ф

Ф

Ф

Ф

Ф

Ф

0

0

0

0

1

↑

0

Ф

Ф

d

c

b

a

d

c

b

a

1

↑

1

0

Ф

Ф

Ф

Ф

Ф

Q3

Q2

Q1

Q0

1

↑

1

Ф

0

Ф

Ф

Ф

Ф

Q3

Q2

Q1

Q0

1

↑

1

1

1

Ф

Ф

Ф

Ф

状态码加1

应用电路：

3.1.3译码与基本门电路

译码器采用实验室最常用的74ls138三线八线译码器，门电路主要用到4二输入与非门74ls00，2四输入与非门74ls20,4二输入或门CC4071

各集成芯片引脚及主要功能：

74ls0074ls20

CD4071

78ls138引脚：

78ls138真值表：

应用电路：

3.2显示部分电路

3.2.1计数部分

根据设计要求倒计时要能实现19→00→13→00→19的可循环倒计时，计时时间为20秒和14秒交替变化。

根据这一要求我们想的办法是用两片十进制可逆计数器级联组成100进制减法计数器，开始的时候让此计数器从100开始减计数，减到79时也就是过了二十秒的时间，止时利用此计数器的置数功能转数到13,让它从13开始减一直到00再回到100重复以上过程。

这样我们就得到了20秒和14秒这两个循环的倒计时时间段。

再采用相应技术就能很方便地实现19→00→13→00→19的可循环倒计时

芯片引脚及功能介绍：

74ls192引脚图

74ls192真值表

应用电路原理图：

3.2.2译码显示部分

此部分采用CC4511接收74ls192的输出信号，将其译码输出给七段共阴数码管。

驱动数码管显示

芯片引脚及功能介绍：

功能电路原理图：

4．元器件选择

本系统所涉及到的电子元器件主要是集成芯片，在一定程度上是考虑到容易得到的为首选。

其中只有少数元器件选择需要特别注意，否则无法实现功能。

在555产生秒脉冲信号的电路中，需要先用两个电阻和两个电容，参考555芯片手册及其典型应用电路可知电阻应选两个5.1K的，电容一个应选0.01u的磁片电容，和100u的电容电容，还有一个地方要特别注意的是16进制计数器的选择，一般常见的有两种74ls161与74ls163,这两种芯片在主要功能和引脚分配上都是一样的，外围电路的接线都是一样的，唯一存在的一点区别就在于清零方式上74ls161为异步清零，74ls163为同步清零。

为了达到开始的时候能够将灯控制部分和显示部分同时清零以达到时间上完全耦合的目的，这里只能选择74ls161而不能选择74lls163.其它芯片选取无太高要求，基本上能够实现相应逻辑功能就可以用，以当前手头上有的为优先选择的原则。

5.安装调试

5.1安装

将电路分为2大部分6小部分进行分开安装，安装时一定要小心认真，电路原理虽然简单，但是需要连接的线非常多，一定要小心，哪一根线连接出现错误都会造成整个电路无法正常工作。

特别要注意的是在用集成芯片的过程中高电平和低电平不能接反，否则会造成芯片的损坏。

还要注意一点的是在组装之前要先检查各芯片看芯片本身是否能够正常工作。

5.2调试

本设计的巧妙之处就在于能够分级调试，首先调试555产生的秒信号，再对其分频信号进行分析，观察是否够得到我们所需要的1秒，2秒的信号。

调试两片74ls161的级联观察是否能够达到我们的要求即实现17进制计数。

观察74LS138级联的输入与输出是否与真值表一致。

最后看各基本门电路组成的分析电路是否能达到预期的目的。

显示部分也是这样，分级检测，如果每一个小环节都能正常工作我们就可以把它们都连接起来，观察两个大的部分能否各自正常工作，即灯的控制是否和预期一致，显示能否正常进行。

最后校对两部分，即灯与倒计时，观察其是否能达到同步，并用基准秒表进行测试看时间是否有误差！

心得体会

根据老师给出的题目要求我们选择题目，查找资料，进行方案论证，选择方案，系统设计，基本电路设计，电路组装及调试，在规定的时间内完成校对，并完成设计报告。

本次设计课题是一个以小组为单位的设计任务，我们小组成员密切配合，努力工作，不但提出问题，解决问题，使我们的作品较好地达到预期要求。

通过这次设计活动，使我们知道以前学的一些专业基础课有什么作用，对以前的几门课程起到了复习与加深的作用，还提高了我们分析问题解决问题的能力。

对电路设计的基本技能也起到了一个很好的锻炼作用。

更重要的是这是一个团队活动，培养了我们团队合作的精神，集合大的智慧，互相讨论，相互辩驳最后找到解决问题的最优方案，分工合作，最后完成老师交待的设计任务。

这对我们将来工作当中所需要的团队精神及相互合作的工作方式也起到了一个好的锻炼作用。

本次我们选择的题目是“交通灯自动控制系统”网上关于这个设计的资料很多，但多是基于51系列单片机或PLC的控制方案，完全选用基本数字电子技术实现的设计方案并不多，特别是要求两路时间不对称并要求有倒计时功能的设计方案基本上没有。

所以这次设计过程完全是靠我们自己动脑设计方案及各电路。

也正因为这样我们遇到了很多困难。

在此也简单讲一下我们所遇到的一些困难及想出的解决方案。

首先第一个就是我们电路的最基本单元电路就是秒信号产生电路，要得到秒信号很容易，基于555的秒信号产生我们都很熟悉，结合我们的设计要求我们一共要计时34秒，这样的话如果要用74ls138作译码输出得到这34个信号我们就要对74ls138进行5片的级联，当然这样实现起来很难。

我们想到将信号的脉宽调整一下，使其2秒钟产生一个脉冲。

这样就只需3片74ls138级联就能完成。

我们产用的技术就是用计数器进行分频，最后达到了我们的要求。

还有一个技术上的问题就是我们两边的时间是不对称的，这就给我们的倒计时部分带来了很大的麻烦，因为如果对称我们只需设计一个简单的循环倒计时电路就行了。

对于这个问题我们想了很久，最终还是想到了解决的办法，就是用两片74ls192级联做成100进制减计数器。

开始的时候置数为100让其进行减计数，当减到到79时中间刚好是20秒的时间间隔，此时将它置数到13再进行减速计数到00,再进行循环。

就能得到20秒与14秒的交替循环倒计时。

再对此进行接线上的处理，显示出来的效果就能满足我们所设计的要求。

诸如此类的问题我们还遇到了很多，但通过我们的思考与讨论最终都找到了解决的方案。

总的来讲这次课程设计我们全组成员都付出了很多的时间和精力，相互合作，密切配合，克服了很多困难，最终完成了设计任务，过程虽然很累但我们从中学到了很多东西，对以前的课程也作了一个很好的复习与巩固。

所以我们都认为本次设计课程对我们很有作用，如果条件允许的话还希望院里能多开这类实践与理论想结合的课程！

附录一：

两部分完整电路

红绿灯控制部分完整电路

显示部分完整电路

附录二：

元器件清单

序号

名称

规格

数量

1

电解电容

50V\100u

1个

2

电容

103

1个

3

555

1个

4

电阻

5.1K

2个

5

电阻

1K

2个

6

74ls161

2个

7

74ls138

3个

8

74ls00

2个

9

74ls192

2个

10

74ls20

2个

11

cc4071

1个

12

CC4511

2个

13

七段数码管

共阴

2个

参考文献

余孟尝.数字电子技术基础简明教程（第三版）.高等教育出版社，2006.

赵保经.中国集成电路大全TTL集成电路分册：

CMOS集成电路分册.北京：

国防工业出版社，1985.

李世雄.丁康源.数字集成电子技术教程.北京：

高等教育出版社，1993.

周惠潮.常用电子元件及典型应用.电子工业出版社，2005.

朱彩莲.Multism电子电路仿真教程.西安电子科技大学出版社，2007.