交通信号灯控制电路的设计

……课程设计1前言21世纪是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制、突发事件、故障处理等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成。分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际生活中！唐山学院课程设计22交通信号灯控制电路的设计2.1设计题目设计题目：交通信号灯控制电路的设计2.2设计要求1.信号灯白天工作要求某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。信号指示灯白天点亮流程图如下图。2.夜间工作方式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。图1-1信号指示灯白天点亮流程图南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮5t南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮5t南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮5t南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮1t唐山学院课程设计33交通信号灯控制电路的性能简介1秒脉冲产生电路:由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，建议用555定时器组成多谐振荡器。十二进制计数器:计数器可以用触发器组成，也可以用中规模集成计数器组成，以及用移位寄存器组成环形或扭环形计数器。建议用中规模移位寄存器组成扭环形12进制计数器。分频器:上述十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。采用两个D触发器组成4分频器电路。控制电路的特点：从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。其整体电路框图如下图所示：根据交通灯的性能要求以及整体电路图，设计本次课程设计的交通灯电路。图3-1整体电路框图唐山学院课程设计44交通信号灯控制电路的设计4.1直流稳压电源的设计直流稳压电路的作用是将整流滤波输出的不稳定直流电进行稳定，输出负载需要的稳定直流电。从稳压电路中起稳压作用的器件的工作状态角度分为：线性稳压电源和开关稳压电源。线性稳压电源从稳压器件与负载的连接方式角度分为：串联型稳压电源和并联型稳压电源。本章介绍串联型稳压电源（并联型输出电流较小）。串联型线性稳压电源从电路组成角度分为：分立元件稳压电源和集成稳压电源。本章两种情况都介绍，但重点在集成稳压电源。作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。78系列和79系列三端线性集成稳压器为输出固定电压的集成稳压器。78系列输出正电压，79系列输出负电压。它们输出的固定电压标称值分别为:5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V。如7805输出电压为5V，7806输出电压为6V，…7824输出电压为24V。79系列输出电压与此类同。输出电流档次由78（79）与输出电压档次之间的英文字母决定：L(0.1A)、M(0.5A)、空（1.5A）、T(3A)、H（5A）、P(10A)。由于建议系统的集成芯片选用TTL类型，要求直流稳压电源输出+5V直流电压。其额定输出电流视系统所需电流。决定，系统负载电流小于1.5A是选用7805芯片即可，系统负载电流大于1.5A时，可选用78T05(3A)、78H05(5A)，78P05(10A)。根据电源的负载电流，折算成LR值，利用有关公式选择滤波电容的容量。其耐压应高于变压器次级电压峰值2倍以上。根据负载电流，选择整流二极管，要求二极管最大整流电流大于负载电流的2倍以上。其耐压应大于变压器次级电压峰值的2倍以上。压器的功率应大于系统功率2倍以上，次级输出电压有效值根据桥式整流电容滤波输出电压为21.1~1.2U，而这个值应大于稳压输出电压值的3~5V，从而选定变压器次级电压的有效值。而整流滤波的输出为8~10V，本系统采用8299整流桥。变压器选择9/12V即可。直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。唐山学院课程设计5因此直流稳压电源的设计电路如图4-1所示。其中7805的引脚为：1入，2地，3出。电容选用3300F。4.2秒脉冲产生电路的设计由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，采用555定时器组成多谐振荡器。555定时器外接少量元件就可以组成脉冲波形产生和变换电路。由于内部有3个5kΩ的电阻分压器，故称555。由于该器件的第一个应用电路为单稳态触发器，而此单稳态触发器用来作定时器，因此将555器件命名为555定时器。555器件的应用很多，在自动检测及控制、定时器、报警器、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。现已出版555应用800例，900例，1500例等书籍。分析这些应用电路归类发现，应用举例中555器件不外组成三种基本电路：555多谐振荡器、555单稳态触发器、555施密特触发器。其中由555构成本次课设的1秒脉冲电路如下图所示：振荡周期与频率的计算公式为：1212T(R2R)C1n20.7(R2R)C，图4-1直流稳压电源原理图图4-2555多谢震荡器原理图唐山学院课程设计61Tf。电源电压CCV=+5V，其中电路图中2C的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01F的瓷片电容。再次课程设计中要求输出T=1S，选取电容为1C=1F，1R=360，根据震荡周期计算，选择电阻1R=560。当原件选取完成之后，根据电路原理图连接电路即可。4.3十二进制计数电路的设计由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。按设计思路中的设计，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS164。（1）74LS164有关资料：74LS16引脚图如下图所示：74LS164功能表如下图所示：A0B0C0D0E0F0G0H0QQQQQQQQ、、、、、、、：分别为寄存器输出ABCDEFGHQQQQQQQQ、、、、、、、在指明稳态输入条件建立之前的电平。AnBnCnDnEnFnGnQQQQQQQ、、、、、、分别为寄存器输出AQABCDEFGHQQQQQQQQ、、、、、、、在时钟最近出现上升沿之前电平。图4-374LS164引脚图图4-474LS16功能表器原理图唐山学院课程设计7DR：异步清零端，低电平有效。应用电路：用74LS164组成的12进制扭环型计数器电路，其电路图如下图所示。A、B:串行输入端。当两个输入端任何一个或两个为低电平时禁止新数据输入，并在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（AQ）置为低电平。当两个均为高电平时，在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（AQ）置为高电平。其12进制扭环型计数器真值表如下图所示：由上图可以看出，根据CP脉冲的变化，ABCDEFGHQQQQQQQQ、、、、、、、的输出有12个不同的状态，从而实现了电路的12进制计数。图4-512进制扭环型计数器电路原理图图4-612进制扭环型计数器真值表唐山学院课程设计8在构成以上12进制扭环型计数器时用到了2输入的非门，本次课程设计选用的2输入的非门芯片为74LS04。其引脚结构图如下图所示：根据74LS04的引脚结构图选择合适位置的引脚连接电路。4.4分频器电路的设计上述十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路。4S脉冲是为74LS164提供的CP脉冲。从理论上讲，4S脉冲可以用多谐振荡器来产生。为了使整体电路的脉冲协调一致，4S脉冲应将秒脉冲经过4分频器得出。因此，4S脉冲电路的设计实际上就是4分频器的设计。使用74LS74实现4分频器。其四分频的电路原理图如下图所示：74LS74是内有两个D触发器的TTL集成电路，将每一触发器接成触发器，两级串联就实现4分频，即输入1S脉冲，输出4S脉冲。本次课程设计使用的D触发器为74LS74，其外部引脚结构图和其真值表如下图所示：图4-774LS04引脚结构图图4-8四分频的电路原理图唐山学院课程设计9根据74LS74真值表和外部引脚图，选择合适的引脚连接电路即可构成四分频的电路。4.5组合逻辑电路的设计根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。组合逻辑电路的真值表如图所示：。根据上图真值表写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得：图4-9-a74LS74引脚结构图图4-9-b74LS74真值表图4-10组合逻辑电路的真值表唐山学院课程设计10FEQQNSGFEQQEWGFEQQNSYFEQQEWYFQNSRFQEWR由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。建议非门选用TTL集成门74LS04，与门选用TTL集成门74LS08。当然，以上仅是考虑白天工作方式时的情况。下面将介绍白天和夜间综合考虑的情况，综合考虑后，表达式需要修改，则门电路也需要作响应的修改。黄灯点亮的按秒闪动，将在下面考虑。白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74LS164停止循环工作，即通过开关将74LS164的DR接地，使74LS164的所有Q端全部清零。白天DR为高电平，74LS164循环工作。由74LS164组成的12进制扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。在夜间由于0RD使所有的74LS164的Q端清零，因此会出现以下问题：(1)FEQQNSG，由于夜