信号灯红绿灯电子电路设计

电子电路课程设计报告课题名称十字路口自动红绿灯指挥系统课题编号8学院（系）机械与能源工程学院专业机械设计制造及自动化学生姓名学号2013年8月30日１一、设计目标1.设计背景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。其广泛用于公路交叉路口，弯道、桥梁等存有安全隐患的危险路段，指挥司机或行人交通，促进交通畅通，避免交通事故和意外事故发生。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，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。本设计便是为了能够得出这样一个可行的自动化方案，应用于交通繁杂的十字路口，以实现十字路口方便的交通管理。2.功能概述（1）基本功能：信号灯的自动转换，即：绿灯亮20秒——→黄灯亮5秒——→红灯亮15秒，如此循环。（2）扩展功能：声光提示：十字路口有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为20秒，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿等交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。当倒计时进入最后三秒时，蜂鸣器开始工作，提示正在过马路的人群快速穿越，或进入马路中央的交通岛等安全地带。图1交通信号灯效果图２二、设计方案1.系统组成图2系统组成图一个信号源，两个计时电路，分别控制基本功能和扩展功能。信号灯计时电路采用加法计数计时，计数达到特定值时，由附属的控制电路调控信号灯的点亮与熄灭，达到信号灯的基本功能。倒计时电路独立于信号灯计时电路，采用减法计数计时，并通过显示电路显示出来。同时，倒计时电路也控制着声音提示电路，使其在倒数结束最后3秒时，发出蜂鸣，提醒路人。一个信号源保证基本功能和扩展功能之间达到同步，不会有错时现象出现；而两个计时电路的设计可以方便维护和更换，而在两个电路中还设置了两个独立的开关，如有故障，可以保证随时可以关闭任意一个电路。2.元器件清单序号材料名称型号数量备注1同步十进制计数器74LS1602信号灯计时电路2可逆双时钟BCD计数器74LS1922倒计时电路3非门74LS041/4与非门74LS002/5或非门74LS271/6电阻100Ω若干/7红黄绿发光二极管/2*3信号灯87SEG-BCD数码管DCD_HEX_BLUE4倒计时显示9蜂鸣器/1/10开关/2/表1元器件清单３三、仿真电路1.秒时钟信号电路秒时钟信号的产生可以采用555定时器组成的多谐振荡器，采用如图所示的接法。图3秒脉冲电路原理图在本次设计中，为了表示方便，仅采用了由函数信号发生器产生秒时钟信号。该信号源由一个方波发生器构成，实际使用时应使用1Hz5V的发生器，为了便于仿真观察，在multisim中仿真时使用的是100Hz的。图4本设计采用的信号发生器４2.信号灯计数电路信号灯计时电路由两个74LS160芯片构成。第一个芯片U1从十进制用置数法改装为五进制，作为个位计数器；第二个芯片U2亦用置数法从十进制改装为八进制，作为十位计数器。再将两块芯片通过串联进位方式连接，将其连接成为40进制的计数器。1秒记一个数，40正好是一个信号灯变换周期。而个位5进制也可以同时满足对需要的5、15、20秒的利用。图5信号灯计数电路3.信号灯控制电路信号灯全部利用门电路控制实现，通过对计数器十位输出端电压值的判断，来决定信号灯的点亮与熄灭。以下表2、3为从代码和信号灯两个角度出发，得到的信号灯控制规则，也可以参照表4信号灯时间安排：时间（s）计数器十位二进制代码点亮信号灯00000/1000东西绿、南北黄50001/1001东西绿、南北红100010/1010东西绿、南北红150011/1011东西绿、南北红200100/1100东西黄、南北绿250101/1101东西红、南北绿300110/1110东西红、南北绿350111/1111东西红、南北绿表2各代码控制的信号灯５信号灯点亮规则东西绿百位为0东西黄末三位为0东西红百位为0，末两位不全为0南北绿百位为1南北黄末三位为100南北红百位为1，末两位不全为0表3各信号灯点亮规则0-5s5-10s10-15s15-20s20-25s25-30s30-35s35-40s东西绿东西黄东西红南北黄南北红南北绿表4信号灯时间安排通过以上的三个表格，可以很快用各门电路的组合得出信号灯控制电路。（各门电路输出低电平有效）如下图所示：图6信号灯控制电路以上是信号灯基本功能，以下为扩展功能６4.倒计时电路，其显示电路及声音提示电路如下图所示，最左边是倒计时电路，中间部分为显示电路，右下角的是声音提示线路。图7倒计时电路，其显示电路及声音提示电路其中倒计时电路采用了两块可逆双时钟BCD计数器74LS192。个位十进制，十位以置数法改为二进制，用串联进位方式连接成为二十进制计数器。与信号灯的技术方式不同，这里的计数采用减法计数方式，即每次计数从19开始一直到00，故满足每个路口20秒的绿灯时间。显示电路模块采用了DCD_HEX_BLUE数码显示管。由于基本功能和扩展功能分离的设计带来了更多的芯片，这里不再使用7段数码管，以免增加至少两个七段显示译码器，造成电路面积的冗余。而DCD_HEX系列的显示管内置了译码器，所以不用译码器的配合，而引脚也从7+1个减少至3个，接线方便。声音提示电路由或门控制，在倒计时进入最后三秒时，计数器个位的三四位为0，计数器十位为0，仅此时或门输出低电平，蜂鸣器导通，发声提示，直到计数器十位置数以后，或门输出高电平，蜂鸣器停止工作。７5.总体结构框图图8总体结构８四、存在问题及改进方法1.信号灯的点亮与熄灭时间是定死的，如果其等待时间需要作出调整，将极为不便。解决方案：增加编码器，通过编码器能实现对预置时间更复杂的控制。2.由于基本功能和扩展功能是分离式的设计，扩展功能故障不会引起基本功能的运作。但一旦基本功能故障，扩展功能将会继续工作。在没有信号灯工作的路口，仅仅显示倒计时数字和声音提示，这恰恰是一项没有意义的工作。解决方案：增加基本功能的故障检测电路，一旦检测到信号灯无法正常工作，强迫扩展功能停止工作。分离式设计在扩展功能入口预留了开关，仅需将故障检测输出与该开关相关联即可。3.倒计时只有一种颜色，无法区分红绿灯。解决方案：增加判断电路，采取不同颜色的数码显示管。绿灯时，使用绿色或蓝色倒计时数码显示管，红黄灯时采用黄色或橙色带有警戒意义颜色的倒计时数码显示管。五、参考资料及网站1.《简易交通灯控制逻辑电路设计报告》2.《数字电子技术红绿灯课程设计报告》3.《红绿灯电路设计》