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2020-5-8 16:49 上傳

隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市車輛的數(shù)目大幅度增加，隨之而來的交通堵塞等問題也被受人們的關(guān)注。本文設(shè)計的目的是要設(shè)計一種能夠更好的使用于現(xiàn)實交通情況的交通信號燈控制系統(tǒng)。

由一條主干道和一條支干道的匯合點形成十字交叉路口,為確保車輛安全、迅速地通行,在交叉路口的每個入口處設(shè)置了紅、綠、黃三色信號燈。紅燈亮禁止通行;綠燈亮允許通行;黃燈亮則給行駛中的車輛有時間停靠在禁行線內(nèi)。實現(xiàn)紅、綠燈的自動指揮對城市交通管理現(xiàn)代化有著重要的意義。

設(shè)計一個交通燈能實現(xiàn)以下功能：

(1)當主干道允許通行亮綠燈時,支干道亮紅燈,而支干道允許亮綠燈時,主干道亮紅燈。
    (2)主支干道交替允許通行,主干道每次放行30s、支干道20s。設(shè)計30s和20s計時顯示電路。
    (3)在過程中間,要亮5s的黃燈作為過渡,設(shè)置5s計時顯示電路。

(1)設(shè)計一個十字路口的交通燈控制電路，十字路口分為主干道、次干道，兩干道交替運行，紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示可以通行。主干道放行時間為30秒，次干道為20秒。

(2)主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30s，支干道每次放行20s

(3)每次綠燈變紅燈時，黃燈先亮5s，此時紅燈不變

(4)用十進制數(shù)字顯示放行及等待時間

(5)用74LS163,74LS192,74LS245,邏輯符號，顯示譯碼器等器件組成交通信號燈電路并在protues軟件上進行仿真與調(diào)試。

(6)畫出各單元電路圖、整個系統(tǒng)邏輯框圖和邏輯電路圖，寫出設(shè)計、實驗總結(jié)報告。

方案一原理框圖如圖2-1所示：

圖2-1  方案一的原理框圖

設(shè)主干道方向紅綠黃燈分別為R,G,Y,次道路方向紅綠黃燈分別為RR,GG,YY。用十進制減數(shù)計數(shù)器控制三種狀態(tài)的保持和切換，主干道和次干道共用同步的脈沖信號，主干道方向先由30s減數(shù)到0s的時候切換為黃燈并開始5s倒計時，到第二次減數(shù)到0s時切換為綠燈并開始20s倒計時，待減數(shù)到0s時在切換為綠燈，為一個循環(huán)（周期為55s）。同理，次干道方向紅黃綠三燈保持亮的時間分別為30s、5s、20s，一個循環(huán)也是55s，可實現(xiàn)紅黃綠的切換。

方案二原理框圖如圖1-2所示。

主干道方向紅綠黃燈分別為R0,G0,Y0,次道路方向紅綠黃燈分別為R1,G1,Y1。用同步十進制可逆計數(shù)器控制三種狀態(tài)的保持和切換，主干道和次干道共用同步的脈沖信號，主干道通行，支干道不通行，此時主綠燈和支紅燈亮，持續(xù)時間為30s。30秒后，主干道停車，支干道任不通行，此時主黃燈和支紅燈亮，持續(xù)時間為5s。5s后，主干道不通行，支干道通行，此時主紅燈和黃燈亮，持續(xù)時間為20s。20s后，主干道仍不通行，支干道停車，此時主紅燈和支黃燈亮，持續(xù)時間5s,可實現(xiàn)紅黃綠的切換。

方案一：由方案一的原理描述可得，方案一采用的是基本數(shù)字電路，原理比較簡單。而其中采用的器件例如74LS163,74LS192等器件都是數(shù)字電路基礎(chǔ)中所學(xué)過的，對其原理的掌握更透徹，更容易實現(xiàn)本次交通燈信號控制器的設(shè)計。但是此方案也有一個大的缺陷：它對兩路時間對稱的系統(tǒng)容易實現(xiàn)，但對設(shè)計要求的兩路時間不對稱的系統(tǒng)較難實現(xiàn)，如果要實現(xiàn)兩路時間不對稱的控制就要多加控制信號，這樣實現(xiàn)就很麻煩，且條理不清晰。

方案二：由方案二的原理描述可得， 方案二用的也是數(shù)字電子基礎(chǔ)中所學(xué)的基本原理與芯片，具有和方案一的全部優(yōu)點，并且設(shè)計的思路清晰。每一個部分都可以劃分為一個模塊，可以便于前期連接時檢查錯誤和后期的測試。在設(shè)計時可以先將每個模塊分別連接完成后再將其連接為一個整體。更加有利于本次交通信號控制系統(tǒng)的設(shè)計的實現(xiàn)。

綜上分析，此設(shè)計方案選擇方案二，其原理簡單，便于連線，便于調(diào)試，且容易實現(xiàn)與燈控制信號同步的倒計時功能。

本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的具體功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個單元模塊之間的聯(lián)接關(guān)系；同時本節(jié)也會對相關(guān)電路中的參數(shù)計算、元器件選擇、以及核心器件進行必要說明。

本系統(tǒng)主要分為7個單元模塊，它們分別是：主控電路模塊、倒計時控制電路模塊、置數(shù)存儲電路模塊、控制置數(shù)電路模塊、555定時器電路模塊、控制黃燈閃爍電路模塊和邏輯電路表達式電路模塊。各單元模塊功能及相關(guān)電路的具體說明如下。

• 模塊的具體功能和原理
  

該模塊可以控制交通燈信號系統(tǒng)的四種狀態(tài)，選擇四位二進制同步加法計數(shù)器74LS161和反相器74LS04組成該模塊，電路共有4種狀態(tài)，這四個狀態(tài)可以用二進制編碼表示，S0用00表示，S1用01表示，S2用10表示，S3用11表示：

S0狀態(tài)：表示主路綠燈亮，支路紅燈亮，30s計時器開始計時，且通車時間為已經(jīng)到30秒。

S1狀態(tài)：表示主路通車時間已經(jīng)到30秒，此時，主路黃燈亮，支路紅燈亮，5s計時器開始計時。

S2狀態(tài)：表示主干道黃燈時間已經(jīng)到5s，此時，主路紅燈亮，支路綠燈亮，20s計時器開始計時。

S3狀態(tài)：表示支路通車時間已經(jīng)到20秒，此時，主路紅燈亮，支路黃燈亮，5s計時器開始計時。

• 模塊的結(jié)構(gòu)框圖
  

圖3-1

• 模塊的具體電路
  

圖3-2

將74LS161的CP輸入端連接在倒計時十位的輸出端，由74LS161的芯片功能可知，當?shù)谝粋�CP上升沿信號到來時，芯片通過同步并行置數(shù)功能開始計數(shù)隨后保持狀態(tài)，直到下一個CP上升沿信號到來的時候，就實現(xiàn)“置零”的功能，從而實現(xiàn)S0,S1,S2,S3之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

• 模塊的具體功能和原理
  

該電路主要是由2片十進制計數(shù)器74LS192芯片組成，實現(xiàn)30秒倒計時，20秒倒計時，5秒倒計時計時功能，然后通過主控制電路實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，最終各個方向的倒計時公用一套譯碼顯示數(shù)碼管顯示出來。交通燈的減計數(shù)分主干道和支干道兩部分，由于兩部分的計數(shù)時間不同因而要分別采用兩個計數(shù)器對其進行計數(shù)，計數(shù)采用倒計時的方式，因而需要采用帶減計數(shù)功能的計數(shù)芯片。

• 模塊的結(jié)構(gòu)框圖
  

圖3-3

4、模塊的具體電路

                                     圖3-4

該電路模塊選擇利用雙時鐘控制的可逆計數(shù)器74LS192兩片級聯(lián)，并且利用十位

在0之后的“9”態(tài)進行異步置數(shù)。74LS192的個位用555振蕩電路提供的秒脈沖，實現(xiàn)0-9遞減，當個位遞減到零時，TCD會在后半個CP中有一個下降沿和一個上升沿，為十位提供減計數(shù)器秒脈沖，而當十位也遞減到0時，TCD的后半個CP也會產(chǎn)生一個下降沿和一個上升沿。這個CP用來控制主控電路切換狀態(tài)的脈沖。在主控電路的作用下，從而實現(xiàn)S0,S1,S2,S3之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。D0-D7用于狀態(tài)切換后的置數(shù)輸入。當十位減到0時，TCD將會產(chǎn)生錯位脈沖，待主控電路切換狀態(tài)后，置數(shù)存儲電路已經(jīng)切換到所需要置數(shù)的電路，當十位減法計時器從0借位后即將切換到9的瞬間，用與非門74lLS00將十位的Q0和Q3與非，此時置數(shù)，即完成了一次完整的狀態(tài)切換。同理，每個狀態(tài)的切換原理相同。

• 模塊的具體功能和原理
  

置數(shù)存儲模塊需要預(yù)置，所以通過3片74LS245來預(yù)置30秒，20秒，5秒到減計數(shù)器,3片74LS245的輸入數(shù)據(jù)分別接入30、20、5這3個不同的數(shù)字,74LS245的輸出數(shù)據(jù)和減法計數(shù)器相連,實現(xiàn)設(shè)計要求的計時時間。當接低電平時數(shù)據(jù)由B傳到A，當接高電平時數(shù)據(jù)由A傳到B。

• 模塊的結(jié)構(gòu)框圖
  

圖3-5

• 模塊的具體電路
  

圖3-6

將DIR端接入1，實現(xiàn)端輸入端輸出功能，將三塊74LS245A端分別接入“00110000”即30，“0010000”即20，“00000101”即5。通過或門將Q1,Q2接入置數(shù)為30的74LS245的端，當輸入為0時，將在顯示屏上顯示30。同理可得20和5。

1、模塊的具體功能和原理

該模塊由74LS32、74LS00、74LS04、74LS08組成，G控制預(yù)置為30的始能端，R控制預(yù)置為20的始能端，Y控制預(yù)置為5的始能端。

2、模塊的結(jié)構(gòu)框圖

圖3-7

3、模塊的具體電路

圖3-8

=,,,=,=,=根據(jù)邏輯表達式選擇合適的器件組成邏輯電路。

1、模塊的具體功能

振蕩電路輸出頻率為1Hz、幅度為5V的時鐘脈沖，為提高精度，本設(shè)計系統(tǒng)利用555定時器設(shè)計一個輸出頻率為1Hz的脈沖信號。

• 模塊的組成和工作原理
  

該模塊由555定時器和電阻、電容組成。555定時器是一種多用途的模擬、數(shù)字混合集成電路，在波形的產(chǎn)生與變換，控制與檢測、家用電器以及電子玩具等許多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。555定時器功能多樣，應(yīng)用廣泛，只要外部配上幾個阻容元器件即可構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路。電路路由一個555芯片、兩個電阻和兩個電容組成，通過電阻給電容充電、放電的過程來產(chǎn)生振蕩，從而輸出矩形脈沖。振蕩電路輸出頻率為1Hz、幅度為5V的時鐘脈沖，為提高精度，利用555定時器設(shè)計一個輸出頻率為1Hz的脈沖信號。

• 模塊的具體電路
  

圖3-12

若T=1s,令C=10μF，R1=15K，R2=68K，經(jīng)過計算的T=1s，則f =1Hz。從而使傳輸脈沖周期為1s。

4、模塊中相關(guān)參數(shù)的計算

暫穩(wěn)態(tài)Ⅰ的維持時間,即輸出的正向脈沖寬度

                      （公式3-3）

暫穩(wěn)態(tài)Ⅱ的維持時間,即輸出的負向脈沖寬度

                         （公式3-4）

功能：74LS192是雙時鐘方式的十進制可逆計數(shù)器。(BCD,二進制)。CPU為加計數(shù)時鐘輸入端，CPD為減計數(shù)時鐘輸入端。LD為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置。 CR為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除。CO為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出，BO為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出。

引腳圖如下：

圖中: 為加計數(shù)時鐘輸入端，為減計數(shù)時鐘輸入端；為預(yù)置輸入控制端，異步預(yù)置；為復(fù)位輸入端，高電平有效，異步清除；為進位輸出：1001狀態(tài)后負脈沖輸出；為借位輸出：0000狀態(tài)后負脈沖輸出。

功能表如下：

功能：從74LS161功能表功能表中可以知道，當清零端CR=“0”，計數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復(fù)位功能。當CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CTT。合理應(yīng)用計數(shù)器的清零功能和置數(shù)功能，一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器。引腳圖如下：

引腳圖介紹：時鐘信號；四個數(shù)據(jù)輸入端、、、；清零；始能端，；數(shù)據(jù)輸出端、、、。

555定時器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當阻容元件，就可以方便地構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路，在工業(yè)控制，定時，仿聲，電子樂器及防盜報警等方面運用很廣。電路結(jié)構(gòu)和芯片圖形如下所示：

圖3-15 555集成定時器的電路結(jié)構(gòu)和芯片圖形

表3-4  555定時器功能表

555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的反相輸入端的電壓為 ，C2 的同相輸入端的電壓為。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 ，同時 TR 端的電壓大于，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。

總線驅(qū)動器74LS244和74LS245經(jīng)常用作三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器,74LS244為單向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器,而74LS245為雙向三態(tài)數(shù)據(jù)緩沖器。單向的內(nèi)部有8個三態(tài)驅(qū)動器,分成兩組,分別由控制端 1G和2G控制; 雙向的有16個三態(tài)驅(qū)動器,每個方向8個。在控制端G有效時（G為低電平），由DIR端控制驅(qū)動方向：DIR為“1”時方向從左到右(輸出允許),DIR為“0”時方向從右到左(輸入允許)。引腳圖如下：

圖3-16

圖中DIR，為輸入輸出端口轉(zhuǎn)換用，DIR=1高電平時信號由A端輸入B端輸出，DIR=0低電平時信號由B端輸入A端輸出。第2-9腳是A信號輸入輸出端，A1=B1,A8=B8，A1與B1是一組，如果DIR=1,OE=0則A2輸入B2輸出，其它類同。如果DIR=0,OE=0則B2輸入A2輸出，其它類同。第11-18腳B信號輸入輸出端，功能與A端一樣，不再描述。第19腳OE，使能端，若該腳為1, B端或者A端的信號將不導(dǎo)通，只有為0時B端或者A端的信號才被啟用，該腳也就是起到開關(guān)的作用。第10腳GND，電源地。第20腳VCC，電源正極。由于本設(shè)計需要順序輸出30s，20s，5s的時間所以選擇了74LS245芯片，因其有控制使能端且好理解。

該設(shè)計主要分為7個單元模塊，它們分別是：由74LS161和74LS04組成的主控電路模塊、兩片74LS192組成的倒計時控制電路模塊、三片74LS245組成的置數(shù)存儲電路模塊、74LS32、74LS04和74LS00組成的控制置數(shù)電路模塊、555定時器電路模塊、TRIIBUFFER控制黃燈閃爍電路模塊和74LS08、74LS04組成的邏輯電路表達式電路模塊。

該設(shè)計使用proteus仿真軟件中的traffic代替實際生活中信號燈，當主干道允許通行亮綠燈時,支干道亮紅燈,而支干道允許亮綠燈時,主干道亮紅燈，主支干道交替允許通行,主干道每次放行30s、支干道20s。該實驗設(shè)計了30s和20s計時顯示電路，在過程中間,要亮5s的黃燈作為過渡,設(shè)置5s計時顯示電路。但是在設(shè)計過程中由于緊急紅燈的設(shè)計需要四個同時閉合的開關(guān)稍顯麻煩，還有手動清零的設(shè)置，由于我想將緊急紅燈與手動清零放在一起做，所以我因為時間關(guān)系并未想到更好的關(guān)于緊急紅燈的改進方法，所以暫時放棄該想法。結(jié)合實際生活我想設(shè)置夜間黃燈閃爍，但是需要設(shè)計24的計數(shù)器，由于時間匆忙，所以該想法并未實現(xiàn)。希望在之后的空余時間里能想到更好的解決辦法。

附錄1 系統(tǒng)的原理電路圖

有錯誤的仿真工程：

交通燈實驗有51hei有仿真.7z (648.59 KB, 下載次數(shù): 265)

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修復(fù)后的工程:

Proteus仿真圖.7z (697.9 KB, 下載次數(shù): 57)