交通信号灯控制电路的设计与仿真

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1、唐 山 学 院 课 程 设 计 说 明 书11.引 言在 城 镇 街 道 的 十 字 交 叉 路 口 ， 为 了 保 证 交 通 秩 序 和 行 人 安 全 ， 一 般 在 每条 道 路 上 各 有 一 组 红 、 黄 、 绿 交 通 信 号 灯 ， 其 中 红 灯 亮 ， 表 示 该 条 道 路 禁 止通 行 ； 黄 灯 亮 表 示 该 条 道 路 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 ； 绿 灯 亮 表 示 该 条 道 路 允 许 通 行 。 交 通 灯 控 制 电 路 自 动 控 制 十 字路 口 两 组 红 、 黄 、 绿

2、 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 。交 通 信 号 灯 的 设 计 涉 及 到 模 拟 电 子 技 术 与 数 字 电 子 技 术 。 其 中 ， 绝 大 部分 是 数 字 部 分 ： 逻 辑 门 电 路 、 数 字 逻 辑 表 达 式 、 计 算 真 值 表 与 逻 辑 函 数 间 的关 系 、 分 频 器 ， 计 数 器 等 基 本 原 理 。 交 通 信 号 灯 的 设 计 包 含 了 计 数 器 ， 十 二进 制 数 的 概 念 。 交 通 信 号 灯 的 设 计 与 制

3、作 不 仅 加 深 了 对 数 字 电 路 的 了 解 ， 而且 由 于 交 通 信 号 灯 包 括 组 合 逻 辑 电 路 和 时 叙 电 路 ， 进 一 步 学 习 与 掌 握 各 种 组合 逻 辑 电 路 与 时 序 电 路 的 原 理 与 使 用 方 法 ， 为 数 字 电 路 的 制 作 提 供 思 路 。本 系 统 采 用 小 规 模 集 成 电 路 构 成 交 通 信 号 灯 控 制 电 路 的 硬 件 电 路 ， 由555 定 时 器 产 生 秒 脉 冲 ， 经 过 双 D 触 发 器 构 成 的 T 触 发 器 进 行 分 频 产 生 四秒 脉 冲 信 号 ， 将 其 作 为

4、 十 二 进 制 计 数 器 的 CP脉 冲 。 而 十 二 进 制 计 数 器 作 为组 合 逻 辑 电 路 的 输 入 ， 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 。 最 后 用 电 路 仿 真 软 件 Multisim 绘 制 出 交 通 信 号 灯 控 制 电 路 的完 整 电 路 图 ， 并 对 其 各 部 分 进 行 仿 真 、 调 试 。唐 山 学 院 课 程 设 计 说 明 书22.交 通 信 号 灯 概 述交 通 信 号 灯 的 逻 辑 框 图 如 图 2-1所 示 。 它 由 555集 成 芯 片 构 成

5、 的 振 荡 电路 产 生 秒 脉 冲 、 分 频 器 、 十 二 进 制 计 数 器 、 组 合 逻 辑 电 路 、 LED灯 和 直 流 电源 组 成 。 555集 成 芯 片 构 成 的 振 荡 电 路 产 生 的 信 号 经 过 分 频 器 作 为 四 秒 脉 冲 ，四 秒 脉 冲 送 入 计 数 器 ， 计 数 结 果 通 过 逻 辑 电 路 的 与 或 非 的 变 换 从 而 使 南 北 向和 东 西 向 的 红 黄 绿 灯 按 着 要 求 变 化 。四 分 频 器 秒 脉 冲 产 生 电 路工 作 方 式 控 制 开 关 十 二 进 制 计 数 器组 合 逻 辑 电 路东 西 信

6、 号 灯 南 北 信 号 灯 系统电源图 2-1 交 通 信 号 灯 的 逻 辑 框 图唐 山 学 院 课 程 设 计 说 明 书33.基 本 设 计 内 容 及 要 求3.1 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

7、 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 。3.2 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

8、间 工 作 方 式 。3.3 设 计 要 求要 求 根 据 设 计 要 求 实 现 交 通 灯 的 现 实 功 能 ；用 Multisim进 行 仿 真设 计 说 明 书 ； 图 3-1信 号 指 示 灯 白 天 点 亮 流 程 图南 北 方 向 黄 灯 亮 ， 东 西 方 向 红 灯 亮 1t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 1t唐 山 学 院 课 程 设 计 说 明 书44.单 元 模 块4.1 电 源 模 块信 号 灯 采 用 三 极

9、管 9031 驱 动 ， 其 额 定 电 流 与 额 定 电 压 应 满 足 三 级 管 的驱 动 能 力 ， 电 源 电 压 采 用 直 流 5V， 通 过 变 压 器 将 市 电 降 压 到 交 流 9V， 在 通过 整 流 桥 整 流 滤 波 和 稳 压 块 7805得 到 直 流 5V电 压 。 直 流 稳 压 电 源 的 任 务 是为 整 体 电 路 提 供 直 流 电 源 。 故 稳 压 电 源 电 路 的 输 出 电 压 值 和 输 出 电 流 值 应 满足 整 体 电 路 的 需 要 。作 为 一 个 实 际 的 应 用 系 统 直 流 稳 压 电 源 是 必 不 可 少 的

10、。 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 。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 。直 流 稳 压 电 源 原 理 图 如 图 4-1所 示 ：D21B4B421243C41mFV1220 Vpk 50 Hz 0 2035U5LM109HLINEVREGCOMMO

11、NVOLTAGE72T2037404.2 秒 脉 冲 发 生 模 块双 极 型 555 定 时 器 由 电 阻 分 压 器 、 比 较 器 、 基 本 RS 触 发 器 、 双 极 型 三极 管 T和 输 出 缓 冲 器 组 成 ， 其 外 部 有 八 个 引 脚 ， 第 8脚 为 电 源 端 ， 第 1脚 为接 地 端 ， 第 3 脚 为 输 出 端 ， 第 4脚 为 直 接 复 位 端 ， 第 5脚 为 控 制 电 压 输 入 端 ，第 6脚 为 复 位 控 制 端 ， 第 2脚 为 置 位 控 制 端 ， 第 7脚 为 放 电 端 。 如 图 4-2所示 为 555定 时 器 引 脚 图

12、 ： 图 4-1 直 流 稳 压 电 源 的 原 理 图唐 山 学 院 课 程 设 计 说 明 书5如 图 4-2所 示 为 555定 时 器 组 成 的 多 谐 震 荡 器 原 理 图 ：由 555 定 时 器 组 成 的 多 谢 震 荡 器 的 周 期 公 式 为 ： T=（ R1+2R2） CLn2=0.7（ R1+2R2） C,电 源 电 压 Vcc=+5,其 中 电 路 图 中 C2的 作 用 是 防 止 电 磁 干 扰 对 振荡 电 路 的 影 响 ， 一 般 选 用 0.01uF 的 瓷 片 电 容 。 再 次 要 求 输 出 T=1s， 选 用 电容 为 C1=1uF， R1=

13、560K ， 根 据 振 荡 周 期 计 算 ， 选 择 电 阻 R2=434K 。根 据 原 理 图 连 接 电 路 图 如 图 4-3所 示图 4-3 多 谐 振 荡 器 原 理 图IC555VDD DIS TH VcGND TR Vo MR图 4-2所 示 为 555 定 时 器 引 脚 图8 437 5556 52 1R2C 0.01uFUR1 VCC唐 山 学 院 课 程 设 计 说 明 书64.3 十 二 进 制 计 数 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

14、 、 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 。 因 此 ， 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。74LS164 是 具 有 异 步 清 0、 计 数 、 保 持 等 功 能 的 8 位 串 入 并 出 移 位 寄 存器 ， 图 4-4为 其 引 脚 排 列 和 逻 辑 符 号 。如 表 4-1所 示 为 74LS164功 能 表 ：A3555_VIRTUALGNDDISOUTRSTV

15、CCTHRCONTRIC510nFC61uFR18560R19434262819027图 4-4 555多 谢 震 荡 器 的 连 线 图Vcc QH QG QF QE RD CPA B QA QB QC QD GND74LS164图 4-5 74LS164引 脚 图唐 山 学 院 课 程 设 计 说 明 书7输 入 输 出清 零 时 钟 串 入RD CP A B QA QB QC QD QE QF QG QHL L L L L L L L LH L QAO QBO QCO QDO QEO QFO QGO QHOH H H H QAn QBn QCn QDn QEn QFn QGnH L L

16、QAn QBn QCn QDn QEn QFn QGnH L L QAn QBn QCn QDn QEn QFn QGn应 用 电 路 ： 用 74LS164组 成 的 12进 制 扭 环 型 计 数 器 电 路 ， 其 电 路 图 如图 4-5所 示 。4.4 分 频 器 电 路 的 设 计十 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 。表 4-1 74LS164功 能 表VCC QH QG QF QE RD CPA B QA QB