交通燈課程設(shè)計正文

1、<p><b>　　1.前言</b></p><p><b>　　交通燈的歷史</b></p><p>　　19世紀初，在英國中部的約克城，紅、綠裝分別代表女性的不同身份。其中，著紅裝的女人表示我已結(jié)婚，而著綠裝的女人則是未婚者。后來，英國倫敦議會大廈前經(jīng)常發(fā)生馬車軋人的事故，于是人們受到紅綠裝啟發(fā)，1868年12月10日，信號燈家族的

2、第一個成員就在倫敦議會大廈的廣場上誕生了，由當時英國機械師德·哈特設(shè)計、制造的燈柱高7米，身上掛著一盞紅、綠兩色的提燈--煤氣交通信號燈，這是城市街道的第一盞信號燈。在燈的腳下，一名手持長桿的警察隨心所欲地牽動皮帶轉(zhuǎn)換提燈的顏色。后來在信號燈的中心裝上煤氣燈罩 ，它的前面有兩塊紅、綠玻璃交替遮擋。不幸的是只面世23天的煤氣燈突然爆炸自滅，使一位正在值勤的警察也因此斷送了性命。 </p><p>　　從此

3、，城市的交通信號燈被取締了。直到1914年，在美國的克利夫蘭市才率先恢復(fù)了紅綠燈，不過，這時已是“電氣信號燈”。稍后又在紐約和芝加哥等城市，相繼重新出現(xiàn)了交通信號燈。 </p><p><b>　　紅黃綠交通燈的出現(xiàn)</b></p><p>　　隨著各種交通工具的發(fā)展和交通指揮的需要，第一盞名副其實的三色燈(紅、黃、綠三種標志)于1918年誕生。它是三色圓形四面投影器

4、，被安裝在紐約市五號街的一座高塔上，由于它的誕生，使城市交通大為改善。 </p><p>　　黃色信號燈的發(fā)明者是我國的胡汝鼎，他懷著“科學救國”的抱負到美國深造，在大發(fā)明家愛迪生為董事長的美國通用電器公司任職員。一天，他站在繁華的十字路口等待綠燈信號，當他看到紅燈而正要過去時，一輛轉(zhuǎn)彎的汽車呼地一聲擦身而過，嚇了他一身冷汗?；氐剿奚?，他反復(fù)琢磨，終于想到在紅、綠燈中間再加上一個黃色信號燈，提醒人們注意危險。他的

5、建議立即得到有關(guān)方面的肯定。于是紅、黃、綠三色信號燈即以一個完整的指揮信號家族，遍及全世界陸、海、空交通領(lǐng)域了。 </p><p>　　交通燈顏色對視覺的影響</p><p>　　其實,用這三色來作交通訊號和人的視覺機能結(jié)構(gòu)和心理反應(yīng)有關(guān)。 </p><p>　　我們的視網(wǎng)膜含有桿狀和三種錐狀感光細胞。桿狀細胞對黃色的光特別敏感，三種錐狀細胞則分別對紅光、綠光及藍光

6、最敏感。由于這種視覺結(jié)構(gòu)，人最容易分辨紅色與綠色。雖然黃色與藍色也容易分辨，但因為眼球，對藍光敏感的感光細胞較少，所以分辨顏色，還是以紅、綠色為佳。所以，交通燈用什么顏色也是有大學問的呀 ！ </p><p>　　顏色也有活動 (activity)的含意，要表達熱或劇烈的話，最強是紅色，其次是黃色。綠色則有較冷及平靜的含意。因此，人們常以紅色代表危險，黃色代表警覺，綠色代表安全。 </p><

7、p>　　而且，由于紅光的穿透力最強，其他顏色的光很容易被散射，在霧天里就不容易看見，而紅光最不容易被散射，即使空氣能見度比較低，也容易被看見，不會發(fā)生事故。所以我們用紅色表示禁止。</p><p><b>　　2.總體設(shè)計方案</b></p><p><b>　　2.1方案比較</b></p><p><b&g

8、t;　　方案一：</b></p><p>　　用數(shù)電電子技術(shù)來實現(xiàn)交通燈控制   </p><p>　　交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信號發(fā)生器等部分組成。秒脈沖發(fā)生器是該系統(tǒng)中定時器和控制器的標準時鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路后驅(qū)動信號燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時

9、器和譯碼器的工作。圖中：　　TL:表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為25秒，即車輛正常通行的時間間隔。定時時間到，TL=1，否則，TL=0?！　Y：表示黃燈亮的時間間隔為5秒。定時時間到，TY=1，否則，TY=0?！　T：表示定時器到了規(guī)定的時間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號。由它控制定時器開始下個工作狀態(tài)的定時?！　?#160;        

10、0;         圖1系統(tǒng)的原理框圖交通燈控制器</p><p>　　（1）甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)?！　?lt;/p><p>　?。?）乙車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車

11、線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)?！　?lt;/p><p>　?。?）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規(guī)定的時間間隔TL時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)?！　?lt;/p><p>　　（4）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，

12、乙車道上位過縣停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時間間隔TY時，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)。交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器器進行控制的。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為00、01、11、10，并分別用S0、S1、S3、S2表示，則控制器的工作狀態(tài)及功能如表1、2所示，控制器應(yīng)送出甲、乙車道紅、黃、綠燈的控制信號。為簡便起見，把燈的代號和燈的驅(qū)動信號合二

13、為一，并作</p><p>　　如下規(guī)定：  控制狀態(tài)信號燈狀態(tài)車道運行狀態(tài)S0（00）甲綠、乙紅甲車道通行，乙車道禁止通行S1（01）甲黃、乙紅甲車道緩行，乙車道禁止通行S3（11）甲紅、乙綠甲車道禁止通行，乙車道通行S2（10）甲紅，乙黃甲車道禁止通行，乙車道緩行AG=1甲車道綠燈亮甲車道通行BG=1乙車道綠燈亮乙車道通行AY=1甲車道黃燈亮甲車道緩行BY=1乙車道黃燈亮乙車道緩行AR=

14、1甲車道紅燈亮甲車道禁止通行BY=1乙車道紅燈亮乙車道禁止通行。如表1。</p><p><b>　　表1</b></p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　　圖2. 交通控制燈電路設(shè)計</p><p>　　如圖1所示為交通控制電路設(shè)計方案圖，根據(jù)概述中的設(shè)計思想及方法來實現(xiàn)下

15、圖的交通指示燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中描述的指示燈的轉(zhuǎn)換及每種狀態(tài)維持的時間（用數(shù)碼顯示管來顯示）。</p><p><b>　　方案三：</b></p><p>　　采用MAX7000S系列的EPM128L_7芯片設(shè)計采用這種設(shè)計主要就在芯片使用，但是所使用的芯片比較貴，并且軟件的設(shè)計比較大，而且對軟件的設(shè)計需要借助一定的工具，然而使用這種邏輯編程的工具很貴。方案四：<

16、;/p><p>　　用單片機技術(shù)來實現(xiàn)交通燈控制采用單片機AT89C51來設(shè)計并制作，這種方案的硬件較少，基本上硬件沒什么難度，用單片機來實現(xiàn)交通燈控制是最容易實現(xiàn)的，而且該電路可靠性也很高，但是這是要求設(shè)計者要有單片機編程的基礎(chǔ)上才能完成設(shè)計。由于本人單片機編程基礎(chǔ)不是很好，所以選用了數(shù)字電子技術(shù)來實現(xiàn)交通燈控制。</p><p>　　2.2方案的論證與選擇</p><

17、p>　　由于我們做的是數(shù)字電路的課程設(shè)計，而且通過對以上三種方案的可行性的比較，同時為了加深對數(shù)電知識的理解和掌握，此次設(shè)計我們懸著了方案一，用數(shù)電電子技術(shù)來實現(xiàn)交通燈控制。</p><p><b>　　3.單元模塊設(shè)計：</b></p><p><b>　　3.1電源模塊</b></p><p>　　電源模塊主要為

18、交通燈控制電路提供電源，其主要結(jié)構(gòu)是由220V市電通過一個變壓器降壓，再通過由二極管構(gòu)成的整流橋轉(zhuǎn)換成直流電，再通過濾波和穩(wěn)壓，最后輸出我們需要的5V直流電壓。如圖3。</p><p><b>　　圖3 電源的設(shè)計</b></p><p><b>　　3.2秒脈沖發(fā)生器</b></p><p>　　NE555的特點有：&l

19、t;/p><p>　　1.只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時作用。其延時范圍極廣，可由幾微秒至幾小時之久。</p><p>　　2.它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平及輸入觸發(fā)電平，均能與這些系列邏輯電路的高、低電平匹配。</p><p>　　3.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負載。</p&g

20、t;<p>　　4.它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。</p><p>　　Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。</p><p>　　Pin 2 (觸發(fā)點) -這個腳位是觸發(fā)NE555使其啟動它的時間周期。觸發(fā)信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。</p><p>　　Pin 3 (

21、輸出) -當時間周期開始555的輸出輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結(jié)束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。 </p><p>　　Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。</p><p>　　Pin 5 (控制) -這個接腳準許由外部電壓改變觸發(fā)和閘限電壓。當

22、計時器經(jīng)營在穩(wěn)定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調(diào)整輸出頻率。 </p><p>　　Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態(tài)。當這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。</p><p>　　Pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH，

23、對地為高阻抗。</p><p>　　Pin 8 (V +) -這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應(yīng)電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。</p><p>　　555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　　圖4. 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器</p><p>　　如圖3所示為555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，Cf為10

24、nF，若C取100nF，依據(jù)公式周期T=（R1+2R2）Cln2 可計算出R1+2R2≈150kΩ時可得到周期為0.01s的振蕩信號;若C取10uF，依據(jù)公式周期T=（R1+2R2）Cln2 可計算出R1+2R2≈150kΩ時可得到周期為1s的振蕩信號。</p><p><b>　　3.3定時器</b></p><p>　　定時器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時鐘脈沖產(chǎn)生器提供）

25、同步的計數(shù)器構(gòu)成，要求計數(shù)器在狀態(tài)信號ST作用下，首先清零，然后在時鐘脈沖上升沿作用下，計數(shù)器從零開始進行增1計數(shù)，向控制器提供模5的定時信號TY和模15的定時信號TL。</p><p>　　計數(shù)器選用集成電路74LS160進行設(shè)計較簡便。74LS160是10進制同步加法計數(shù)器，它具有異步清零、同步置數(shù)的功能。74LS160功能表如表1-4所示。</p><p><b>　　表2

26、</b></p><p>　　表中RD是低電平有效的同步清零輸入端，LD是低電平有效才同步并行置數(shù)控制端，D0～D3是并行數(shù)據(jù)輸入端，Q0～Q 3是數(shù)據(jù)輸出端。設(shè)計如圖1-5</p><p>　　圖5 交通燈定時器</p><p>　　其工作原理為：由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的秒脈沖CLK分別送給兩個74LS160的清零端9處。如圖所示：輸入端3.4.5.6分

27、別接地.。U1的7和10由U2的11、14經(jīng)過與門相與后相連。.即：只有當時11、14處產(chǎn)生一個高電平脈沖時才能觸發(fā)U1中的14產(chǎn)生脈沖。當U13C74LS04的ST信號分別送給U1和U2的LOAD。就可以得到TY和TY非是秒脈沖的5倍；TL和TL非的結(jié)果是秒脈沖的15倍。</p><p>　　74LS160引腳圖及引腳介紹：</p><p><b>　　PE ：使能輸入端<

28、;/b></p><p><b>　　P0–P3：輸入端</b></p><p>　　CEP ：Count Enable Parallel Input</p><p>　　CET：Count Enable Trickle Input</p><p>　　CP：時鐘信號輸入端</p><p>

29、　　MR：Master Reset (Active LOW) Input</p><p>　　SR：Synchronous Reset (Active LOW) Input</p><p><b>　　Q0–Q3：輸出端</b></p><p>　　TC：Terminal Count Output (Note b)</p><

30、;p><b>　　3.4控制器</b></p><p>　　制器是交通管理的核心，它應(yīng)該能夠按照交通管理規(guī)則控制信號燈工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。列出控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，如表1-6所示。選用兩個D觸發(fā)器74LS74做為時序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為TL和TY，當控制器處于Q1n+1Q0n+1＝ 00狀態(tài)時，如果TL＝ 0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果，則控制器轉(zhuǎn)換到Q1n+1Q0

31、n+1＝ 01狀態(tài)。這兩種情況與條件TY無關(guān)，所以用無關(guān)項"X"表示。其余情況依次類推，就可以列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號ST。表1-3控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表</p><p><b>　　表3</b></p><p>　　根據(jù)上表可以推出狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號方程，其方法是：將Q1n+1、Q0n+1和 ST為1的項所對應(yīng)的輸人或狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件變量相與，其中"1

32、"用原變量表示，"0"用反變量表示，然后將各與項相或，即可得到下面的方程：</p><p>　　根據(jù)以上方程，選用數(shù)據(jù)選擇器 74LS153來實現(xiàn)每個D觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇輸入端作為控制信號．即可實現(xiàn)控制器的功能。</p><p>　　控制器原理圖如圖1-6所示。圖中R、C構(gòu)成上電復(fù)位電路。由兩個雙多路轉(zhuǎn)換器74LS1

33、53和一個雙D觸發(fā)器74LS74組成控制器。觸發(fā)器記錄4種狀態(tài)，多路轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)器配合實現(xiàn)4種狀態(tài)的相互交換。</p><p>　　圖6 交通燈控制器</p><p>　　其原理為： CLK分別送給U6A和U6B的3和11的清零端。將TY接入U4的5和U5的4和5；TY非接入U4的4。如上圖所示：74LS74兩個D觸發(fā)器作為時序寄存器產(chǎn)生4種狀態(tài)。選用數(shù)據(jù)選擇器74LS153來實現(xiàn)每個D

34、觸發(fā)器的輸入函數(shù)，將觸發(fā)器的的現(xiàn)態(tài)值加到74LS153的數(shù)據(jù)選擇端作為控制信號，即可實現(xiàn)控制器的功能。</p><p><b>　　3.5 譯碼電路</b></p><p>　　譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出 Q1、 Q0的4種工作狀態(tài)，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態(tài)。控制器的狀態(tài)編碼與信號燈控制信號之間的關(guān)系如表1-4所示。表中A、B代表甲、乙車道。<

35、;/p><p>　　表4 控制器狀態(tài)編碼與信號燈關(guān)系表</p><p>　　由秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生了周期性變化的CLK脈沖，一部分送給了定時器的74LS160芯片，另一部分送給了控制器的74LS74芯片。在脈沖ST同時加到定時器74LS160芯片的情況下，通過芯片74LS10將會輸出TY、TY非；TL、TL非。即TY和TY非放大的結(jié)果是秒脈沖的5倍；TL和TL非放大的結(jié)果是秒脈沖的15倍。前者輸

36、出的信號是后者的1/5。將定時器輸出的TY。TY非；TL。TL非分別作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脈沖置于芯片74LS74中會輸出高低變化的電平?？刂破髦械男盘栐谒徒o由芯片74LS08組成的譯碼器后再通過電路中的指示燈和200歐的電阻從而得到交通燈的邏輯電路，這種電路的結(jié)果最終通過小燈的正常閃爍來實現(xiàn)。電路圖設(shè)計如圖1-9</p><p>　　圖7 譯碼器部分原理圖</p><p

37、><b>　　3.6 顯示部分</b></p><p>　　顯示部分由74LS48和共陽極七段數(shù)碼管組成，74LS48作為譯碼器，對74LS160的輸出信號進行譯碼，然后通過七段數(shù)碼管顯示出74LS160的計數(shù)。即交通燈需要顯示的時間。其設(shè)計如圖8</p><p>　　圖8 共陽極七段數(shù)碼管顯示電路</p><p><b>　　

38、4.軟件設(shè)計</b></p><p>　　本設(shè)計主要運用到的軟件有仿真軟件Protues和Multisim以及畫圖軟件Protel99se等。其中Protues和Multisim主要用于各部分仿真調(diào)試和總得電路設(shè)計仿真調(diào)試。Protel 99se用于原理圖的繪制和PCB印制電路的繪制。  </p><p><b>　　其流程圖如下：<

39、;/b></p><p>　　方案選擇Protues模塊仿真調(diào)試Protel99se繪制原理圖和PCB</p><p><b>　　圖9 流程圖</b></p><p><b>　　5.系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　?。?）組裝調(diào)試秒脈沖電路。</p><p&g

40、t;　?。?）進行定時電路的組裝和調(diào)試。當輸人1Hz的時鐘脈沖信號時，要求電路能進行增計時，當增計時到25時，能輸電有效的定時時間到信號。</p><p>　　（3）調(diào)試交通燈控制器以及顯示部分。</p><p>　?。?）判斷各部分電路之間的時序配合關(guān)系。然后檢查電路各部分的功能，使其滿足設(shè)計要求。</p><p><b>　　最終調(diào)試如下：</b

41、></p><p>　　接上電源,便可以進行交通燈控制系統(tǒng)的仿真，甲車道方向綠燈亮25秒，行人車輛都可自由通行；乙車道方向的紅燈亮，車輛禁止通行。25秒后，甲車道亮黃燈，時間為5秒，此時乙車道依然亮紅燈。這5秒過后，乙車道改亮綠燈，甲車道亮紅燈，時間25秒，然后乙車道亮黃燈，甲車道繼續(xù)亮紅燈，維持5秒。然后甲車道亮綠燈，乙車道亮紅燈，依次循環(huán)。</p><p>　　6.系統(tǒng)功能，指標

42、參數(shù)</p><p>　?。?）甲車道和乙車道兩條交叉道路上的車輛交替通行，每次通行時間都設(shè)為25秒。</p><p>　?。?）每次綠燈變紅燈時，黃燈先亮5秒鐘，才能變換運行車道。</p><p>　?。?）指標和參數(shù)見設(shè)計步驟</p><p><b>　　7.總結(jié)和體會</b></p><p>

43、;<b>　　1、能實現(xiàn)的功能</b></p><p>　　交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和計時時間的顯示，基本能實現(xiàn)甲、乙道路直行和轉(zhuǎn)彎燈的顯示功能。</p><p><b>　　2、不足之處</b></p><p>　　設(shè)計過程中用的芯片太多。</p><p>　　通過這次設(shè)計，掌握了對數(shù)字電路交通燈的設(shè)計方

44、法，掌握了NE555構(gòu)成多諧振蕩器的做法，對555產(chǎn)生脈沖信號有進一步的控制。懂得了分頻電路的設(shè)計，對芯片有了一個新的看法，對芯片的功能有了進一步的了解。設(shè)計中遇到的問題也可以通過自己的查詢和同學的幫助解決，鍛煉了自己的獨立思維能力和動手動腦能力。要有一個明確的目標和一顆團結(jié)合作的心，還要保持一個良好的心態(tài)，才能把設(shè)計做得更好！</p><p><b>　　8.謝辭</b></p>

45、;<p>　　首先謝謝張老師為我們這個設(shè)計付出的心血。為我們一個個的去矯正問題，一點也不厭煩同學們知識上的欠缺，一一為我們指出，這樣的老師是好老師。在這次的設(shè)計里，我懂得了許多以前未懂或者不太懂的知識，給了同學們一個自己鍛煉的機會和舞臺。在這次的設(shè)計里面，充分驗證同學們的團結(jié)，積極，主動精神。也要謝謝我們的組長以及組員同志們，給了我很多的幫助。謝謝老師，謝謝他們。</p><p><b>

46、　　9.參考文獻</b></p><p>　　[1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)：數(shù)字部分.5版.北京高等教育出版社.2007</p><p>　　[2] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育出版社 2006.5</p><p>　　[3] 鄭家龍.集成電子技術(shù)基礎(chǔ)教程.北京高等教育出版社2002.</p><p>　　[4] 羅杰等編.