交通灯控制器的设计.pdf

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1、 交通灯控制器的设计 This manuscript was revised by JIEK MA on December 15th,2012.电子设计自动化实训说明书 题 目：交通灯控制器的设计 系 部：信息与控制工程学院 专 业：电子信息工程 班 级：06 级 1 班 学生姓名:朱清美 学 号:015 指导教师:张建军 2009 年 12 月 21 日 目 录 1 摘要：分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。关键词：交通控制 交通灯 时间发生器 定时器 1 引言随着社会经济的发

2、展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80 年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速

3、道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，笔者进行了深入的研究，以下就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。2 设计任务与要求 设计一个十字路口交通灯信号控制器，要求如下：1.主、支干道交替通行，主干道每次放行30s，支干道每次放行20s。2.绿灯亮表示可通行，红灯亮表示禁止通行。3.每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s。4.在黄灯亮时，原红灯按1Hz 的频率闪烁。5.十字路口的交通灯要有数

4、字显示，作为等候时间提示。要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。3 设计原理及框图 十字路口的交通灯指挥着行人和各种陈车辆的安全通行。有一个主干道和支干道的十字路口，如图1所示。图一 两条支干道上都设置了红、绿、黄3 色信号灯。红灯表示禁止通行，绿灯表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线一外的车辆体制运行。因为主干道上的车辆多，所以放行的时间要长。要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由秒脉冲信号发生器、计数器、状态控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路几部分组成。整机电路的设计框图如图 2 所示 图二 交通灯控制系统组成框图 状态控

5、制器用于记录十字路口交通灯的工作状态，实现对主、支干道车辆运行状态的控制。状态译码器根据状态控制器所处的状态，通过状态译码器分别驱动点亮相应的信号灯，指挥主、支干道的行人和车辆。通过减法计数器对秒脉冲信号作减计数，完成计时任务，达到控制每一种工作状态持续时间的目的。减法计数器的回零脉冲控制状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态，决定计数器下一次减计数的初始值。减法计数器的状态由 BCD 码译码器译码，驱动数码管显示。在黄灯亮期间，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制器，使红灯闪烁。4 单元电路设计及仿真调试 状态控制器的设计 根据设计要求，因主干道和支干道各有 3 种灯（红、黄

6、、绿），它们在正常工作时，发亮的灯只有 4 种可能的组合：主绿灯亮，支红灯亮，主干道通行；主黄灯亮，支红灯闪烁，主干道停车；主红灯亮，支绿灯亮，支干道通行；主红灯闪烁，支黄灯亮支干道停车。各信号灯的工作顺序流程如图三所示。30s 未到 5s 未到 20s 未到 5s 未到 图三 交通灯工作顺序流程图 信号灯 4 种不同的状态分别用 S0、S1、S2、S3 表示，其状态编码及状态转换图如图四所示。图四 交通灯状态编码及状态转换图 由图四可知其显然是一个 2 位二进制计数器，可采用多种中规模集成计数器来实现。本电路采用 74LS161 的 4 位二进制计数器直接利用其低位构成 2 位二进制计数器来

7、实现状态的转换，电路如图 9 五（a）所示。将状态控制器创建为子电路。分别在各端口接入输入/输出端口，注意端口的左右放置，朝左放置是输入端口，朝右放置是输出端口，然后将电路全选，选择 Place/Replace by Subcircuit 菜单命令，在弹出的对话框中输入子电路名称 statecontrol，创建的子电路如图五（b）所示，RC1 是来自减法计数器的控制脉冲输入端，Q2和 Q1是控制信号输出端。(a)RC1 Q2 Q1 Statecontrol（b）状态译码器设计及仿真调试 主、支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见真值表一。对于信号灯的状态

8、，1 表示灯亮，0 表示灯灭。表一 信号灯信号状态真值表 状态控制器输出 主干道信号灯 支干道信号灯 Q2 Q1 R(红)Y(黄)G（绿）r（红）y（黄）G（绿）0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为：R=Q2Q1+Q2Q1=Q2 R=Q2 Y=Q2Q1 Y=Q2Q1 G=Q2Q1 G=Q2Q1 R=Q2Q1+Q2Q1=Q2 r=Q2=Q2 y=Q2Q1 y=Q2Q1 g=Q2Q1 g=Q2Q1 选择发光二极管来模拟交通灯，状态译码器仿真电路如图六所示，其中X1

9、 是状态控制器子电路。由于门电路带灌电流的能力一般比带拉电流的能力强，故当显示电路设计的是输出低电平时，会点亮相应的发光二极管。再考虑到设计任务要求，当黄灯亮时，红灯按 1Hz 的频率闪烁。从信号灯的信号状态真值表中可以看出，当黄灯亮时，Q1必为高电平，而红灯点亮信号与 Q1无关。可利用 Q1信号控制一个三态门电路 74LS125，由于 74LS125 的使能端是低电平有效，所以将 Q1引入到使能端。当黄灯亮时，Q1为高电平，Q1为低电平，使能端有效，将秒脉冲信号引到驱动红灯的与非门输入端，使红灯在黄灯亮期间闪烁；否则，将秒脉冲信号隔离，红灯信号不受黄灯信号控制。图 9-24 所示的仿真电路中

10、，为了快速仿真，来自减法计数器的控制脉冲用了 100Hz 的脉冲信号仿真，故秒信号采用了 1kHz 的脉冲信号仿真，故秒信号采用了 1kHz 的信号仿真。图六 交通灯状态显示仿真电路 定时系统设计及仿真调试 根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动置入不同定时时间的定时器，以完成30s、20s 及 5s 的定时任务。该定时器由两片 74LS190 构成两位十进制可预置数减法计数器完成；时间显示由两片 74LS248 和两个共阴数码管对减法计数器进行译码显示；预置减法计数器的时间通过三片 8 路三态门 74LS245 选通端 DIR 高电平有效。三片 74LS245 的输入数据分别接 30、2

11、0、5 三个不同的数据，由状态控制器的输出信号控制在不同状态时分别选通 74LS245 来实现置入不同的数据，状态控制如表二所示。表二 状态控制表 状态 Q2 Q1 DIR30 DIR20 DIR5 S0 0 0 1 0 0 S1 0 1 0 0 1 S2 1 0 0 1 0 S3 1 1 0 0 1 根据表二可知状态控制逻辑表达式为：DIR30=Q2Q1=Q2+Q1 DIR20=Q2Q1=Q2+Q1 DIR5=Q2Q1+Q2Q1=Q1 将 DIR30 送到输入数据为 30 的 74LS245 的 DIR 端；将 DIR20 送到输入数据为 20 的74LS245 的 DIR 端；将 DIR5

12、 送到输入数据为 5 的 74LS245 的 DIR 端。状态控制器的转换由计数器来控制，当计数器计到0 时，要实现状态的转换，可通过电路中的U10 和 U14A 来完成。当计数器计到 0 时，经 U10 和 U14A 输出一上升沿驱动状态控制器转到下一状态。所设计的定时系统如图七所示，其中 X1 是状态控制器子电路。图七 交通定时电路 秒脉冲发生器设计 产生秒脉冲信号的电路有多种形式，本设计中利用 555 定时器组成的多谐振荡器产生秒脉冲信号。电路见图八，电路的输出脉冲周期T（R2+2R1）C2，调节 R2使输出脉冲周期为 1s。图八 交通灯控制器整机电路 5 个人总结 总之,这次实验我收获

13、颇多。实践是获得知识的一种最好的手段！但是，实际上不同时刻的车辆流通状况是十分复杂的，是高度非线性的、随机的，还经常受人为因素的影响。采用定时控制经常造成道路有效应用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车辆积压。它不顾当前道路上交通车辆数的实际情况变化，其最大的缺陷就在于当路况发生变化时，不能满足司机与路人的实际需要，轻者造成时间上的浪费，重者直接导致交通堵塞，导致城市交通效率的下降。据了解，目前有一种使用“模糊控制”技术控制交通等的方法。能够根据十字路口两个方向上车辆动态状况，自动判断红绿灯时间间隔，以保证最大车流量，减少道口的交通堵塞，但是却不像定时控制，能用数字显示器显示当前灯色剩

14、余时间，以便于驾驶员随时掌握自己的驾驶动作，及时停车或启动。假设将二者综合起来考虑，加以设计必定会得到更好的效果。6 参考文献 1 蓝运维.基于 FPGA 的交通灯控制系统的仿真J.现代电子技术,2006（9）:125-129.2 何峰.基于 Verilog HDL设计的交通灯控制系统J.现代电子技术,2005(8):103-107.3 路而红专用集成电路设计与电子设计自动化M北京：清华大学出版社，2004.4 孙凌翔,陈世和,李劲松.顺序控制法在交通灯控制系统中的应用J，现代电子技术，2006（10）：26-27.5 王成勇.智能交通灯控制系统J.广东技术师范学院学报,2006（4）：92-94.6 陈胜利.PLC 在控制交通信号灯中的应用J.机电一体化,2003(9)：85-87.7 李静.单交叉口交通灯信号模糊控制及其仿真J.微计算机信息，2006,22（3-1）:33-38.指导教师评语：成绩：指导教师签字：年 月 日