基于單片機(jī)的交通信號燈的設(shè)計

1、漯河食品職業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）交通信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計及仿真分析學(xué)生姓名： 扈亞倫 所學(xué)專業(yè)： 機(jī)電一體化 學(xué) 號： 110602526 指導(dǎo)老師： 鄭 艷 2014年3月 18日摘 要隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制與交通疏導(dǎo)的計算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。隨著城市機(jī)動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完

2、成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。為此，通過我應(yīng)用所學(xué)的知識設(shè)計了一套交通燈控制電路的方案。交通燈的控制系統(tǒng)主要由計時電路、主控電路、信號燈轉(zhuǎn)換器、脈沖信號發(fā)生器組成。關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；計時電路；主控電路；信號燈轉(zhuǎn)換器

3、；脈沖信號發(fā)生器目 錄第一章 緒論11.1交通信號燈控制系統(tǒng)研究的背景和意義11.2交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計方案1第二章 狀態(tài)控制器設(shè)計42.1狀態(tài)分析42.2 CD4029的引腳圖及引腳功能42.3狀態(tài)控制器設(shè)計圖5第三章 狀態(tài)譯碼器設(shè)計63.1控制信號燈的譯碼電路的真值表63.2電路分析63.3三態(tài)門的功能73.4狀態(tài)譯碼器設(shè)計圖7第四章 定時系統(tǒng)設(shè)計94.1計數(shù)器的作用及工作情況94.2共陽極LED七段數(shù)碼管引腳圖94.3 74LS247譯碼器引腳圖及引腳功能104.4數(shù)碼連接譯碼電路114.5三態(tài)門74LS245的引腳圖及引腳功能124.6觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)及功能124.7定時系統(tǒng)設(shè)計圖1

4、3第五章 秒脈沖發(fā)生器設(shè)計155.1 555 定時器介紹155.2 NE555的特點(diǎn)155.3 555定時器的引腳排列圖及引腳功能165.4 555定時器構(gòu)成的秒信號發(fā)生器165.5秒信號發(fā)生器工作原理18第六章 仿真軟件介紹及仿真分析206.1 仿真軟件介紹20 6.2仿真調(diào)試交通信號燈狀態(tài)控制器20 6.3仿真調(diào)試交通信號燈顯示電路21 6.4仿真調(diào)試交通信號燈定時電路226.5仿真調(diào)試秒脈沖發(fā)生器236.6仿真調(diào)試整個系統(tǒng)25總結(jié)26參考文獻(xiàn)27附錄28謝辭36第一章 緒論1.1交通信號燈控制系統(tǒng)研究的背景和意義世界上第一盞名副其實(shí)的三色燈(紅、黃、綠三種標(biāo)志)于1918年誕生。它是三色

5、圓形四面投影器，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。中國最早的馬路紅綠燈，是于1908年出現(xiàn)在上海的英租。 從最早的手牽皮帶到20世紀(jì)50年代的電氣控制，從采用計算機(jī)控制到現(xiàn)代化的電子定時監(jiān)控，交通信號燈在科學(xué)化、自動化上不斷地更新、發(fā)展和完善1。隨著社會的發(fā)展和進(jìn)步，路上的車輛越來越多，而道路建設(shè)往往跟不上城市發(fā)展的速度，因此城市交通問題日益突出，經(jīng)常在十字路口等交通繁忙的地方發(fā)生堵塞情況，出現(xiàn)交通混亂。為了解決車和路的矛盾，常用的有兩種方法：一是控制需求，最直接的辦法就是限制車輛的增加；二是增加供給，也就是修路。但是這兩個辦法都有其局限性。我國汽車工業(yè)正處在

6、起步階段，限制車輛的增加不是解決問題的好方法。而采取增加供給，即大量修路，在資源、環(huán)境矛盾越來越突出的今天，有限的源和財力以及環(huán)境的壓力，也將受到限制。這就需要依靠除限制需求和提供道路設(shè)施之外的其他方法來滿足日益增長的交通需求。交通系統(tǒng)正是解決這一矛盾的途徑之一。交通控制研究的發(fā)展，旨在解決人類交通因需求的增多而日益繁重帶來的問題，局限于道路建設(shè)的暫時不足和交通工具的快速增長，就要使更多的車輛安全高效的利用有限的道路資源，避免因無序和搶行等無控制原因造成的不必要阻塞甚至癱瘓，另外，針對整個交通線路車輛的多少適時調(diào)整和轉(zhuǎn)移多條線路的分流也十分必要。交通網(wǎng)絡(luò)是城市的動脈，象征著一個城市的工業(yè)文明水

7、平。交通關(guān)系著人們對于財產(chǎn)，安全和時間的利益。具有優(yōu)良科學(xué)的交通控制技術(shù)對資源物流和人們的出行都是十分有價值的，保證交通線路的暢通安全，才能保證出行舒暢，物流準(zhǔn)時到位甚至是生命道路的延伸。研究城市交通信號控制系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)膶W(xué)術(shù)價值和實(shí)用價值，解決了城市交通擁擠問題，提高了城市交通的效率，適應(yīng)未來的城市交通的發(fā)展，從長遠(yuǎn)來看該研究具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。1.2交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計方案十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。每邊都設(shè)置了紅、綠、黃色信號燈。因?yàn)橹鞲傻郎系能囕v多，所以主干道放行的時間要長。在綠燈變紅燈時先要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓停車線以外的車輛停止運(yùn)行2。故本設(shè)計如下：1主、支

8、干道交替通行，設(shè)主干道通行時間為30s，干道通行時間為20s。2綠燈亮表示可通行，紅燈亮表示禁止通行。3每次綠燈變紅燈時，黃燈先亮5s（此時另一干道上的紅燈不變）。4十字路口要有數(shù)字顯示，作為等候時間提示。主、支干道通行時間及黃燈亮的時間均以秒為單位作減計數(shù)。5在黃燈亮?xí)r，原紅燈按1Hz的頻率閃爍。6主、支干道通行時間及黃燈亮的時間均可在099s內(nèi)任意設(shè)定。故系統(tǒng)工作流程圖如圖1-1所示：圖1-1 系統(tǒng)工作流程圖要實(shí)現(xiàn)上述交通信號燈的自動控制，則要求控制電路由控制器、譯碼器、秒脈沖發(fā)生器、計數(shù)器信號燈譯碼驅(qū)動電路3和數(shù)字顯示譯碼驅(qū)動電路等幾部分組成，整個電路的原理框圖如圖1-2所示：圖1-2

9、交通燈控制系統(tǒng)的原理框圖1）狀態(tài)控制器：主要用于記錄十字路口交通燈的工作狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對主、支干道車輛運(yùn)行狀態(tài)的控制。2）狀態(tài)譯碼器：按照狀態(tài)控制器所處的狀態(tài)，通過狀態(tài)譯碼器分別驅(qū)動點(diǎn)亮相應(yīng)的信號燈，指揮主、支干道的行人和車輛。3）秒脈沖發(fā)生器：產(chǎn)生整個定時系統(tǒng)的時基脈沖，確保整個電路同步工作和實(shí)現(xiàn)定時控制。4）減法計數(shù)器：通過減法計數(shù)器對秒脈沖作減計數(shù)，完成計時任務(wù)，達(dá)到控制每一種工作狀態(tài)持續(xù)時間的目的。減法計數(shù)器的回零脈沖使?fàn)顟B(tài)控制器完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)下一個工作狀態(tài)，決定計數(shù)器下一次減法計數(shù)的初始值。第二章 狀態(tài)控制器設(shè)計2.1狀態(tài)分析首先分析十字路口交通信號燈工作的實(shí)際各

10、種可能狀態(tài)。因主干道和支干道各有 3種燈(紅、綠、黃)，它們在正常工作時，亮燈的組合只有4種可能。1）設(shè)開始時主干道通行，支干道不通行，這種情況下主綠燈和支紅燈亮，持續(xù)時間為30s。2）30s后，主干道停車，支干道仍不通行，這種情況下主黃燈亮，支紅燈閃爍，持續(xù)時間為5s。3）5s后，主干道不通行，支干道通行，這種情況下主紅燈和支綠燈亮，持續(xù)時間為20s。4）20s后，主干道仍不通行，支干道停車，這種情況下主紅燈閃爍，支黃燈亮，持續(xù)時間為5s。5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復(fù)。因此，主控制電路有4種狀態(tài)，設(shè)這4種狀態(tài)依次用S0(主綠燈亮，支紅燈亮)、 S1(主黃燈亮，支紅燈閃爍)、S2 (主

11、紅燈亮，支綠燈亮)、S3（主紅燈閃爍，支黃燈殼)表示4，其狀態(tài)編碼及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2-1所示：圖2-1 信號燈工作順序流程圖4組編碼對應(yīng)4種狀態(tài)，顯然這是一個 2位二進(jìn)制計數(shù)器的輸出狀態(tài)，故可采用多種中規(guī)模集成計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計采用CD4029連接成二進(jìn)制加法計數(shù)器構(gòu)成狀態(tài)控制器。2.2 CD4029的引腳圖及引腳功能CD4029 為 4位可預(yù)置二進(jìn)制/十進(jìn)制可逆計數(shù)器。它的引腳圖如圖2-2所示。該計數(shù)器可進(jìn)行二進(jìn)制加/減計數(shù)或BCD十進(jìn)制加/減計數(shù)操作，兩種計數(shù)方式均有超前進(jìn)位功能；B/D端為高電平時，進(jìn)行二進(jìn)制計數(shù)；B/D端為低電平時，進(jìn)行十進(jìn)制計數(shù)。U/ D為高電平時，為加計數(shù)器；反之

12、，為減計數(shù)器。PE為置數(shù)控制端，為計數(shù)控制器。因此CD4029 的計數(shù)選擇有4 種，分別由U/D(上數(shù)/下數(shù))及B/D(二進(jìn)制/十進(jìn)制)兩腳來控制。圖2-2 CD4029的引腳圖1.U/D=1，B/D=1；則為上數(shù)二進(jìn)計數(shù)，其計數(shù)值由0000 到1111，總共有16 種狀態(tài)，也就是十進(jìn)制的0 到15。2.U/D=1，B/D=0；則為上數(shù)十進(jìn)計數(shù)，其計數(shù)值由0000 到1001 為止，只有10 種狀態(tài)，換句話說就是BCD 計數(shù)的0 到9，詳如時序圖所示。3.U/D=0，B/D=1；則為下數(shù)二進(jìn)計數(shù)，其計數(shù)值分別依1111、1110 往下計至0000，再回到1111；總共有16 種狀態(tài)，也就是十進(jìn)

13、制的15 到0。4.U/D=0，B/D=0；則為下數(shù)十進(jìn)計數(shù)，其計數(shù)值由1001、1000 往下計數(shù)至0000，再回到1001，即由9 下數(shù)至0，再回到9。2.3狀態(tài)控制器設(shè)計圖本設(shè)計中需要用二進(jìn)制加法計數(shù)器來表示S0、S1、S2、S3這四種狀態(tài)，故把B/D和U/ D接高電平。在4029的引腳Q0、Q1上分別加了一個非門來表示對它們?nèi)》矗瑥亩玫絊0 、S1、S2、S3這四種狀態(tài)，電路如圖2-3所示： 圖2-3 狀態(tài)控制器設(shè)計圖第三章 狀態(tài)譯碼器設(shè)計3.1控制信號燈的譯碼電路的真值表主、支干道上紅、黃、綠信號燈的狀態(tài)主要取決于狀態(tài)控制器的輸出狀態(tài)。它們之間的關(guān)系見表3-1。其中主干道的信號燈分

14、別用大寫字母R、Y、G代表紅燈、黃燈和綠燈，支干道的信號燈分別用小寫字母 r、y、g代表紅燈、黃燈和綠燈。對于信號燈的狀態(tài)，1 表示燈亮，0 表示燈滅5。這樣，就將交通信號燈信號的工作狀態(tài)以真值表的形式表達(dá)出來。表3-1 交通信號燈信號狀態(tài)真值表 根據(jù)真值表，可求出各信號燈的邏輯函數(shù)表達(dá)式為：R=Q2·+ Q2·Q1=Q2 =2 (3-1)Y=·Q1 = (3-2) G=· = (3-3) r=·+·Q1 = =2 (3-4) y= Q2·Q1 = (3-5) g= Q2· = (3-6)3.2電路分析根據(jù)以上表達(dá)

15、式可采用邏輯門電路構(gòu)成：門電路是數(shù)字邏輯電路的基本組成單元，門電路按邏輯功能可分為：與門、或門、非門以及與非門、或非門、異或門、同或門、與或非門。若按電路結(jié)構(gòu)組成的不同，可分為立元件門電路、CMOS集成門電路、TTL集成門電路等。各種集成門電路通常都封裝在集成芯片內(nèi)。此次設(shè)計采用的集成電路有74LS00、74LS125。每個集成電路都有自己的代號，與代號對應(yīng)的名稱形象地說明了集成電路的用途。74LS00是二輸入端四與非門，它說明這個集成電路中包含四個二輸入端的與非門。由交通信號燈控制系統(tǒng)設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)知道，當(dāng)黃燈亮?xí)r，紅燈按 1Hz的頻率閃爍。從表3-1中可以看出，黃燈亮?xí)r，Q1必為高電平；而

16、紅燈點(diǎn)亮信號與Q1信號無關(guān)?？衫肣1信號去控制一個三態(tài)門電路74LS125 (或模擬開關(guān))來控制。3.3三態(tài)門的功能三態(tài)門簡稱TSL門(以TTL三態(tài)門為例)，它是在普通門的基礎(chǔ)上加上使能控制電路和控制信號構(gòu)成的。所謂三態(tài)門，是指其輸出有3種狀態(tài)，即高電平、低電平和高阻態(tài) (開路狀態(tài))6。在高阻態(tài)時，其輸出與外接電路呈斷開狀態(tài)。圖3-1、3-2是三態(tài)與非門的邏輯圖。 圖3-1 高電平有效 圖3-2 低電平有效 圖3-1所示的三態(tài)門是控制端為高電平時有效。當(dāng) EN=1時，與普通與非門的邏輯功能相同：當(dāng) EN=0時，不論A、B 的狀態(tài)如何，輸出均為高PEI態(tài) (與外電路隔斷)。圖3-2所示的三態(tài)門

17、是控制端為低電平時有效。當(dāng)=0時，與普通與非門的邏輯功能相同；當(dāng)=1時，不論A、B的狀態(tài)如何，輸出為高阻態(tài)。因此，當(dāng)Q1為高電平時(Q1為低電平，控制三態(tài)門的EN，將秒脈沖信號引到驅(qū)動紅燈的與非門的輸入端，使紅燈在黃燈亮期間閃爍；反之將其隔離，使紅燈信號不受黃燈信號的影響。3.4狀態(tài)譯碼器設(shè)計圖輸出端選擇發(fā)光二極管來模擬交通燈，由于門電路帶灌電流的能力一般比帶拉電流的能力強(qiáng)，要求門電路輸出低電平時，點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管，故交通信號燈狀態(tài)譯碼電路組成如圖3-3所示：圖3-3 交通信號燈狀態(tài)譯碼電路第四章 定時系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求，交通燈控制系統(tǒng)要有一個能自動置入不同定時時間的定時器，以完成 30

18、s、20s、5s 的定時任務(wù)。該定時器由兩片CD4029構(gòu)成的2位十進(jìn)制可預(yù)置減法計數(shù)器構(gòu)成，時間顯示狀態(tài)由兩片74LS47和兩只共陽極LED七段數(shù)碼管對減法計數(shù)器進(jìn)行譯碼顯示，預(yù)置到減法計數(shù)器的時間常數(shù)通過3片8路雙向三態(tài)門74LS245來設(shè)定。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，任一輸入數(shù)據(jù)到減法計數(shù)器的置入，由狀態(tài)譯碼器的輸出信號控制不同74LS245的選通信號來實(shí)現(xiàn)。4.1計數(shù)器的作用及工作情況計數(shù)器的作用：一是根據(jù)主干道和支干道車輛運(yùn)行時間以及黃燈切換時間的要求，進(jìn)行30s、20s、5s 3種方式的計數(shù)；二是向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，主控制器根據(jù)狀

19、態(tài)轉(zhuǎn)換信號進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。計數(shù)器除需要秒脈沖作時鐘信號外，還應(yīng)受主控制器的狀態(tài)控制。計數(shù)器的工作情況為：計數(shù)器在主控制器進(jìn)入狀態(tài)S0時開始30s計數(shù)；30s后產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進(jìn)入狀態(tài)S1，計數(shù)器開始5s計數(shù)；5s后又產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進(jìn)入狀態(tài)S2，計數(shù)器開始20s計數(shù)；20s后也產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器進(jìn)入狀態(tài)S3，計數(shù)器又開始5s計數(shù)；5s后同樣產(chǎn)生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號，使計數(shù)器歸零，主控制器回到狀態(tài)S0，開始新一輪循環(huán)。本設(shè)計由兩片CD

20、4029構(gòu)成的2位十進(jìn)制可預(yù)置減法計數(shù)器來進(jìn)行倒計時，由于CD4029功能前面已經(jīng)寫出，此處不再綴余。4.2共陽極LED七段數(shù)碼管引腳圖數(shù)碼管分為共陽極結(jié)構(gòu)和共陰極結(jié)構(gòu)。若顯示器共陽極連接，則對應(yīng)陽極接高電平的字段發(fā)光；而顯示器共陰極連接，則接低電平的字段發(fā)光。共陽極數(shù)碼管引腳如圖4-1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-2所示：圖4-1 共陽極數(shù)碼管引腳圖圖4-2 共陽極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.3 74LS47譯碼器引腳圖及引腳功能中規(guī)模集成電路74LS47是一種常用的7段顯示譯碼器，74LS47是輸出低電平有效的七段字形譯碼器，它在這里與數(shù)碼管配合使用，即輸出為0時，對應(yīng)字段點(diǎn)亮；輸出為1時，對應(yīng)字段熄滅，所

21、以驅(qū)動的是共陽極的 7段顯示器。該譯碼器能夠驅(qū)動7段顯示器顯示015共16個數(shù)字的字形。輸入端A1、A2、A3和A4接收4位二進(jìn)制碼，輸出端Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf和Qg分別驅(qū)動7段顯示器的7段。譯碼顯示原理圖如圖4-3所示：圖4-3 譯碼顯示原理圖74LS47主要引腳功能如下：(1)：試燈輸入，是為了檢查數(shù)碼管各段是否能正常發(fā)光而設(shè)置的。當(dāng)=0時，無論輸入A1，A2 ，A3 ，A4為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為低電平，即a、b、c、d、e、f、g均輸出為零,，發(fā)光數(shù)碼管各發(fā)光段全亮，顯示8字用以檢查數(shù)碼管各發(fā)光段是否良好。當(dāng),=1時,譯碼器按輸入BCD碼正常譯碼顯示。 (2)：滅燈輸入

22、，是為控制多位數(shù)碼顯示的滅燈所設(shè)置的。=0時。不論和輸入A1，A2 ，A3 ，A4為何種狀態(tài)，譯碼器輸出均為高電平，即a、b、c、d、e、f、g均輸出為1，使共陽極7段數(shù)碼管熄滅。只有=1時,譯碼器才根據(jù)A、B、C、D輸入狀態(tài)而譯碼輸出。(3)：滅零輸入，它是為使不希望顯示的0熄滅而設(shè)定的。當(dāng)=0時,若輸入DCBA=0000,則輸出不顯示0,若輸入為其它帶碼,則照常顯示。(4)：滅零輸出，它和共用一個引腳，它既是滅燈輸入端用來接收信號,又是滅零輸出端輸出信號,為相鄰位提供滅零輸入信號，用它可以實(shí)現(xiàn)多位數(shù)碼顯示的滅零控制。(5) 常用的七段顯示器還加了小數(shù)點(diǎn)DP。4.4數(shù)碼連接譯碼電路74LS2

23、47是一種BCD碼輸入端,其中D是高電位，a、b、c、d、e、f、g是輸出端,輸出低電平有效,和共陽極半導(dǎo)體發(fā)光數(shù)碼管各發(fā)光段的陰極引出線相互連接，74LS47譯碼器原理譯碼為編碼的逆過程。它將編碼時賦予代碼的含義“翻譯”過來。實(shí)現(xiàn)譯碼的邏輯電路成為譯碼器。譯碼器輸出與輸入代碼有唯一的對應(yīng)關(guān)系。圖4-4是74LS247和數(shù)碼管的管腳排列圖。圖4-4 七段數(shù)碼顯示器譯碼電路表4-1列出了七段顯示譯碼電路真值表，表示出了它與數(shù)碼管之間的關(guān)系。表4-1 七段顯示譯碼電路真值表4.5三態(tài)門74LS245的引腳圖及引腳功能74LS245是我們常用的芯片，用來驅(qū)動發(fā)光二極管或者其他的設(shè)備，尾帶三態(tài)輸出的8

24、位雙向數(shù)據(jù)緩沖器，專用于數(shù)據(jù)雙向傳輸。74LS245芯片引腳如圖4-5所示。其中芯片引腳為芯片使能端(有的標(biāo)為)，為低電平時，緩沖器才能工作。DIR為傳輸方向控制端，當(dāng)DIR=0時，信號由B向A傳輸，當(dāng)DIR=1時，信號由A向B傳輸；為高電平時，A、B均為高阻態(tài)。圖4-5 74LS245的引腳圖4.6觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)及功能根據(jù)邏輯功能的不同分為： RS觸發(fā)器、 JK觸發(fā)器、 T觸發(fā)器、 D觸發(fā)器。本設(shè)計用到的是RS觸發(fā)器，圖4-6和4-7分別是RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和圖形符號。圖4-6 電路結(jié)構(gòu) 圖4-7 圖形符號SR鎖存器的特性表如表4-2所示：表4-2 SR鎖存器特性表SR鎖存器在電路中的作

25、用是保證數(shù)碼管顯示數(shù)字的時間間隔為1s。4.7定時系統(tǒng)設(shè)計圖當(dāng)狀態(tài)控制器在S1 (Q2Ql =01)或在S3(Q2Ql=11)時. 要求減法計數(shù)器按初值5開始計數(shù)，故采用S1、S3為邏輯變量而形成的控制信號Q1去控制輸入數(shù)據(jù)接數(shù)字5的74LS245的選通端7。由于74LS245選通信號要求低電平有效，故Q1經(jīng)過一個非門輸出后接相應(yīng)74LS245的選通控制端。所設(shè)計的定時系統(tǒng)如圖4-8所示：圖4-8 定時系統(tǒng)設(shè)計圖第五章 秒脈沖發(fā)生器設(shè)計產(chǎn)生秒信號的電路有多種形式，本設(shè)計是利用555定時器組成的秒信號發(fā)生器。5.1 555 定時器介紹555 定時器是一種模擬和數(shù)字電路混合的中規(guī)模集成電路。它結(jié)構(gòu)

26、簡單、性能可靠、使用靈活，只要外部配上適當(dāng)阻容元件，就構(gòu)成脈沖產(chǎn)生和整形電路。在波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制、家用電器、電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了應(yīng)用。 在市面上可以看到NE555,CA555,HA555,FX555,SN52555/SN72555、MCI555、TA555、5G1555等，但是盡管不同廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和參數(shù)方面可能有差別，但在產(chǎn)品中都保留了555數(shù)字，即片內(nèi)的兩個電壓比較器的基準(zhǔn)電壓由三個嚴(yán)格相等的5k歐電阻分壓提供，因此，稱為555集成電路。在應(yīng)用中都是一樣的效果。555是一種時基電路，能在4.518V電源電壓下工作，輸出電瓶可與TTL、CMOS、HTL邏輯電路兼容，

27、定時或震蕩精度僅與外接元件特性有關(guān)，具有200mA的吸入或供出電流，可直接推動揚(yáng)聲器，電感等低阻抗負(fù)載。還可以在儀器儀表、自動化裝置和各種電器中作定時和時間延遲等控制。在電路中可做單穩(wěn)態(tài)、多諧振蕩器、脈沖發(fā)生器、脈沖檢測器。脈沖寬度和位置的調(diào)至電路以及報警器，應(yīng)用極其廣泛。5.2 NE555的特點(diǎn)本設(shè)計用NE555來設(shè)計秒脈沖發(fā)生器。NE555是屬于555系列的計時IC的其中的一種型號，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號不同的因其價格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同。下面是NE555的特點(diǎn)： 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

28、，可由幾微秒至幾小時之久。 2.它的操作電源電壓范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。 3.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載。 4.它的計時精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價格便宜。5.靜態(tài)電流 最大值 VCC = 5 V, RL = =6mA  VCC =15 V, RL = =15mA。 5.3 555定時器的引腳排列圖及引腳功能圖5-1 555的內(nèi)部電路圖圖5-2 555定時器引腳排列圖555定時器各引腳的功能如下：1端GND為接地線；2端TR為低電平觸發(fā)端，也

29、稱為觸發(fā)輸入端。當(dāng)2端的輸入高電壓高于VCC/3時，C2輸出為1；當(dāng)輸入電壓低于VCC/3時，C2的輸出為0，使基本觸發(fā)器置1；3端OUT為輸出端；4端RT是復(fù)位端，當(dāng)=0時，基本觸發(fā)器直接置0，使Q=0，=1；5端為電壓控制端，如果C0 端另加控制電壓，則可以改變C1，C2的參考電壓。工作中不使用C0 端時，一般都通過一個0.01uF的電容接地，以防旁路干擾；6端TH 為高電平觸發(fā)端，當(dāng)輸入電壓低于2VCC/3時，C1的輸出為1；當(dāng)輸入電壓高于2VCC/3時，C1的輸出為0，使基本觸發(fā)器置0，即Q0=0， =1，這時定時器輸出U0=0；7端D為放電端，當(dāng)基本觸發(fā)器的=1時，放電晶體管T導(dǎo)通，

30、外接電容元件通過T放電；8端VCC為電源端，可在4.3-1.6V范圍內(nèi)使用，若為CMOS電路，則VCC=3-18V。表5-1為555的功能表，它全面表示了555的基本功能。表5-1 555功能表5.4 555定時器構(gòu)成的秒信號發(fā)生器采用555設(shè)計的秒信號發(fā)生器及其工作波形，其振蕩頻率與實(shí)際的數(shù)字鐘頻率略有出入，但可以通過校時裝置校時。它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時毋須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖8（自激振蕩）。用555設(shè)計秒信號發(fā)生器需要外接電阻R1，R2和電容C，并外接+3V的直流電源。只需在+VCC端接上+3V的電源，就能在3腳產(chǎn)生周期性的方波。秒脈沖電路如圖5-3，波形圖如圖5-4。圖5

31、-3 秒脈沖電路圖圖5-4 波形圖5.5秒信號發(fā)生器工作原理接通電后，它經(jīng)過電阻R1和R2對電容C充電，當(dāng)UC上升略高于2/3VCC時，比較器C1的輸出為“0”，將觸發(fā)器置“0”，U0為“0”。這時，1，放電管T導(dǎo)通，電容C通過R2和T放電，Uc下降。當(dāng)Uc下降略低于1/3VCC時，比較器C2的輸出為“0”，將觸發(fā)器置“1”， U0又由“0”變?yōu)椤?”。由于0，放電管T截止，VCC又經(jīng)過R1和R2對電容C充電。如此重復(fù)上述過程，U0為連續(xù)的矩形波。第一個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度tp1，即Uc從1/3VCC充電上升到2/3VCC所需的時間：tp1（R1R2）Cln20.7（R1R2） （5-1）

32、60;    第二個暫穩(wěn)狀態(tài)的脈沖寬度tp2，即Uc從2/3VCC放電下降到1/3VCC所需的時間： tp2R2Cln2=0.7R2C (5-2)振蕩周期 T= tp1+ tp20.7(R12 R2)C (5-3)振蕩頻率 f= (5-4)占空比 q= (5-5)由式可得,占空比大于總是>%50。若設(shè)占空比=%50，又知交通信號燈的振蕩周期是1s，可得到本次所需要的元器件阻值：.R139KR251KC10uFC010nF第六章 仿真軟件介紹及仿真分析6.1 仿真軟件介紹Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（Interactive Image Techno

33、ligics簡稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于初級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路行為進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。Multisim軟件結(jié)合了直觀

34、的捕捉和功能強(qiáng)大的仿真，能夠快速、輕松、高效地對電路進(jìn)行設(shè)計和驗(yàn)證。憑借Multisim，可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SPICE模擬器模仿電路行為9。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進(jìn)行的迅速驗(yàn)證，從而縮短建模循環(huán)。Multisim幫助工程師優(yōu)化電路設(shè)計，減少錯誤和原型重復(fù)。Multisim可以與新的NI Ultiboard11軟件結(jié)合，為工程師提供高性價比、端對端原型平臺。Multisim是一個用于電路設(shè)計和仿真的EDA工具軟件，由于其強(qiáng)大的功能，形象生動的仿真效果，友好的界面，豐富的元件庫和儀表庫，在我國各級各類學(xué)校得到廣泛的推廣應(yīng)

35、用，尤其是電類專業(yè)可以將其作為電子電路的教學(xué)示教、仿真實(shí)驗(yàn)、電子電路的設(shè)計等。Multisim軟件以圖形化的方式消除了傳統(tǒng)電路仿真的復(fù)雜性，幫助教育工作者、學(xué)生和工程師使用先進(jìn)電路分析技術(shù)。由于Multisim的交互式組件、模擬驅(qū)動儀器、實(shí)際的模擬和數(shù)字測量的整合，使Multisim在學(xué)術(shù)界、?？萍夹g(shù)院校和大學(xué)獲得了廣泛應(yīng)用。6.2 仿真調(diào)試交通信號燈狀態(tài)控制器將秒信號引入狀態(tài)控制器脈沖輸入端，在該脈沖作用下，觀察主控制器的狀態(tài)是否是按00、01、10、11、00的規(guī)律變化，如果不是這樣就應(yīng)查找原因。交通信號燈狀態(tài)控制器仿真電路如圖6-1所示：圖6-1 狀態(tài)控制器仿真電路由于仿真軟件中秒脈沖信

36、號發(fā)生器產(chǎn)生的仿真秒脈沖信號太慢，為了加快調(diào)試速度，在交通信號燈狀態(tài)控制器仿真電路中用信號發(fā)生器代替秒脈沖信號，信號發(fā)生器頻率設(shè)置為100Hz。為了觀察起來直觀，在輸出端接有指示燈，用來觀察4029BD的輸出信號。同時需要注意，仿真電路中的4029BD與CD4029芯片只是標(biāo)注有所不同，功能是完全相同的。簡要說明如下：CP 為時鐘脈沖輸入端，UD為加/減計數(shù)控制端BIND為二進(jìn)制/十進(jìn)制計數(shù)端，PE為置數(shù)控制端，CI為計數(shù)控制端，Q3、Q2、Q1、Q0為計數(shù)輸出端，TC為進(jìn)位輸出端，P3、P2、P1、P0為置數(shù)輸入端10。仿真電路中4029BD 的計數(shù)輸出端為 Q3、Q2、Q1、Q0。邏輯原理

37、圖中的CD4029輸出端為Q4、Q3、Q2、Q1，這一點(diǎn)特別需要注意。仿真圖采用的是和原理圖相同的引腳進(jìn)行連接的，但標(biāo)號是不一樣的。6.3仿真調(diào)試交通信號燈顯示電路這部分仿真電路是交通信號燈狀態(tài)控制器與交通信號燈顯示電路相連接后的測試電路。其中對于支干道的交通信號燈標(biāo)注，由于Multisim10軟件的問題 (不支持同一字符的多次標(biāo)注)，只能標(biāo)注成小寫的rl (紅燈)、yl(黃燈)、gl (綠燈)。測試的目的是檢查6個發(fā)光二極管是否按設(shè)計要求發(fā)光。參照圖3-3所示的交通信號燈狀態(tài)譯碼電路進(jìn)行仿真測試，仿真電路如圖6-2所示：圖6-2 交通信號燈顯示電路仿真 6.4仿真調(diào)試交通信號燈定時電路 參照

38、圖4-8所示的交通信號燈定時電路進(jìn)行仿真測試，仿真調(diào)試定時電路時，將秒信號引入定時系統(tǒng)電路的脈沖輸入端，指示燈X2作為一種狀態(tài)的指示，接在仿真測試線路上，它的作用是顯示當(dāng)某一種計數(shù)倒計時為0的時候，指示燈的連接端會輸出一個脈沖. 指示燈X2會閃亮一下。在整個交通信號控制系統(tǒng)中，該處的脈沖信號就是控制交通信號燈狀態(tài)變化的脈沖信號。為了加快調(diào)試速度，用信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號代替秒脈沖信號，然后在74LS245的使能控制端接3個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)依次接低電平時，計數(shù)器應(yīng)以5、20、30送給計數(shù)器進(jìn)行倒計數(shù)。兩位數(shù)碼管應(yīng)有相應(yīng)顯示，否則查找原因。在仿真電路如圖 6-3所示：圖6-3 交通信號燈定時部分仿真電路

39、6.5仿真調(diào)試秒脈沖發(fā)生器秒脈沖信號發(fā)生器的仿真電路如圖6-4所示。用示波器監(jiān)視秒脈沖發(fā)生器的輸出，調(diào)節(jié)電位器 RW，使輸出信號的周期為1s。圖6-4 秒脈沖信號發(fā)生器仿真電路示波器的輸出波形如圖6-5所示：圖6-5 示波器輸出波形圖由圖可知，該脈沖信號約為1s，符合設(shè)計要求。6.6仿真調(diào)試整個系統(tǒng)各單元電路均能正常工作后，再把各個單元電路互相連接起來，進(jìn)行系統(tǒng)總調(diào)。電路如圖6-6所示：圖6-6 總電路總 結(jié)本系統(tǒng)由數(shù)字電路組成，整個系統(tǒng)主要由定時系統(tǒng)、狀態(tài)控制器，狀態(tài)顯示電路及秒脈沖發(fā)生器組成。定時系統(tǒng)用兩片CD4029構(gòu)成2位十進(jìn)制可預(yù)置減法計數(shù)器，時間顯示狀態(tài)由兩片中規(guī)模集成電路74LS

40、47和兩個共陽極LED七段數(shù)碼管進(jìn)行譯碼顯示，預(yù)置到減法計數(shù)器的時間常數(shù)通過三片8路雙向三態(tài)門74LS245來設(shè)定。狀態(tài)控制器以CD4029為核心。狀態(tài)顯示電路用發(fā)光二極管來模擬交通燈。秒脈沖發(fā)生器以NE555芯片為核心，設(shè)計產(chǎn)生周期為1s的秒沖。從而設(shè)計出主干道交替通行的交通燈控制系統(tǒng)。在設(shè)計一個較大的電路系統(tǒng)時，每一個環(huán)節(jié)都是很重要的，先要有一個較為合理的原理圖，然后才能對原理圖中的每一部分進(jìn)行仿真修改，這往往不是一蹴而就的，需要不斷地反復(fù)。先對單元電路進(jìn)行仿其分析，再對總體電路進(jìn)行仿真分析。仿真調(diào)試時，要把整個電路分成幾塊，每塊單獨(dú)調(diào)試，這樣才能減少故障率，提高調(diào)試的效率。參考文獻(xiàn)1 郭

41、玉平. 探討交通信號燈. 北京, 北京工業(yè)技術(shù)出版社, 2005.2 余華，岳秋琴. 電子設(shè)計自動化技術(shù)的發(fā)展及在現(xiàn)代數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2001, 12（5）：167170.3 何小艇. 電子系統(tǒng)設(shè)計. 浙江, 浙江大學(xué)出版社, 2004.4 林紅. 數(shù)字電路與邏輯設(shè)計. 北京, 清華大學(xué)出版社, 2009.5 周偉. 交通信號燈的設(shè)計原理. 上海, 上海光源研究所, 2006.6 李青. 電路與電子技術(shù)基礎(chǔ). 浙江, 浙江科學(xué)技術(shù)出版社, 2005.7 謝自美. 電子線路設(shè)計·實(shí)驗(yàn)·測試. 武漢, 華中科技大學(xué)出版社, 2001.8 駱新全. 吳

42、小泉. 李行星. 電子電路與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn). 北京, 中國廣播電視出版社, 2009.9 劉鳴. 電子線路綜合設(shè)計實(shí)驗(yàn)教程. 天津, 天津大學(xué)出版社, 2008.10 莊俊華. multisim9入門及應(yīng)用. 北京, 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008. 電子信息技術(shù)在智能交通信號燈控制中的應(yīng)用1 引言城市化進(jìn)程的日益加快和汽車的日益普及，事故頻發(fā)、交通擁擠加劇、路況日益惡化，交通問題已經(jīng)成為困擾全世界的嚴(yán)重問題。由此導(dǎo)致的交通秩序的惡化已嚴(yán)重影響了現(xiàn)代化的城市建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。研究車輛的通行規(guī)律，根據(jù)實(shí)際情況制定相應(yīng)的通行規(guī)則對緩解交通阻塞，提高路口車輛通行的效率具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。交通信號燈是管

43、理交通網(wǎng)絡(luò)的最重要元素，而街道各路口又是車輛通行的關(guān)鍵所在。隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，其相關(guān)的虛擬儀器技術(shù)在數(shù)據(jù)采集、自動測試和儀器控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，使測試系統(tǒng)和測量控制的設(shè)計方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)發(fā)生了深刻的變化?！败浖褪莾x器”已經(jīng)成為測試與測量技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。2 基于電子信息技術(shù)的虛擬儀器技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用分析基于電子信息技術(shù)的虛擬儀器技術(shù)是新世紀(jì)科學(xué)技術(shù)中的核心技術(shù)之一，它包含了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息技術(shù)、電子技術(shù)等多方面。美國國家儀器公司于20世紀(jì)80年代中期首先提出基于計算機(jī)技術(shù)的虛擬儀器的概念，把虛擬測試技術(shù)帶入新的發(fā)展時期，隨后研制和推出了基于多種總線系統(tǒng)的虛擬器。虛擬儀

44、器突破了傳統(tǒng)電子儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上是一種基于計算機(jī)的自動化測試儀器系統(tǒng)。虛擬儀器通過軟件將計算機(jī)硬件資源與儀器硬件有機(jī)地融合為一體，從而把計算機(jī)強(qiáng)大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，大大縮小了儀器硬件的成本和體積，并通過軟件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的顯示、存儲以及分析處理。虛擬儀器是由計算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件組成的。通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C(jī)和功能模塊硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面來操作這臺計算機(jī)，完成對測試數(shù)據(jù)的采集、分析、判斷、顯示和數(shù)據(jù)處理等功能。虛擬儀器系統(tǒng)中的硬件僅僅是為了解決信號的調(diào)理和輸入輸出。與傳統(tǒng)的電子儀器相比，虛擬儀器以軟件取代了部分的硬件，用軟件

45、實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)分析處理、數(shù)據(jù)顯示等傳統(tǒng)儀器只能用硬件實(shí)現(xiàn)的功能。虛擬儀器通過友好的圖形界面操作這臺計算機(jī)，就像在操作自己定制的一臺傳統(tǒng)儀器一樣。它以透明的方式把計算機(jī)資源和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)。以這種方式構(gòu)成的虛擬儀器系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上就是計算機(jī)儀器系統(tǒng)，從某種意義上來說，“軟件就是儀器”。虛擬儀器具有以下一些特點(diǎn)：（1）儀器的功能和性能的實(shí)現(xiàn)大多采用硬件軟件化或以軟件代硬件技術(shù)來完成復(fù)雜的控制、分析或處理等能力，強(qiáng)調(diào)“軟件就是儀器”的新概念，在虛擬儀器中，除了必備的硬件外，解決了傳統(tǒng)儀器單個儀器資源不能共享的現(xiàn)狀。（2）由計算機(jī)來完成顯示、存儲、

46、打印及微處理器控制管理等，即無論任何功能的儀器可利用或共享計算機(jī)的這些公共資源，而無需重復(fù)的設(shè)計。（3）模塊化、開放性、互換性的特點(diǎn)和資源的重復(fù)性，并可方便、經(jīng)濟(jì)地組建或重構(gòu)自動測試系統(tǒng)，用戶可根據(jù)自己的需要選購不同功能的卡式或模塊化儀器，并可隨測試任務(wù)的不同而靈活組合，提高儀器資源的可再用性。（4）自定義儀器功能。傳統(tǒng)儀器在出廠時其功能已經(jīng)由廠商確定，用戶不能根據(jù)自己的需求隨時進(jìn)行修改，只能一機(jī)一用，而虛擬儀器則可借助通用的數(shù)據(jù)采集裝置，編制不同的軟件測試方案，構(gòu)造幾乎任意功能的儀器，“軟件就是儀器”的思想在這里再次體現(xiàn)。（5）使硬件測試設(shè)備與計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交流變得非常方便、直接和迅速。采用虛擬儀器技術(shù)，測試設(shè)備所得的測試結(jié)果將會實(shí)時、直接地通過計算機(jī)總線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)的內(nèi)存或硬盤，供以后分析使用。這樣，一方面避免了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，另一方面可以充分地利用計算機(jī)的存儲功能。（6）使用人員可以通過軟件編程或采用現(xiàn)有的分析模塊，根據(jù)工程的實(shí)際需要實(shí)時、直接地對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析與處理。3 交通信號燈控制策略及電子信息化的重要性分析交通信號燈控制策略的目的是解決交通流問題，并利用各種算法來最小化車輛的旅程花費(fèi)。許多交通信號燈控制器研究的焦點(diǎn)都是綠時的適應(yīng)性，或是控制循環(huán)的順序。實(shí)際生活中多用固定周期控制器，這一固定周期控制器會帶來交通信號