交通燈控制系統(tǒng)

1、應(yīng)用電路二交通信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真分析十字路口的交通信號燈是我們每天出行時都會遇到的，信號燈指揮著行人和各種車輛安全有序的通行。實現(xiàn)紅、綠燈的自動控制是城市交通管理現(xiàn)代化的重要課題，合適的信號燈控制系統(tǒng)可以提高城市交通的效率。下面我們以該課題為例進行設(shè)計與仿真分析。1.電路設(shè)計分析(1)交通信號燈控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主、支干道交替通行，主干道每次放行30s,支干道每次放行 20s。綠燈亮，表示可通行；紅燈亮，表示禁止通行。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 )。十字路口要有數(shù)字顯示，作為等候時間提示。 要求主、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)。在黃燈亮

2、時，原紅燈按 1Hz的頻率閃爍。要求主、支干道通行時間及黃燈亮的時間均可099s內(nèi)任意設(shè)定。(2)方案論證根據(jù)設(shè)計任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)的要求，可畫出該交通燈控制系統(tǒng)的組成框圖，如圖4 -15所圖4-15交通t|擰制系統(tǒng)的卻施把修可以看出，交通信號燈控制系統(tǒng)主要由下列模塊組成。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)，以實現(xiàn)對主、支干道車輛運行狀態(tài)的控制。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)動點亮相應(yīng)的信號燈，指揮主、支干道的行人和車輛。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現(xiàn)定時控 制。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

3、務(wù)，達到控制每一種工 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。減法計數(shù)器的狀態(tài)由 BCD譯碼器譯碼、數(shù)碼管顯示。在黃燈亮期間，狀態(tài)譯碼器將秒 脈沖引入紅燈控制電路，使紅燈閃爍。(3)方案實現(xiàn)根據(jù)方案論證的思路，決定方案實現(xiàn)的方法。狀態(tài)控制器的設(shè)計。首先分析十字路口交通信號燈工作的實際各種可能狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計要求，因主干道和支干道備有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。示。主綠燈亮,主黃燈亮,主紅燈亮,支紅燈亮，主干道通行。支紅燈閃爍，主干道停車。 支綠燈亮，支干道通行

4、。主紅燈閃爍，支黃燈亮，支干道停車。將各信號燈的工作順序制作成流程圖，如圖4 - 16所信號燈4種不同的狀態(tài)分別用 S。（主綠燈亮，支紅燈 亮）、S（主黃燈亮，支紅燈閃爍）、S2（主紅燈亮，支綠燈亮）、 S3（主紅燈閃爍，支黃燈亮）表示，其狀態(tài)編碼及狀態(tài)轉(zhuǎn)換 圖如圖4-17所示。4組編碼 對應(yīng)4種狀 態(tài)，顯然這是 一個2位二進 制計數(shù)器的5s未到SS4-16信號燈工作幅序設(shè)程圖30s未軻5s未料20?未到*內(nèi)注法計翦器的用也雅的IW 4-lft密地需守?zé)魻詈罂刂茰敵鰻顟B(tài)，故可采用多 種中規(guī)模集成計數(shù)器來實現(xiàn)。本電路采用CD4029連接成二進制加法計數(shù)器構(gòu)成狀態(tài)控制器.電路如圖 4 -18所示

5、。CD4029為4位可預(yù)置二進制/十進制可逆計數(shù)器。該計數(shù)器可進行二進制加/減計數(shù)或BCD 十進制加/減計數(shù)操作，兩種計數(shù)方式均有超前進位功能;B/D端為高電平時，進行二進制計數(shù)；B/D端為低電平時，進行 十進制計數(shù)。有關(guān)CD4029引腳及功能表詳見數(shù)字集成電 路手冊。狀態(tài)譯碼器設(shè)計。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4 -1。其中主干道的信號燈分別用大寫字母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。又于信號燈的狀態(tài)，1表示電路設(shè)計中最重要的一個環(huán)節(jié), 數(shù)字電路芯片來設(shè)計電路。燈亮，0表示燈滅

6、。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出來，這是只有正確地用真值表描述實際工作狀態(tài)，才能考慮下一步用狀布控制器愉出主干道信號燈狀態(tài)主干道信號燈狀急5R gV (>)G恤r(紅J00口0EIU01010101UL00U011100u1n隸*1交通信號燈信號狀密他表根據(jù)真值表，可求出各信號燈的邏輯函數(shù)表達式為Y = Q2 QiR=Q2 Qi +Q2 Qi =Q2；R= Q2Y = Q2 QiG =Qz Qir = Q2 Q1Q2 Qi = Q2y= Q2 Qig = Q2 Qig =q2 Qir = Q2y = Q2 Qig = Q2 Qi如何從真值表得到表達式，很多有關(guān)數(shù)字

7、電路的書籍資料上都有介紹，這部分內(nèi)容是數(shù)字電路中的一塊基本知識，需要的讀者可自行查閱相關(guān)資料。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1y 4-PJ交通怕號燈狀忠顯示電鄢秒信q¥i入能力強，要求門電路輸出低電平時， 點亮相應(yīng)的發(fā)光二極管， 故交通信號燈顯示電路組成如 圖4 -19所示。（以TTL三態(tài)門為例）。<a.'晶電F有效怔也予由軸4-20二岳與北門泅道料班時，不論A、B的狀態(tài)如何，輸出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4 -1中可以看出，黃燈亮?xí)r， Qi必為高電平；而紅燈點亮信號與

8、 Q i信號無關(guān)。可利用Qi信號去控制一個三態(tài)門電路74LS245（或模擬開關(guān)），當(dāng)Qi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，紅燈信號不受黃燈信號的影響。這部分電路用到了三態(tài)門，三態(tài)門的功能簡介如下三態(tài)門簡稱TSL門，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)）。，在高阻態(tài)時，其輸出與外接電路呈斷開狀態(tài)。 圖4 -20所示是三態(tài)與非門的邏輯圖。如圖4-20（a）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

9、門的邏輯功能相同，當(dāng) EN = 0均為高阻態(tài)（與外電路隔斷）。如圖4 -20（b）所示的三態(tài)門是控制端為低電平時有效。當(dāng) EN =0時，與普通與非門的邏輯功能相同；當(dāng) EN =1時，不論A、B的狀態(tài)如何，輸出為高阻態(tài)。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30s、20s、5s的定時任務(wù)。該定時器由兩片CD4029構(gòu)成的2位十進制可預(yù)置減法計數(shù)器構(gòu)成，時間顯示狀態(tài)由兩片 74LS47和兩只發(fā)光二極管對減法計數(shù)器進行譯碼顯示，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

10、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的74LS245的選通信號來實現(xiàn)。例如，當(dāng)狀態(tài)控制器在 Si（Q2Qi=01）或在S3（Q2Qi=11）時，要求減法計數(shù)器按初值5開始計數(shù)，故采用Si、S3為邏輯變量而形成的控制信號Qi去控制輸入數(shù)據(jù)接數(shù)字5的74LS245的選通端。由于 74LS245選通信號要求低電平有效，故Qi經(jīng)過一個非門輸出后接相應(yīng)74LS245的選通控制端。同理，輸入數(shù)據(jù)接30的三態(tài)門74LS245的選通信號來自主干道綠燈信號G的輸入數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)接20的三態(tài)門74LS245的選通信號來自支干道綠燈信號g。所設(shè)計的定時系統(tǒng)如圖 4 -21所示

11、。MlAIA2A3A4A5A6A7AS-5V丐 w vss'2,FMT"U疝CTBS.'KBORBItilR 711 S24Sl>R MLS34F1*1 4-21交通辛號打掉制定時系統(tǒng).設(shè)*tl圍ivti'a h c u u r p741卬睢:胤）麗 L> C H & VSSivnLl/1>H J5 11 JI PE.CPCT VSS>4 H J? II PECPClVSslEnn* ST I36B5B4 rs.BZDIFNMA2A3A4 45 怔浦、£DIR 7+LS245.AIA2A3A4A5A6A7ASLUU-這

12、部分電路用到了三態(tài)門 74LS245 , 74LS245的功能簡介如下。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，是帶三態(tài)輸出的8位雙向數(shù)據(jù)緩沖器，專用于數(shù)據(jù)雙向傳輸。其中芯片引腳G為芯片使能端（有的標(biāo)為EN ）,G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)DIN = l時，信號由A向B傳輸；G為高電平時，A、B均為高阻態(tài)。74LS245芯片引腳如圖4 - 22所示。這部分電路還用到了中規(guī)模集成電路74LS47,功能簡介如下。中規(guī)模集成電路74LS47是一種常用的7段顯示譯碼器，該電路的輸出為低電平有效， 即輸出為。時

13、，對應(yīng)字段點亮；輸出為 1時，對應(yīng)字段熄滅，所以驅(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 A3、A2、A1和A0接收4位二進制碼，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 4-23(a)所示，圖4 -23(b)給出了 7段顯示筆畫與015共 16個數(shù)字的對應(yīng)關(guān)系。74LS245 613.12 H圖4-22 74L5245芯片引腳圖7段顯示器SI/RBO A2AI AORBI圖423再七%了譯碼顯示原理圖秒脈沖發(fā)生器設(shè)計。產(chǎn)生秒信號的電路有多種形式，圖 424是利 用555定時器組成的秒信號發(fā)

14、生器。該電路的輸出 脈沖周期為 T = 0.7(Ri +2R2)C,若 T = 1s,令 C = 10 科 F, Ri = 39K ,則 R2 = 51K 。取一個 47k Q 固定電阻與一個5kQ的電位器 在調(diào)試電路時，調(diào)節(jié)電位器 為ls。RW串聯(lián)代替電阻R2。RW,使輸出脈沖周期VCCXSCICiL1 口 nF 干+VCC(+5V)74LSOOR) hU4圖秒脈沖信號發(fā)生器的邏輯電路CtVIvccRST OUTD15TR1COXGND74TCI4DLM555CM2.電路組成及仿真分析(1)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 4-25所示。用示波器監(jiān)視秒脈沖發(fā)生器的 輸出，調(diào)

15、節(jié)電位器 RW,使輸出信號的周LQnF "I" <JriF圖415秒脈沖信號發(fā)生器的仿真電將圖4工6秒信號模塊的設(shè)計信號發(fā)生器代替秒脈沖信號，信號發(fā)生器頻率設(shè)置為接有指示燈，用來觀察4029BD的輸出100Hz。為了觀察起來直觀，在輸出端信號。同時需要注 意，仿真電路中的 4029BD 與圖 4-18 中的 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，2.6 V ?44期為1s。單元模塊電路的設(shè)計。用Multisim 10仿真時，可將交通燈控制系統(tǒng)的各部分電路模塊化，這樣最后總調(diào)試的時候，只需將各個模塊連接調(diào)試即可， 這

16、也是仿真軟件的一大功能 (這是一項虛擬的功能， 實際電路是不可能有的，但 CPLD借鑒了這個思路，可以自定義芯片的引腳 )。用好模塊化 設(shè)計，會大大簡化電路的連接，提高總電路凋試的效果。其他部件如顯示器件、發(fā)光二極管 等放在總體電路外，以便觀察輸出結(jié)果。 秒信號模塊的設(shè)計和封裝如圖4 - 25所示。 添加模塊引腳。選擇 Place fConnectorsfHB -SC Connector菜單命令，放置模塊引 腳并連接在秒脈沖信號發(fā)生器的輸出端，將其更名為CLOCK ,如圖4_26所示。 單擊“存儲”按鈕，將編輯的圖形文 件存盤，文件名為“秒信號模塊.ms10”。 模塊封裝。模塊封裝在總體電路設(shè)

17、計 環(huán)境中進行。(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，模擬主、支干道的三色信 號燈應(yīng)按要求依次轉(zhuǎn)換，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4-27所示。由于仿真軟件中秒脈沖信號發(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UP/DN為加/減 計數(shù)控制端，BIN / DEC為二進制/十 進制計數(shù)端，PE為圖4-27交通信號燈狀態(tài)控制搟仿真電路置數(shù)控制端，CI為計數(shù)控制端，Q3、Q2、Ql、Qo為計數(shù)輸出端，TC為進位輸出端， P3、P2、P1、P0為置數(shù)輸入端。仿真電路中4029BD的計

18、數(shù)輸出端為 Q3、Q2、Q1、Q0。邏輯原理圖4-1 8中的CD4029輸出端為Q4、Q3、Q2、Q1 ,這一點特別需要注意。仿真圖 采用的是和原理圖相同的引腳進行連接的，但標(biāo)號是不一樣的。同樣用前面介紹的單元模塊電路的設(shè)計方法，將交通信號燈狀態(tài)控制器仿真電路加上模塊引腳。圖4-27所示電路為己添加模塊引腳的電路。（3）仿真調(diào)試交通信號燈顯示電路仿真電路如圖4 - 28所示。參照圖4 -19所示的交通信號燈狀態(tài)顯示電路進行仿真測試,VCCVCCV1立?RXFG1PEPlP2 四B1K1-DEC UP/-DN -CIlCP4的日口1w74LSUD-TCUIOA 74LSJ25DTFTTU4A74

19、LS741.S0-ID10A7JL.SD0D圖4.28交通信號燈顯示部分仿真電路 S平% ?1立*rlR3220Q黑/1 熱LSOOD 0雕黑其U9A 74LSl>0DU2AO GiHa機作o &，J7r-4BUSIvcc一TCPEam分日D5廿<21Q2piP2PSCP1T 1 4 rp1114于biw-dec LJP/- DN 1CI74L&LI4D741.S04DIJ3OQ11I：6qU10A 74LS125D Q2圖4-29己添加模跳弘圓的交通信號燈顯示電路仿真電路采用了總線結(jié)構(gòu)，減少了線路的復(fù)雜程度，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

20、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Multisim 10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ri（紅燈）、yl（黃燈）、gl（綠燈）。測試的目的是檢查該電路能否滿足交通信號燈轉(zhuǎn)換的技術(shù)要求。同樣用前面介紹的單元模塊電路的設(shè)計方法，給交通信號燈顯示電路加上模塊引腳。圖4-29所示電路為已添加模塊引腳的電路。(4)仿真調(diào)試交通信號燈定時電路參照圖4 - 21所示的交通信號燈定時電路進行仿真測試，仿真電路如圖 4 -30所示。調(diào)試順序。將秒信號引入定時系統(tǒng)電路的脈沖輸入端，在秒脈沖作用下，將 3個74LS245的置數(shù) 選通端依次接地，計數(shù)器應(yīng)以3個不同的置數(shù)

21、輸入為進制體制， 完成減法計數(shù)，兩位數(shù)碼管 應(yīng)有相應(yīng)顯示，否則查找原因。VCC UIa74LS47DLd s £JOE nd f Ata 喈1m.A.US 74L5245N,MLS245M»-* * "0i d- »ri -ci i- a? fifiQ 口口口 口口圖4-30交通信號燈定時部分傷百電路仿真分析。仿真調(diào)試時，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)接低電平時，表示將預(yù)置好的數(shù)5、20、30送給計數(shù)器進行倒計數(shù)。為了減少線路繪制的復(fù)雜程度，采用總線的結(jié)構(gòu)，既便于連接，又便于 檢

22、查。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。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。模塊電路設(shè)計。給交通信號燈定時電路加上模塊引腳。圖4 - 31所示電路為已添加模塊引腳的電路。(5)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，進行系統(tǒng)總調(diào)。這里先介紹怎樣用各個模塊組成整個電路。模塊化總體電路的組成。組成步驟如下。放置模塊電路。單擊“放置模塊”按鈕，如圖 4-32所示。在彈出的“打開”對話框 （見圖4-33）中選擇要封

23、裝的模塊電路文件。單擊“打開”按鈕，即可實現(xiàn)對電路文件的封裝，封裝模型如圖 4 34所示。在模塊圖標(biāo)上右擊，選擇 Edit Symbol命令，可編輯封裝模型的輸入/輸出引腳，經(jīng) 調(diào)整后的封裝模型如圖 435所示。編輯時，通常將輸入引腳放在模型的左邊，將輸出引腳放在模型的右邊。在模塊圖標(biāo)上雙擊，可對模塊內(nèi)部電路重新調(diào)整和編輯。* a洋金石物口0苞" t 、??？三三- 丁工- ，一 I" II* "陽 上 - 3 , - _” -'，一»- < =j m 18im t '"J 一一. ii., <iT a.in i mrmrT4L 1 =l- 1>辛1式丘Ha?矍dK 丁 ：J圖4.32單擊“放置模塊”按鈕rTY-CP圖4 33要封裝的模塊電路文件對話框X3yt仃非RRg】非YQ1非Q2非CPQ1Q2G非里非QI非0： 1!:Q1Q2J/ioHFQ1Q2Q1非Q?非RRyiYRRyTVIG非£）非TGJLCP交通燈顯示