【正文】 天津工業(yè)大學2011屆本科生畢業(yè)設計（論文）交通信號燈控制系統(tǒng)的設計及仿真分析畢業(yè)論文目 錄第一章 緒論…………………………………………………………1………………………………1……………………………………………1第二章 狀態(tài)控制器設計……………………………………………4……………………………………………………………………4 CD4029的引腳圖及引腳功能……………………………………………4…………………………………………………………5第三章 狀態(tài)譯碼器設計……………………………………………6…………………………………………6……………………………………………………………………6………………………………………………………………7…………………………………………………………7第四章 定時系統(tǒng)設計………………………………………………9………………………………………………9……………………………………………9 74LS247譯碼器引腳圖及引腳功能……………………………………10…………………………………………………………11…………………………………12
………………………………………………12……………………………………………………………13第五章 秒脈沖發(fā)生器設計…………………………………………15 555 定時器介紹……………………………………………………………15 NE555的特點………………………………………………………………15 555定時器的引腳排列圖及引腳功能……………………………………16 555定時器構成的秒信號發(fā)生器…………………………………………16……………………………………………………18第六章 仿真軟件介紹及仿真分析…………………………………20 仿真軟件介紹………………………………………………………………20 …………………………………………20 ……………………………………………21 ……………………………………………22……………………………………………………23…………………………………………………………25總結……………………………………………………………………26參考文獻………………………………………………………………27附錄……………………………………………………………………28謝辭……………………………………………………………………36第一章 緒論世界上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，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50年代的電氣控制，從采用計算機控制到現(xiàn)代化的電子定時監(jiān)控，交通信號燈在科學化、自動化上不斷地更新、發(fā)展和完善[1]。隨著社會的發(fā)展和進步，路上的車輛越來越多，而道路建設往往跟不上城市發(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整和轉移多條線路的分流也十分必要。交通網絡是城市的動脈，象征著一個城市的工業(yè)文明水平。交通關系著人們對于財產，安全和時間的利益。具有優(yōu)良科學的交通控制技術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)具有相當的學術價值和實用價值，解決了城市交通擁擠問題，提高了城市交通的效率，適應未來的城市交通的發(fā)展，從長遠來看該研究具有巨大的現(xiàn)實意義。十字路口的紅綠燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。每邊都設置了紅、綠、黃色信號燈。因為主干道上的車輛多，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行[2]。故本設計如下：1主、支干道交替通行，設主干道通行時間為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。5在黃燈亮時，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0~99s內任意設定。故系統(tǒng)工作流程圖如圖11所示：圖11 系統(tǒng)工作流程圖要實現(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、計數器信號燈譯碼驅動電路[3]和數字顯示譯碼驅動電路等幾部分組成，整個電路的原理框圖如圖12所示：圖12 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)，以實現(xiàn)對主、支干道車輛運行狀態(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)譯碼器分別驅動點亮相應的信號燈，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。4）減法計數器：通過減法計數器對秒脈沖作減計數，完成計時任務，達到控制每一種工作狀態(tài)持續(xù)時間的目的。減法計數器的回零脈沖使狀態(tài)控制器完成狀態(tài)轉換，同時狀態(tài)譯碼器根據系統(tǒng)下一個工作狀態(tài)，決定計數器下一次減法計數的初始值。
第二章 狀態(tài)控制器設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)。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。因此，主控制電路有4種狀態(tài)，設這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)轉換圖如圖21所示：
圖21 信號燈工作順序流程圖4組編碼對應4種狀態(tài)，顯然這是一個 2位二進制計數器的輸出狀態(tài)，故可采用多種中規(guī)模集成計數器來實現(xiàn)。本設計采用CD4029連接成二進制加法計數器構成狀態(tài)控制器。 CD4029的引腳圖及引腳功能CD4029 為 4位可預置二進制/十進制可逆計數器。它的引腳圖如圖22所示。該計數器可進行二進制加/減計數或BCD十進制加/減計數操作，兩種計數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；B/D端為低電平時，進行十進制計數。U/ D為高電平時，為加計數器；反之，為減計數器。PE為置數控制端，為計數控制器。因此CD4029 的計數選擇有4 種，分別由U/D(上數/下數)及B/D(二進制/十進制)兩腳來控制。圖22 CD4029的引腳圖，B/D=1；則為上數二進計數，其計數值由0000 到1111，總共有16 種狀態(tài)，也就是十進制的0 到15。，B/D=0；則為上數十進計數，其計數值由0000 到1001 為止，只有10 種狀態(tài)，換句話說就是BCD 計數的0 到9，詳如時序圖所示。，B/D=1；則為下數二進計數，其計數值分別依1111110 往下計至0000，再回到1111；總共有16 種狀態(tài)，也就是十進制的15 到0。，B/D=0；則為下數十進計數，其計數值由1001000 往下計數至0000，再回到1001，即由9 下數至0，再回到9。本設計中需要用二進制加法計數器來表示S0、SSS3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取反，從而得到S0 、SSS3這四種狀態(tài)，電路如圖23所示： 圖23 狀態(tài)控制器設計圖第三章 狀態(tài)譯碼器設計主、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)。它們之間的關系見表31。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。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出來。表31 交通信號燈信號狀態(tài)真值表 根據真值表，可求出各信號燈的邏輯函數表達式為：R=Q2+ Q2Q1=Q2 =2 (31)Y=Q1 = (32) G= = (33) r=+Q1 = =2 (34) y= Q2Q1 = (35) g= Q2 = (36)根據以上表達式可采用邏輯門電路構成：門電路是數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。若按電路結構組成的不同，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。此次設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)設計的技術指標知道，當黃燈亮時，紅燈按 1Hz的頻率閃爍。從表31中可以看出，黃燈亮時，Q1必為高電平；而紅燈點亮信號與Q1信號無關?？衫肣1信號去控制一個三態(tài)門電路74LS125 (或模擬開關)來控制。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上加上使能控制電路和控制信號構成的。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332是三態(tài)與非門的邏輯圖。 圖31 高電平有效 圖32 低電平有效 圖31所示的三態(tài)門是控制端為高電平時有效。當 EN=1時，與普通與非門的邏輯功能相同：當 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32所示的三態(tài)門是控制端為低電平時有效。當=0時，與普通與非門的邏輯功能相同；當=1時，不論A、B的狀態(tài)如何，輸出為高阻態(tài)。因此，當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。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，要求門電路輸出低電平時，點亮相應的發(fā)光二極管，故交通信號燈狀態(tài)譯碼電路組成如圖33所示：
圖33 交通信號燈狀態(tài)譯碼電路
第四章 定時系統(tǒng)設計根據設計要求，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。該定時器由兩片CD4029構成的2位十進制可預置減法計數器構成，時間顯示狀態(tài)由兩片74LS47和兩只共陽極LED七段數碼管對減法計數器進行譯碼顯示，預置到減法計數器的時間常數通過3片8路雙向三態(tài)門74LS245來設定。3片74LS245的輸入數據分別接入5 這3個不同的數字，任一輸入數據到減法計數器的置入，由狀態(tài)譯碼器的輸出信號控制不同74LS245的選通信號來實現(xiàn)。計數器的作用：一是根據主干道和支干道車輛運行時間以及黃燈切換時間的要求，進行30s、20s、5s 3種方式的計數；二是向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，主控制器根據狀態(tài)轉換信號進行狀態(tài)轉換。計數器除需要秒脈沖作時鐘信號外，還應受主控制器的狀態(tài)控制。計數器的工作情況為：計數器在主控制器進入狀態(tài)S0時開始30s計數；30s后產生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，使計數器歸零，主控制器進入狀態(tài)S1，計數器開始5s計數；5s后又產生歸零脈沖，并向主控制器發(fā)出狀態(tài)轉換信號，使計數器歸零，主控制器進入狀態(tài)S2，計數器開始20s計數；20s后也產生歸零脈沖，并向主控制