【正文】 天津工業(yè)大學(xué)2011屆本科生畢業(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(shè)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(shè)計……………………………………………6…………………………………………6……………………………………………………………………6………………………………………………………………7…………………………………………………………7第四章 定時系統(tǒng)設(shè)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(shè)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(gòu)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(jié)……………………………………………………………………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(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?shù)膶W(xué)術(shù)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(yīng)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(shè)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(shè)計如下：1主、支干道交替通行，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0~99s內(nèi)任意設(shè)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(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(qū)動點亮相應(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)器的回零脈沖使狀態(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(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21所示：
圖21 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)器來實現(xiàn)。本設(shè)計采用CD4029連接成二進制加法計數(shù)器構(gòu)成狀態(tài)控制器。 CD4029的引腳圖及引腳功能CD4029 為 4位可預(yù)置二進制/十進制可逆計數(shù)器。它的引腳圖如圖22所示。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)。U/ D為高電平時，為加計數(shù)器；反之，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(二進制/十進制)兩腳來控制。圖22 CD4029的引腳圖，B/D=1；則為上數(shù)二進計數(shù)，其計數(shù)值由0000 到1111，總共有16 種狀態(tài)，也就是十進制的0 到15。，B/D=0；則為上數(shù)十進計數(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。，B/D=1；則為下數(shù)二進計數(shù)，其計數(shù)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(shù)十進計數(shù)，其計數(shù)值由1001000 往下計數(shù)至0000，再回到1001，即由9 下數(shù)至0，再回到9。本設(shè)計中需要用二進制加法計數(shù)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?nèi)》?，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(shè)計圖第三章 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(jù)真值表，可求出各信號燈的邏輯函數(shù)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(jù)以上表達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)指標知道，當黃燈亮?xí)r，紅燈按 1Hz的頻率閃爍。從表31中可以看出，黃燈亮?xí)r，Q1必為高電平；而紅燈點亮信號與Q1信號無關(guān)。可利用Q1信號去控制一個三態(tài)門電路74LS125 (或模擬開關(guān))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(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(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。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(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(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和兩只共陽極LED七段數(shù)碼管對減法計數(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的選通信號來實現(xiàn)。計數(shù)器的作用：一是根據(jù)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(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)狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號進行狀態(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