1、1前言随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻常老百姓的家庭，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许多大城市如北京、上海、南京等均出现了道路交通超负荷运行的情况。因此，自 80 年代后期以来，很多城市纷纷扩建城市道路，在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道路的系统研究和控制，扩建道路并没有充分发挥出预期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。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多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，越
2、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。在这种情况下，道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用，并已成为交管部门管理交通的重要工具之一。正文1.绪论21.1 选题的背景1.1.1 课题目的本课题是设计一个交通信号灯控制电路，通过本设计了解掌握交通信号灯控制电路的工作原理，进而研究电子产品设计的技术方法。通过对交通信号灯控制电路的设计、安装与调试，熟练掌握各种电子测量仪器、仪表的正确使用方法，熟悉掌握数字逻辑电路原理及各类型数字单元电路的工作原理、电路形式、调试方法、整机电路统调技巧等方面知识；同时，通过对系统设计结果的理论分析，加强理论联系实际的工作能力，对加强数字逻辑电路原理与
3、技术方法的掌握，得到全面的、系统的训练，为今后从事本专业工作奠定坚实的技术基础。1.1.2 课题意义在现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。1.2 发展史 早在
4、1850 年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。第一次对交叉路口交通的控制尝试起源于 1868 年英国伦敦，当时由警察手工轮流变换指挥用的旗帜，当时的控制指令可以称之为旗语。这种控制方式在 1908 年传到美国纽约，并且很快在全国传播开来。城市电气化的发展导致了 1914 年在俄亥俄州的克利夫兰市出现了第一台电力驱动的交通信号灯。1919 年，纽约市开始把手动指挥的旗子换成了电机控制的信号灯。在 1923 年，Garrett Morgan 申请专利 Morgan 交通信号灯，后来卖给了通用电气公司。到 1932 年，在布鲁克林市 Parkside 大街上的最后一个手动控
5、制的旗子也被电机控制信号灯取代。从 1920 年到 1970 年近 50 年的时间里，电机驱动的信号灯占据3了交通信号控制系统的主要市场。周期长度是通过安装合适的齿轮来进行保证的，通过在一个计时转盘上插入销子来把周期分成不同的时间间隔。为了适应交通变化的需要，这种划分时间的方式被称为“三个时段”划分法。同时为了保证相邻的交叉口能够在一个交通信号系统中以预计的信号周期、绿信比和相位差下工作，一种“七条线缆”连接的方式发展起来，以使相邻的电机驱动的信号灯能够在一种系统控制的方式下工作，即使现在我们步入了新千年，在一些城市的某些地方仍然使用这种基于三个时段划分周期的信号控制器和七条线缆连接的系统。甚
6、至，大部分在电机驱动的系统中发展起来的术语到现在仍然在现代的微处理控制器中使用。在 20 世纪 60 年代早期，计算机被引进到交通信号控制系统中。在 1963 年，第一个计算机控制的交通信号控制系统在加拿大的多伦多市安装，到 20 世纪 70 年代，微处理器被普遍使用，相应的硬件和软件也开始起步。现在，交通控制更是趋向智能化方向发展，相信我们将来的交通一定是畅通而便捷的。2总体方案2.1 系统任务2.1.1 设计任务设计一个十字路口交通信号灯控制系统，控制车辆安全快速的通过。2.1.2 基本要求为了确保车辆安全快速的的通行，在十字交叉路口的每个入口处设置红，绿，黄三种信号灯，并安装数字时间显示
7、，来达到下列的基本要求：1 红灯表示禁止通行，绿灯表示允许通行，黄灯亮表示未通过的车辆禁止通行；2 主干道、支干道交替通行，每次通行时间为 40 秒；3 每次绿灯变红灯时，黄灯先亮 5 秒（此时另一干道上的红灯不变） ；4 十字路口有数字显示，以方便人们直观把握时间。时间显示以秒为单位作减记数；45 黄灯亮时，另一干道红灯按 1Hz 的频率闪烁。2.2 方案选取2.2.1 设计的基础依据交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口。它由控制电路进行控制，并指导车辆和行人安全有序地通行。交通信号灯控制电路的
8、设计方法很多，可由多种电路来构成，如数字逻辑电路，单片机电路，继电器接触器电路等。在本设计中，采用数字逻辑电路控制系统，与其它两种电路相比，该电路具有价格低，设计思路简单，元件少，体积小，稳定性好，可靠性高的特点。因此，在很多城市的交通信号灯控制系统中，均采用数字逻辑电路。2.2.2 方案比较我国目前各大、中城市都更新替换了原始的交通信号灯，即不仅有灯的转换，而且增加了计时系统，为广大群众行驶提供了方便。交通信号灯的设计方法很多，可由多种电路来构成，我们这里提供三种方案供选择：方案 1：单片机系统控制方案单片机是核心控制元件，包括微处理器、存储器、输入输出口及其他功能部件。它们通过地址总线、数
9、据总线和控制总线连接起来。通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。硬件电路较为简单，主要用软件来控制，控制方式灵活多样，并可利用中断等方式通过程序方便的实现调时。它的特点是用软件设计替代了硬件设计，提高了系统的可靠性和系统的性价比。但在设计时硬件和软件均要设计，抗干扰性能差，不通用，并且需要有接口电路与之配套，价格中等，制造较难，维修亦较难。 5方案 2：继电器接触器控制方案继电接触式控制系统主要由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，其控制方式是断续的，所以又称为断续控制系统。虽然这种系统也具有结构简单、价格低廉、维护容易、抗干扰能力强等优点，但这种控制系统的缺点是采用固定接线方式，接线
10、多，灵活性差，工作频率低，触电易损坏，可靠性差。方案 3：数字逻辑电路控制方案数字逻辑电路控制系统主要由各种逻辑元件构成，包括计数器、触发器以及各种门电路，硬件设计思路非常简单，造价低廉，元件少，体积小，稳定性好，可靠性和性价比都很高。难点在于电路的连线复杂，维护起来比较困难。2.2.3 方案确定根据前面的方案比较，最后选取方案 3（数字逻辑电路控制方案） 。2.3 系统可行性前面几小节，从方案的选取到方案的论证，从各方案的具体比较筛选到选定方案所遇到的关键技术及所使用的解决方法，从多个方面对整个设计进行全方位的论证考验；理论值上对参数设计进行再三推算、对设计思想进行再三推敲，实践上用电子测量
11、仪器对部分电路进行反复测试，综合各数据结果证明该设计系统性能稳定可行。3系统设计3.1 系统结构框图译码、显示 主道信号灯 支道信号灯6减法计数器 状态译码器 红灯闪烁控制置数控制 状态控制器 秒脉冲发生器图 3-1 交通信号灯控制系统结构框图3.2系统工作原理交通信号灯控制系统主要由状态控制器，状态译码器，秒脉冲发生器以及减法计数器组成。状态控制器主要用于记录和控制十字路口交通灯的工作状态，它产生控制信号，通过状态译码器译码后，分别点亮相应的信号灯；秒脉冲发生器产生该系统的时基脉冲信号，通过减法计数器对秒脉冲减记数，达到控制每一种工作状态持续时间的目的；减记数到零时，产生回零脉冲使状态控制器
12、完成状态转换，同时状态译码器根据系统的下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值；减法计数器的状态经 BCD 译码器译码后，由数码管显示。在黄灯亮时，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁。3.3 系统各功能模块3.3.1 状态控制器根据设计要求，交通灯顺序工作状态流程图如下图 3-2 所示：7图 主干道绿灯亮支干道红灯亮（40 进制计数器减 1）主干道黄灯亮支干道红灯闪烁（5 进制计数器减 1）我主干道黄灯亮支干道红灯闪烁干道黄灯亮支干道红灯闪烁主干道黄灯亮支干道红灯闪烁主干道红灯亮支干道绿灯亮（40 进制计数器减 1）主干道红灯闪烁支干道黄灯亮（5 进制计数器减 1）40 秒未到
13、5 秒未到40 秒未到5 秒未到3-2 交通信号灯顺序工作流程图两方向车道的交通灯的运行状态共有 4 种，如图 3-3 所示8状态 0支干道绿灯亮状态 1支干道黄灯亮状态 2主干道绿灯亮状态 3主干道黄灯亮图 3-3信号灯状态与车道运行状态如下：S0：支干道车道的绿灯亮，车道通行；主干道车道的红灯亮，车道禁止通行S1：支干道车道的黄灯亮，车道缓行；主干道车道的红灯亮，车道禁止通行S2：支干道车道的红灯亮，车道禁止通行；主干道车道的绿灯亮，车道通行S3：支干道车道的红灯亮，车道禁止通行；主干道车道的黄灯亮，车道通行其状态编码及状态转换图如图 3-4 所示9图 3-4 交通信号灯状态装换图显然，这
14、是一个二位二进制计数器。在这里，我们采用中规模集成计数器 CD4029 作为中心元件构成状态控制器。电路如下图所示：CD4029 可实现二进制/十进制的可进位、可预置的加/减计数。它由 B/D 端控制二/十进制计数，当 B/D 端为高电位（即为 1）时，为二进制计数；相反为十进制计数。由U/D 端控制其加/减计数，当此端为高电位（1）时，为加计数；反之，为减计数。由 PSE 端控制是否预置初始数，当此端为高电位时，为有预置数；为低电位时，不预置初始数。它的 CO 端的输出为借位输出，CI 端的输出为进位输出。3.3.2 状态译码器10主、支干道上的红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输
15、出状态。它们之间的关系见如下真值表。信号灯的状态， “1”表示灯亮， “0”表示灯灭。根据真值表，可求出交通信号灯逻辑函数表达式为： 1212, 21212,12 2,QgyrrGYQRQRG=1：主干道车道绿灯亮Y=1：主干道车道黄灯亮R=1：主干道车道红灯亮g=1：支干道车道绿灯亮y=1：支干道车道黄灯亮r=1：支干道车道红灯亮在这里选择半导体发光二级管模拟交通灯，由于门电路的带灌电流能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出地电平时，点亮相应的发光二极管。状态控制器输出 主干道信号灯 支干道信号灯Q1 Q2 R（红） Y（黄） G（绿） r(红 ) y(黄) G(绿)0 0 0 0 1 1 0 00 1 0 1 0 1 0 01 0 1 0 0 0 0 11 1 1 0 0 0 1 0
