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1、1.前言交通灯的历史19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯-煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩 ，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤
2、的警察也因此断送了性命。 从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。 红黄绿交通灯的出现随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。 黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一
3、辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。 交通灯颜色对视觉的影响 其实,用这三色来作交通讯号和人的视觉机能结构和心理反应有关。 我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞。杆状细胞对黄色的光特别敏感，三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。由于这种视觉结构，人最容易分辨红色与绿色。虽然黄色与蓝色也容易分辨，但因为眼球，对蓝光敏感的感光细胞较少，所以分辨颜色，还是以红、绿色为佳。所以，交通灯用
4、什么颜色也是有大学问的呀 ！ 颜色也有活动 (activity)的含意，要表达热或剧烈的话，最强是红色，其次是黄色。绿色则有较冷及平静的含意。因此，人们常以红色代表危险，黄色代表警觉，绿色代表安全。 而且，由于红光的穿透力最强，其他颜色的光很容易被散射，在雾天里就不容易看见，而红光最不容易被散射，即使空气能见度比较低，也容易被看见，不会发生事故。所以我们用红色表示禁止。2.总体设计方案2.1方案比较方案一：用数电电子技术来实现交通灯控制交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出
5、两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中：TL:表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。图1系统的原理框图交通灯控制器（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。（2）乙车道黄灯亮，乙车道红
6、灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控
7、制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表1、2所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：控制状态信号灯状态车道运行状态S0（00）甲绿、乙红甲车道通行，乙车道禁止通行S1（01）甲黄、乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行S3（11）甲红、乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行AG=1甲车道绿灯亮甲车道通行BG=1乙车道绿灯亮乙车道通行AY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行BY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行AR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通
8、行BY=1乙车道红灯亮乙车道禁止通行。如表1。控制状态信号灯状态车道运行状态S0（00）甲绿、乙红甲车道通行，乙车道禁止通行S1（01） 甲黄、乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行S3（11）甲红、乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，乙车道缓行AG=1甲车道绿灯亮甲车道通行BG=1乙车道绿灯亮乙车道通行AY=1甲车道黄灯亮甲车道缓行BY=1乙车道黄灯亮乙车道缓行AR=1甲车道红灯亮甲车道禁止通行BY=1乙车道红灯亮乙车道禁止通行表1方案二：图2. 交通控制灯电路设计如图1所示为交通控制电路设计方案图，根据概述中的设计思想及方法来实现下图的交通指示灯状态转换图中描述的指
9、示灯的转换及每种状态维持的时间（用数码显示管来显示）。方案三：采用MAX7000S系列的EPM128L_7芯片设计采用这种设计主要就在芯片使用，但是所使用的芯片比较贵，并且软件的设计比较大，而且对软件的设计需要借助一定的工具，然而使用这种逻辑编程的工具很贵。方案四：用单片机技术来实现交通灯控制采用单片机AT89C51来设计并制作，这种方案的硬件较少，基本上硬件没什么难度，用单片机来实现交通灯控制是最容易实现的，而且该电路可靠性也很高，但是这是要求设计者要有单片机编程的基础上才能完成设计。由于本人单片机编程基础不是很好，所以选用了数字电子技术来实现交通灯控制。2.2方案的论证与选择由于我们做的是
10、数字电路的课程设计，而且通过对以上三种方案的可行性的比较，同时为了加深对数电知识的理解和掌握，此次设计我们悬着了方案一，用数电电子技术来实现交通灯控制。3.单元模块设计：3.1电源模块电源模块主要为交通灯控制电路提供电源，其主要结构是由220V市电通过一个变压器降压，再通过由二极管构成的整流桥转换成直流电，再通过滤波和稳压，最后输出我们需要的5V直流电压。如图3。图3 电源的设计3.2秒脉冲发生器NE555的特点有：1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及
11、输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会
12、重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)
13、至+16伏特(最大值)。555定时器构成的多谐振荡器图4. 555定时器构成的多谐振荡器如图3所示为555定时器构成的多谐振荡器，Cf为10nF，若C取100nF，依据公式周期T=（R1+2R2）Cln2 可计算出R1+2R2150k时可得到周期为0.01s的振荡信号;若C取10uF，依据公式周期T=（R1+2R2）Cln2 可计算出R1+2R2150k时可得到周期为1s的振荡信号。3.3定时器定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模15的定
14、时信号TL。计数器选用集成电路74LS160进行设计较简便。74LS160是10进制同步加法计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。74LS160功能表如表1-4所示。CLK RD LD EP ET 工作状态XXX 01111X0111 X X X X 0 1 X 0 1 1置零预置数 保持保持（C=0） 计数表2表中RD是低电平有效的同步清零输入端，LD是低电平有效才同步并行置数控制端，D0D3是并行数据输入端，Q0Q 3是数据输出端。设计如图1-5 图5 交通灯定时器其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK分别送给两个74LS160的清零端9处。如图所示：输入端3.4.5.6分别接地
15、.。U1的7和10由U2的11、14经过与门相与后相连。.即：只有当时11、14处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲。当U13C74LS04的ST信号分别送给U1和U2的LOAD。就可以得到TY和TY非是秒脉冲的5倍；TL和TL非的结果是秒脉冲的15倍。74LS160引脚图及引脚介绍：PE ：使能输入端P0P3：输入端CEP ：Count Enable Parallel InputCET：Count Enable Trickle InputCP：时钟信号输入端MR：Master Reset (Active LOW) InputSR：Synchronous Reset (Activ
16、e LOW) InputQ0Q3：输出端TC：Terminal Count Output (Note b)3.4控制器制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。列出控制器的状态转换表，如表1-6所示。选用两个D触发器74LS74做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1 00状态时，如果TL 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项X表示。其余情况依次类推，就可以列出了状态转换信号ST。表1-3控制器状态转换表 表3根据上表可以推出
17、状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和 ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中1用原变量表示，0用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程： 根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号即可实现控制器的功能。控制器原理图如图1-6所示。图中R、C构成上电复位电路。由两个双多路转换器74LS153和一个双D触发器74LS74组成控制器。触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互交换。图6 交通灯控制器其原理为： CLK分别送给U6A和U6B的3
18、和11的清零端。将TY接入U4的5和U5的4和5；TY非接入U4的4。如上图所示：74LS74两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态。选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的的现态值加到74LS153的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。 3.5 译码电路译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表1-4所示。表中A、B代表甲、乙车道。Q1 Q0AG绿灯AY黄灯AR红灯BG绿灯BY黄灯 BR红灯0 01000010 10100011 00011001 1
19、001010表4 控制器状态编码与信号灯关系表由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CLK脉冲，一部分送给了定时器的74LS160芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS160芯片的情况下，通过芯片74LS10将会输出TY、TY非；TL、TL非。即TY和TY非放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和TL非放大的结果是秒脉冲的15倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY。TY非；TL。TL非分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CLK脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片74LS08组成的译码器后再通过电路中的指示灯和2
20、00欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。电路图设计如图1-9图7 译码器部分原理图3.6 显示部分显示部分由74LS48和共阳极七段数码管组成，74LS48作为译码器，对74LS160的输出信号进行译码，然后通过七段数码管显示出74LS160的计数。即交通灯需要显示的时间。其设计如图8图8 共阳极七段数码管显示电路4.软件设计本设计主要运用到的软件有仿真软件Protues和Multisim以及画图软件Protel99se等。其中Protues和Multisim主要用于各部分仿真调试和总得电路设计仿真调试。Protel99se用于原理图的绘制和PCB印制
21、电路的绘制。其流程图如下：方案选择Protues模块仿真调试Protel99se绘制原理图和PCB图9 流程图5.系统调试（1）组装调试秒脉冲电路。（2）进行定时电路的组装和调试。当输人1Hz的时钟脉冲信号时，要求电路能进行增计时，当增计时到25时，能输电有效的定时时间到信号。（3）调试交通灯控制器以及显示部分。（4）判断各部分电路之间的时序配合关系。然后检查电路各部分的功能，使其满足设计要求。最终调试如下：接上电源,便可以进行交通灯控制系统的仿真，甲车道方向绿灯亮25秒，行人车辆都可自由通行；乙车道方向的红灯亮，车辆禁止通行。25秒后，甲车道亮黄灯，时间为5秒，此时乙车道依然亮红灯。这5秒过
22、后，乙车道改亮绿灯，甲车道亮红灯，时间25秒，然后乙车道亮黄灯，甲车道继续亮红灯，维持5秒。然后甲车道亮绿灯，乙车道亮红灯，依次循环。6.系统功能，指标参数（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替通行，每次通行时间都设为25秒。（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。（3）指标和参数见设计步骤7.总结和体会1、能实现的功能交通灯的状态转换和计时时间的显示，基本能实现甲、乙道路直行和转弯灯的显示功能。2、不足之处设计过程中用的芯片太多。通过这次设计，掌握了对数字电路交通灯的设计方法，掌握了NE555构成多谐振荡器的做法，对555产生脉冲信号有进一步的控制。懂得了分频电路的设
23、计，对芯片有了一个新的看法，对芯片的功能有了进一步的了解。设计中遇到的问题也可以通过自己的查询和同学的帮助解决，锻炼了自己的独立思维能力和动手动脑能力。要有一个明确的目标和一颗团结合作的心，还要保持一个良好的心态，才能把设计做得更好！8.谢辞首先谢谢张老师为我们这个设计付出的心血。为我们一个个的去矫正问题，一点也不厌烦同学们知识上的欠缺，一一为我们指出，这样的老师是好老师。在这次的设计里，我懂得了许多以前未懂或者不太懂的知识，给了同学们一个自己锻炼的机会和舞台。在这次的设计里面，充分验证同学们的团结，积极，主动精神。也要谢谢我们的组长以及组员同志们，给了我很多的帮助。谢谢老师，谢谢他们。9.参考文献1 康华光.电子技术基础：数字部分.5版.北京高等教育出版社.20072 阎石.数字电子技术基础 高等教育出版社 2006.53 郑家龙.集成电子技术基础教程.北京高等教育出版社2002.4 罗杰等编. 电子技术基础试验.北京高等教育出版社，2008年5 金唯香等编. 电子测试技术.长沙湖南大学出版社，2004年附录附录一：电路原理图附录三：仿真图
