交通信号灯控制系统的设计及仿真分析毕业论文

交通信号灯控制系统的设计及仿真分析

摘要

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速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高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。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城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越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。为此，通过我应用所学的知识设计了一套交通灯控制电路的方案。交通灯的控制系统主要由计时电路、主控电路、信号灯转换器、脉冲信号发生器组成。

关键词：控制系统；计时电路；主控电路；信号灯转换器；脉冲信号发生器

ABSTRACT

Along with social economy's development, the municipal transportation question arouses people's interest more and more. The person, the vehicle, road three relations' coordinated, which has become one which of important questions the traffic control department needs to solve. The municipal transportation control system is uses in the municipal transportation data monitor, the street-traffic control lights control and the transportation unblocking computer integrated manage system, which is in the modern municipal transportation monitoring command system the most important constituent. Along with urban vehicle quantity's unceasing increase, many big urban like Beijing, Shanghai, Nanjing and so on had the transportation excess load movement situation, therefore, from the late 80s, these cities constructs the urban speed-way in abundance, completes the initial period in the speed-way construction, they also once effectively improved the traffic condition. However, and lacks along with the volume of traffic swift growth to speed-way's system research and the control, the speed-way has not played the anticipated role fully. But urban speed-way characteristic structurally, also had decided the urban speed-way's traffic condition receives the speed-way and the ordinary path coupling place traffic condition restriction inevitably. Therefore, how to use the appropriate control method, maximum limit uses the good consumption large amount of money construction the urban speed-way, alleviates the main yang or male principle and the circular route, the city supports with the peripheral locality transportation stops up the condition, becomes the subject matter which more and more traffic management and the urban planning department urgently await to be solved. Therefore, I designed a plan about traffic light control circuit by the knowledge I studied. Traffic light's control system mainly by the timing circuit, the master control electric circuit, the signal light switch, the signal impulse generator is composed.

Key word: Control system; Timing circuit; Master control electric circuit; Signal light switch; Signal impulse generator

第一章绪论 (1)

1.1交通信号灯控制系统研究的背景和意义 (1)

1.2交通信号灯控制系统设计方案 (1)

第二章状态控制器设计 (4)

2.1状态分析 (4)

2.2CD4029的引脚图及引脚功能 (4)

2.3状态控制器设计图 (5)

第三章状态译码器设计 (6)

3.1控制信号灯的译码电路的真值表 (6)

3.2电路分析 (6)

3.3三态门的功能 (7)

3.4状态译码器设计图 (7)

第四章定时系统设计 (9)

4.1计数器的作用及工作情况 (9)

4.2共阳极LED七段数码管引脚图 (9)

4.3 74LS247译码器引脚图及引脚功能 (10)

4.4数码连接译码电路 (11)

4.5三态门74LS245的引脚图及引脚功能 (12)

4.6触发器的电路结构及功能 (12)

4.7定时系统设计图 (13)

第五章秒脉冲发生器设计 (15)

5.1 555 定时器介绍 (15)

5.2 NE555的特点 (15)

5.3 555定时器的引脚排列图及引脚功能 (16)

5.4 555定时器构成的秒信号发生器 (16)

5.5秒信号发生器工作原理 (18)

第六章仿真软件介绍及仿真分析 (20)

6.1 仿真软件介绍 (20)

6.2仿真调试交通信号灯状态控制器 (20)

6.3仿真调试交通信号灯显示电路 (21)

6.4仿真调试交通信号灯定时电路 (22)

6.5仿真调试秒脉冲发生器 (23)

6.6仿真调试整个系统 (25)

总结 (26)

参考文献 (27)

附录 (28)

谢辞 (36)

第一章绪论

1.1交通信号灯控制系统研究的背景和意义

世界上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。中国最早的马路红绿灯，是于1908年出现在上海的英租。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善[1]。

随着社会的发展和进步，路上的车辆越来越多，而道路建设往往跟不上城市发展的速度，因此城市交通问题日益突出，经常在十字路口等交通繁忙的地方发生堵塞情况，出现交通混乱。为了解决车和路的矛盾，常用的有两种方法：一是控制需求，最直接的办法就是限制车辆的增加；二是增加供给，也就是修路。但是这两个办法都有其局限性。我国汽车工业正处在起步阶段，限制车辆的增加不是解决问题的好方法。而采取增加供给，即大量修路，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，有限的源和财力以及环境的压力，也将受到限制。这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。交通系统正是解决这一矛盾的途径之一。

交通控制研究的发展，旨在解决人类交通因需求的增多而日益繁重带来的问题，局限于道路建设的暂时不足和交通工具的快速增长，就要使更多的车辆安全高效的利用有限的道路资源，避免因无序和抢行等无控制原因造成的不必要阻塞甚至瘫痪，另外，针对整个交通线路车辆的多少适时调整和转移多条线路的分流也十分必要。交通网络是城市的动脉，象征着一个城市的工业文明水平。交通关系着人们对于财产，安全和时间的利益。具有优良科学的交通控制技术对资源物流和人们的出行都是十分有价值的，保证交通线路的畅通安全，才能保证出行舒畅，物流准时到位甚至是生命道路的延伸。研究城市交通信号控制系统具有相当的学术价值和实用价值，解决了城市交通拥挤问题，提高了城市交通的效率，适应未来的城市交通的发展，从长远来看该研究具有巨大的现实意义。

1.2交通信号灯控制系统设计方案

十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行[2]。故本设计如下：1主、支干道交替通行，设主干道通行时间为30s，干道通行时间为20s。

2绿灯亮表示可通行，红灯亮表示禁止通行。

3每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s（此时另一干道上的红灯不变）。

4十字路口要有数字显示，作为等候时间提示。主、支干道通行时间及黄灯亮的

时间均以秒为单位作减计数。

5在黄灯亮时，原红灯按1Hz的频率闪烁。

6主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。

故系统工作流程图如图1-1所示：

图1-1 系统工作流程图

要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由控制器、译码器、秒脉冲发生器、计数器信号灯译码驱动电路[3]和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整个电路的原理框图如图1-2所示：

图1-2 交通灯控制系统的原理框图

1）状态控制器：主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，以实现对主、支干道车辆运行状态的控制。

2）状态译码器：按照状态控制器所处的状态，通过状态译码器分别驱动点亮相应的信号灯，指挥主、支干道的行人和车辆。

3）秒脉冲发生器：产生整个定时系统的时基脉冲，确保整个电路同步工作和实现定时控制。

4）减法计数器：通过减法计数器对秒脉冲作减计数，完成计时任务，达到控制每一种工作状态持续时间的目的。减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态，决定计数器下一次减法计数的初始值。

第二章状态控制器设计

2.1状态分析

首先分析十字路口交通信号灯工作的实际各种可能状态。因主干道和支干道各有 3种灯(红、绿、黄)，它们在正常工作时，亮灯的组合只有4种可能。

1）设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30s。

2）30s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯亮，支红灯闪烁，持续时间为5s。

3）5s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20s。

4）20s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯闪烁，支黄灯亮，持续时间为5s。5s后又回到第一种情况，如此循环反复。

因此，主控制电路有4种状态，设这4种状态依次用S

(主绿灯亮，支红灯

亮)、 S

1(主黄灯亮，支红灯闪烁)、S

(主红灯亮，支绿灯亮)、S

（主红灯闪烁，

支黄灯壳)表示[4]，其状态编码及状态转换图如图2-1所示：

图2-1 信号灯工作顺序流程图

4组编码对应4种状态，显然这是一个 2位二进制计数器的输出状态，故可采用多种中规模集成计数器来实现。本设计采用CD4029连接成二进制加法计数器构成状态控制器。

2.2 CD4029的引脚图及引脚功能

CD4029 为 4位可预置二进制/十进制可逆计数器。它的引脚图如图2-2所示。该计数器可进行二进制加/减计数或BCD十进制加/减计数操作，两种计数方式均有超前进位功能；B/D端为高电平时，进行二进制计数；B/D端为低电平时，进行十进制计数。U/ D为高电平时，为加计数器；反之，为减计数器。PE为置数控制端，

C为计数控制器。因此CD4029 的计数选择有4 种，分别由U/D(上数/下数)及B/D(二进制/十进制)两脚来控制。

图2-2 CD4029的引脚图

1.U/D=1，B/D=1；则为上数二进计数，其计数值由0000 到1111，总共有16 种状态，也就是十进制的0 到15。

2.U/D=1，B/D=0；则为上数十进计数，其计数值由0000 到1001 为止，只有10 种状态，换句话说就是BCD 计数的0 到9，详如时序图所示。

3.U/D=0，B/D=1；则为下数二进计数，其计数值分别依1111、1110 往下计至0000，再回到1111；总共有16 种状态，也就是十进制的15 到0。

4.U/D=0，B/D=0；则为下数十进计数，其计数值由1001、1000 往下计数至0000，再回到1001，即由9 下数至0，再回到9。

2.3状态控制器设计图

本设计中需要用二进制加法计数器来表示S

0、S

、S

这四种状态，故把

B/D和U/ D接高电平。在4029的引脚Q

0、Q

上分别加了一个非门来表示对它们

取反，从而得到S

0、S

、S

这四种状态

，

电路如图2-3所示：

图2-3 状态控制器设计图

第三章状态译码器设计

3.1控制信号灯的译码电路的真值表

主、支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。

它们之间的关系见表3-1。其中主干道的信号灯分别用大写字母R 、Y 、G 代表红

灯、黄灯和绿灯，支干道的信号灯分别用小写字母 r 、y 、g 代表红灯、黄灯和

绿灯。对于信号灯的状态，1 表示灯亮，0 表示灯灭[5]。这样，就将交通信号灯

信号的工作状态以真值表的形式表达出来。

表3-1 交通信号灯信号状态真值表

根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为：

R=Q 2·1Q + Q 2·Q 1=Q 2 R =Q 2 (3-1) Y=2Q ·Q 1 Y =12Q Q ? (3-2) G=2Q ·1Q G =12Q Q ? (3-3) r=2Q ·1Q +2Q ·Q 1 =2Q r =Q 2 (3-4)

y= Q 2·Q 1 y =12Q Q ? (3-5)

g= Q 2·1Q g =12Q Q ? (3-6)

3.2电路分析

根据以上表达式可采用逻辑门电路构成：门电路是数字逻辑电路的基本组成

单元，门电路按逻辑功能可分为：与门、或门、非门以及与非门、或非门、异或

门、同或门、与或非门。若按电路结构组成的不同，可分为立元件门电路、CMOS

集成门电路、TTL 集成门电路等。各种集成门电路通常都封装在集成芯片内。此

次设计采用的集成电路有74LS00、74LS125。每个集成电路都有自己的代号，与

代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途。74LS00是二输入端四与非门，

它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门。

由交通信号灯控制系统设计的技术指标知道，当黄灯亮时，红灯按 1Hz 的

频率闪烁。从表3-1中可以看出，黄灯亮时，Q

必为高电平；而红灯点亮信号与

Q 1信号无关。可利用Q

信号去控制一个三态门电路74LS125 (或模拟开关)来控

制。

3.3三态门的功能

三态门简称TSL门(以TTL三态门为例)，它是在普通门的基础上加上使能控制电路和控制信号构成的。所谓三态门，是指其输出有3种状态，即高电平、低电平和高阻态 (开路状态)[6]。在高阻态时，其输出与外接电路呈断开状态。图3-1、3-2是三态与非门的逻辑图。

图3-1 高电平有效图3-2 低电平有效

图3-1所示的三态门是控制端为高电平时有效。当 EN=1时，与普通与非门的逻辑功能相同：当 EN=0时，不论A、B 的状态如何，输出均为高PEI态 (与外电路隔断)。

图3-2所示的三态门是控制端为低电平时有效。当EN=0时，与普通与非门的逻辑功能相同；当EN=1时，不论A、B的状态如何，输出为高阻态。

因此，当Q

1为高电平时(Q

为低电平，控制三态门的EN，将秒脉冲信号引到驱动

红灯的与非门的输入端，使红灯在黄灯亮期间闪烁；反之将其隔离，使红灯信号不受黄灯信号的影响。

3.4状态译码器设计图

输出端选择发光二极管来模拟交通灯，由于门电路带灌电流的能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出低电平时，点亮相应的发光二极管，故交通信号灯状态译码电路组成如图3-3所示：

图3-3 交通信号灯状态译码电路

第四章定时系统设计

根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动置入不同定时时间的定时器，以完成 30s、20s、5s 的定时任务。该定时器由两片CD4029构成的2位十进制可预置减法计数器构成，时间显示状态由两片74LS47和两只共阳极LED七段数码管对减法计数器进行译码显示，预置到减法计数器的时间常数通过3片8路双向三态门74LS245来设定。3片74LS245的输入数据分别接入30、20、5 这3个不同的数字，任一输入数据到减法计数器的置入，由状态译码器的输出信号控制不同74LS245的选通信号来实现。

4.1计数器的作用及工作情况

计数器的作用：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行30s、20s、5s 3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。

计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的

时开始30s计数；30s后产生归零脉工作情况为：计数器在主控制器进入状态S

，计冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S

数器开始5s计数；5s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使

，计数器开始20s计数；20s后也产生归零脉计数器归零，主控制器进入状态S

冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S

，计

数器又开始5s计数；5s后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，

，开始新一轮循环。本设计由两片CD4029使计数器归零，主控制器回到状态S

构成的2位十进制可预置减法计数器来进行倒计时，由于CD4029功能前面已经写出，此处不再缀余。

4.2共阳极LED七段数码管引脚图

数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。共阳极数码管引脚如图4-1所示，内部结构如图4-2所示：

图4-1 共阳极数码管引脚图

图4-2 共阳极数码管内部结构

4.3 74LS47译码器引脚图及引脚功能

中规模集成电路74LS47是一种常用的7段显示译码器，74LS47是输出低电平有效的七段字形译码器，它在这里与数码管配合使用，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时，对应字段熄灭，所以驱动的是共阳极的 7段显示器。该

译码器能够驱动7段显示器显示0～15共16个数字的字形。输入端A

1、A

、A

和A

接收4位二进制码，输出端Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf和Qg分别驱动7段显示器的7段。译码显示原理图如图4-3所示：

图4-3 译码显示原理图

74LS47主要引脚功能如下：

(1)LT：试灯输入，是为了检查数码管各段是否能正常发光而设置的。当LT=0

时，无论输入A

1，A

，A

为何种状态，译码器输出均为低电平，即a、b、c、

d、e、f、g均输出为零,，发光数码管各发光段全亮，显示8字用以检查数码管各发光段是否良好。当LT,=1时,译码器按输入BCD码正常译码显示。

(2)BI：灭灯输入，是为控制多位数码显示的灭灯所设置的。BI=0时。不论LT

和输入A

1，A

，A

为何种状态，译码器输出均为高电平，即a、b、c、d、e、

f、g均输出为1，使共阳极7段数码管熄灭。只有BI=1时,译码器才根据A、B、

C、D输入状态而译码输出。

(3)RBI：灭零输入，它是为使不希望显示的0熄灭而设定的。当RBI=0时,若输入DCBA=0000,则输出不显示0,若输入为其它带码,则照常显示。

(4)RBO：灭零输出，它和BI共用一个引脚，它既是灭灯输入端用来接收信号,又是灭零输出端输出信号,为相邻位提供灭零输入信号，用它可以实现多位数码显示的灭零控制。

(5) 常用的七段显示器还加了小数点DP。

4.4数码连接译码电路

74LS247是一种BCD码输入端,其中D是高电位，a、b、c、d、e、f、g是输出端,输出低电平有效,和共阳极半导体发光数码管各发光段的阴极引出线相互连接，74LS47译码器原理译码为编码的逆过程。它将编码时赋予代码的含义“翻译”过来。实现译码的逻辑电路成为译码器。译码器输出与输入代码有唯一的对应关系。图4-4是74LS247和数码管的管脚排列图。

图4-4 七段数码显示器译码电路

表4-1列出了七段显示译码电路真值表，表示出了它与数码管之间的关系。

表4-1 七段显示译码电路真值表

4.5三态门74LS245的引脚图及引脚功能

74LS245是我们常用的芯片，用来驱动发光二极管或者其他的设备，尾带三态输出的8位双向数据缓冲器，专用于数据双向传输。74LS245芯片引脚如图4-5所示。其中芯片引脚G为芯片使能端(有的标为EN)，G为低电平时，缓冲器才能工作。DIR为传输方向控制端，当DIR=0时，信号由B向A传输，当DIR=1时，信号由A向B传输；G为高电平时，A、B均为高阻态。

图4-5 74LS245的引脚图

4.6触发器的电路结构及功能

根据逻辑功能的不同分为： RS触发器、 JK触发器、 T触发器、 D触发器。本设计用到的是RS触发器，图4-6和4-7分别是RS触发器的电路结构和图形符号。

图4-6 电路结构图4-7 图形符号

SR锁存器的特性表如表4-2所示：

表4-2 SR锁存器特性表

SR锁存器在电路中的作用是保证数码管显示数字的时间间隔为1s。

4.7定时系统设计图

当状态控制器在S

1 (Q

=01)或在S

=11)时. 要求减法计数器按初值5

开始计数，故采用S

1、S

为逻辑变量而形成的控制信号Q

去控制输入数据接数字

5的74LS245的选通端[7]。由于74LS245选通信号要求低电平有效，故Q

经过一个非门输出后接相应74LS245的选通控制端。。所设计的定时系统如图4-8所示：

图4-8 定时系统设计图

第五章秒脉冲发生器设计

产生秒信号的电路有多种形式，本设计是利用555定时器组成的秒信号发生器。

5.1 555 定时器介绍

555 定时器是一种模拟和数字电路混合的中规模集成电路。它结构简单、性能可靠、使用灵活，只要外部配上适当阻容元件，就构成脉冲产生和整形电路。在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。

在市面上可以看到NE555,CA555,HA555,FX555,SN52555/SN72555、MCI555、TA555、5G1555等，但是尽管不同厂家生产的产品在结构和参数方面可能有差别，但在产品中都保留了555数字，即片内的两个电压比较器的基准电压由三个严格相等的5k欧电阻分压提供，因此，称为555集成电路。在应用中都是一样的效果。555是一种时基电路，能在4.5——18V电源电压下工作，输出电瓶可与TTL、CMOS、HTL逻辑电路兼容，定时或震荡精度仅与外接元件特性有关，具有200mA 的吸入或供出电流，可直接推动扬声器，电感等低阻抗负载。还可以在仪器仪表、自动化装置和各种电器中作定时和时间延迟等控制。在电路中可做单稳态、多谐振荡器、脉冲发生器、脉冲检测器。脉冲宽度和位置的调至电路以及报警器，应用极其广泛。

5.2 NE555的特点

本设计用NE555来设计秒脉冲发生器。NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同。下面是NE555的特点：

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.它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。

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。

5.静态电流最大值V

CC = 5 V, R

= ∞ =6mA V

=15 V,

= ∞ =15mA。

5.3 555定时器的引脚排列图及引脚功能

图5-1 555的内部电路图

图5-2 555定时器引脚排列图

555定时器各引脚的功能如下：

1端GND为接地线；

2端TR为低电平触发端，也称为触发输入端。当2端的输入高电压高于V

/3时，

C 2输出为1；当输入电压低于V

/3时，C

的输出为0，使基本触发器置1；3端

OUT为输出端；

4端RT是复位端，当R=0时，基本触发器直接置0，使Q=0，Q=1；

5端为电压控制端，如果C

0端另加控制电压，则可以改变C

，C

的参考电压。工

作中不使用C

端时，一般都通过一个0.01uF的电容接地，以防旁路干扰；

交通信号灯控制系统的设计及仿真分析 毕业论文

交通信号灯控制系统的设计及仿真分析毕业论文