交通信号灯PLC控制系统设计

目录摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I 1 绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.1前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.2目的．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.3 任务和要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 2整体结构设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2.1整体控制设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2.2工作原理分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 2.3系统的总体逻辑设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 3整体电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10 4仿真运行图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11结束语．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12参考资料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．131绪论1.1前言随着社会的不断进步和发展，人们的消费水平不断的提高，私人车辆不断的增加，人多、车多道路少的道路交通状况已经很明显了。

在一个交通十字路口，如果还是像以前一样由单纯的一种信号灯和交通警察的协调来维持交通是不够的，这就需要设计各种交通指挥自动化系统来完成这些复杂的工作，从而使交通指挥系统更加有秩序，更加安全。

十字交叉路口交通灯信号控制器就是在此环境下萌生的，用来指挥十字路口车辆的停通，使红绿灯指挥系统实现自动化，无人化。

交通灯是我们最常见的系统，随着科技的日益创新，交通灯的设计也多式多样，不同的地点不同的路况需要不同的交通灯，但其设计原理都是大同小异的。

我们这次的设计是用硬件实现交通灯的全部功能。

这里用简单的电路来介绍交通灯的工作原理。

介绍了数字电子技术中非常重要的几个芯片：定时器NE555、4位十进制可逆同步计数器（双时钟）74LS192、七段显示译码器74LS48、带小数点（DP）的七段数码管、数据分配器74LS138。

1.2目的通过课程设计，使学生加巩固和加深对电子电路基本知识的理解，学会查寻资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高学生综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。

锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。

1.3任务和要求任务：设计一个由一条主干道和一条支干道的汇合点形成的十字交叉路口交通信号灯控制电路。

要求：（1）用红绿黄三色发光二极管作信号灯。

（2）主、支干道交替通行。

主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。

设计45秒和25秒的计时显示电路。

（3）在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换过程中间，要亮5秒黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线以外，设计5秒的计时显示电路。

上述时间可以酌情修改并在以上基础上发挥。

2整体结构设计2.1整体控制设计分析系统的逻辑功能，画出交通灯控制系统的原理框图如图2.1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；控制器是系统的核心，由它控制定时器和译码器的工作。

译码器的主要任务是将控制器的输出 Q1、 Q的4种工作状态，翻译成主、支车道上6个信号灯的工作状态。

计时模块用来设定主干道和支干道计时器的初值，并为扫描显示译码模块提供倒计时时间。

图2.1交通灯控制原理框图图2.1中：TH: 表示主干道绿灯亮的时间间隔为45秒, 即车辆正常通行的时间间隔。

定时时间到，TH=1，否则，TH=0。

TL: 表示支干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。

2.2工作原理分析根据设计要求可知交通信号灯工作过程可分为以下四阶段，并实现其循坏。

（1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。

表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。

绿灯亮足规定的时间隔TH 时，控制器发出状态信号ST ，转到下一工作状态。

（2）主干道黄灯亮，支干道红灯亮。

表示主干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，支干道禁止通行。

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）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。

表示主干道禁止通行，支干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）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。

表示主干道禁止通行，支干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。

按上述分析交通灯的工作状态为如下四种，分别为S0:主干道绿灯，支干道红灯； S1:主干道黄灯，支干道红灯；S2:主干道红灯，支干道绿灯；S3:主干道红灯，支干道黄灯。

状态转换图如图2.2所示。

TH=1,ST=1 TL=1,ST=12.3系统的总体逻辑设计控制电路总逻辑图初步描述各单元电路的连接，如图2.3所示。

图2.3 控制电路总逻辑图（1）控制器的初始状态为S0(用状态框表示S0)，当S0的持续时间小于25秒时，T L=0(用判断框表示T L)，控制器保持S0不变。

只有当S0的持续时间等于25秒时，T L=1，控制器发出状态转换信号S T(用条件输出框表示S T)，并转换到下一个状态。

依此类推即可。

图2-4 交通灯控制器ASM（2）控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。

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。

从ASM图列出了控制器的状态转换表，如表2-2所示。

选用两个D触发器FF1、FF0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 Qn=00状态时，如果TL=0，则控制器保持在OO状态；如果TL=1，则控制器转换到Q1n+1Qn+1=01状态。

这两种情况与条件Ty无关，所以用无关项“×表示。

其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。

表2-2控制器状态转换表输入输出现态状态转换条件次态状态转换信号Q1n Q0n T L T Y Q1n+1Q0n+1STO 0 0 O 0 1 O l 1 l 1 l 1 O 1 O O ×l ×× 0× 10 ×1 ×× 0× lO OO 1O 1l l1 1l 01 00 0O1Ol1l根据表2-2，可以推出状态方程和转换信号方程，即将Q1n+1、Q0n+1和S T为 l的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中“l”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74LSl53来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值(Q1n、Q0n)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。

控制器状态编码与信号灯关系如下表：表2-3 控制器状态编码与信号灯关系表状态AG AY AR BG BY BR00 0l 11 101 O 0O l OO O lO O l0 O 1O 0 1l O 00 l O（3）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。

（4）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，要求计数器在状态转换信号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25的定时信号T L 。

计数器选用集成电路74LSl63进行设计。

74LSl63是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。

74LSl63的外引线排列图如图2.5所示，其功能表如表2.4所示。

图中，CR是低电平有效的同步清零输入端，LD是低电平有效的同步并行置数控制端，CTp、CTT是计数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q3是数据输出端。

图2.5 74LSl63的外引线排列图表2-4 74ISl63功能表输入输出CR LD CTp CT T CP D0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q30 ××××××××1 O ××↑ d0 d1 d2 d3 1 1 1 1 ↑××××1 1 0 ×↑××××1 l × O ×××××O 0 O O 0 d1 d2 d3计数保持保持由两片74LSl63级联组成的定时器电路如图2.6所示。

图2.6 定时器电路图（5）倒计时器由两位4位十进制可逆同步计数器（双时钟）74LS192、一个非门和一或门构成。

其组成如图2.7所示，其中74LS192是上升沿触发，CPU为加计数时钟输入端；CPD为减计数时钟输入端；LD为异步预置端，低有效；CR为异步清零端，高有效；CO为进位输出端，当1001后输出低电平；BO为借位输出端，当0000后输出低电平；D3D2D1D0为数据预置端；Q3Q2Q1Q0为数据输出端。

倒计时器初始状态为01100000，当输入一个脉冲，计时器就会减一。

低位的状态是0000时，再来一个脉冲，BO端就会由1—〉0，这是高位的CPD端由0—〉1。

高位因得到一个上升沿，从而触发，进行减1运算。

低位的状态变为1001。

当高低位的状态都为0000时，它们的LD 端就会接低电平，从而进行异步置数。

计时器状态变为01100000。

秒脉冲再来就会重复以上操作。

计时器电路图如下：图2.7计时器电路图（6）系统所需要的秒脉冲由定时器NE555所构成的多谐振荡器提供，多谐振荡器如图2.8所示，其中1脚是电路地GND ；8脚是正电源端Ucc ，工作电压范围为5~18V ；2脚是低触发端TR ；3脚是输出端OUT ；4脚是主复位端R ；5脚是控制电压端Uc ；6脚是高触发端TH ；7脚放电端DISC 。