交通信号灯控制电路的设计

1.1选题的背景

1.1.1课题目的

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。

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，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；

5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

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。

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

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：

图 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

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）

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

5秒未到

40秒未到

5秒未到