(论文)交通信号灯控制电路(2018-03-27 13-43-52)（19页）

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甘肃民族师范学院

本科毕业论文

交通信号灯控制电路设计

题 目 交通信号灯控制电路设计

学生姓名 付海俊

学 号 2014012021

专业班级 物理14

系 别 物理与水电工程系

指导教师 袁方强

职 称 讲师

日 期 二〇一八年五月十日

教务处 印 制

郑重声明

本人的毕业论文（设计）是在指导教师袁方强指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。

毕业论文学生签名： 指导教师签名：

年 月 日 年 月 日

交通信号灯控制电路设计

目 录

TOC \o "1-3" \h \z \u 摘 要 I

1.绪论 1

1.1 课题研究 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 国内外研究信号灯控制现状 1

1.2.2 交通信号灯控制存在的问题 2

1.3 课题研究内容 2

2. 交通信号灯 3

2.1 交通信号 3

2.2 交通信号灯的设计要求 3

2.3交通信号灯交通法规 4

2.3.1 十字路口交通信号灯交通法规规定： 4

2.3.2道路交通安全法实施条例 5

3. 交通信号灯控制电路 5

3.1 十字路口交通信号灯控制系统具体介绍 5

3.2 交通信号灯控制电路分配 6

3.2.1 控制电路主程序流程图 6

3.2.2 交通信号灯工作状态 6

3.2.3 状态译码器 7

3.2.4 状态译码电路组成如图 8

3.2.5 定时及显示系统 9

3.2.6 秒信号产生器 10

3.3交通信号灯控制总电路图 12

3.3.1交通信号灯控制总电路图 12

3.3.2工作原理介绍 12

4.结论 13

参考文献 14

致 谢 15

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摘 要

随着社会经济的发展，人们越来越重视城市交通问题。交通管理部门急需解决的重要问题之一是汽车和道路的协调问题。城市交通控制系统是集城市交通数据监测、交通信号控制和交通分流为一体的计算机综合管理系统。它是现代城市交通监控系统的重要组成部分。增加机动车的数量在城市,南京,上海,北京和其他城市,交通超负荷运行的情况,因此,在80年代末开始,这座城市建立城市高速公路,在完整的高速公路建设的开始,并有效改善交通状况。然而，随着交通的快速发展和对高速公路缺乏系统的研究和控制，高速公路还没有充分发挥预期的作用。城市高速公路的结构特征也决定了高速公路的交通状况和高速公路的交通状况。因此，如何运用适当的控制方法，充分利用高速公路城市，在建设中投入大量资金，缓解主要道路和城市道路交通拥堵，以及周边地区，已成为各部门迫切需要解决的交通管理和城市规划问题。因此，通过应用我的知识，设计了一套交通灯控制电路。交通信号灯控制系统主要由定时电路、主控制电路、信号灯变换器和脉冲信号发生器组成。

关键词：交通信号灯；555计时器；控制电路

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1.绪论

1.1 课题研究

1.1.1 研究背景

从18世纪工业革命开始，工业的发展带动了交通运输业的发展，形成了一个独立的交通管理知识和管理机制、物流、交通运输等交通发展，现代社会产生了，交通控制系统，一套独特的公共管理系统。为了保证交通秩序的有效安全，除了制定交通规则外，还必须通过一定的技术手段来实现。如今，随着社会经济的不断发展和人民生活水平的提高，人们出行离不开交通。其中，汽车成为人们日常生活中的主要交通工具，交通工具的发展达到高峰。然而，交通运输给我们带来了各种便利，同时也带来了交通堵塞、能源短缺、城市污染和交通事故频发等一系列问题。由于在各种交通岔路口减速、等待和加速，车辆通过交通路口的速度大大降低，导致交通路口车辆通行效率显著下降，从而减慢了整个城市的速度。为了适应城市交通猛增的趋势，缓解城市交通的情况下，国内许多城市和国外用于扩展道路，增加道路的宽度，对高架路的建立等方法，这些方法，虽然效果明显，但土地资源约束和成本太高，不适合在所有地点实施。

1.1.2 研究意义

交通控制系统的发展是以交通信号控制技术为指导，并与汽车行业并行发展的。在发展的各个阶段，由于各种交通矛盾的不断出现，人们总是试图将最新的科技成果应用于交通管制，以促进交通控制技术的不断发展。交通控制研究的发展旨在解决日益增长的交通需求引起的交通拥挤问题。交通网络是城市的动脉，标志着城市的工业文明水平。优秀的科学的交通控制技术对资源物流和人民旅游具有重要的价值。它保证了交通顺畅，交通顺畅，物流准时，甚至延长了更长的生命通道。交通运输对社会的工业经济和人民的生产生活具有重要意义。

1.2 研究现状

1.2.1 国内外研究信号灯控制现状

早在1850年初，城市交叉口日益增多的交通引起了人们对交通安全和拥挤的关注。第一次跨越交通管制的尝试起源于1868的伦敦，当时由警察手册用旗交替指挥，然后控制指令可以称为信号量。这种控制在1908传到美国的纽约，不久就传遍了整个国家。城市电气化的发展导致了克利夫兰1914俄亥俄第一个电力信号的出现。1919，纽约市开始将手动指挥旗转变为马达控制信号。1923，Garrett Morgan申请了专利的摩根交通灯，然后把它卖给了GE公司的1932，最后的手动控制国旗的帕克赛德街在Broolyn是由一个电机控制信号代替。在1920～1970年间的近50年中，交通信号控制是交通信号控制系统的主要市场。通过安装适当的齿轮，可以保证周期长度，将一个针插入到计时轮，并将周期划分为不同的时间间隔。为适应交通变化的需要，划分时间的方法被称为“三时段”划分。同时为了确保相邻的一个交通信号系统与预期的信号周期的路口，分裂和偏移工作的“七丝”连接方式下，信号灯使相邻的电机驱动系统中的控制方式工作，即使现在的我们已经进入了新的千年，在一些地方，一些城市仍然使用信号控制器三次分裂周期和七电缆连接基于系统。即使在电机驱动系统中开发的大多数术语仍然用于现代微处理控制器中。在20世纪60年代早期，计算机被引入到交通信号控制系统中。1963年，第一个计算机控制的交通信号控制系统安装在加拿大的多伦多。到20世纪70年代，微处理器已经被广泛使用，硬件和软件已经开始使用。现在，交通控制更加智能化的方向，我们相信我们以后的交通一定要顺畅方便。

由于交通信号的诞生，内部电路控制系统得到了改进，设计方法多样化，使交通信号更加智能化。特别是近年来，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法得到了极大的改进，电子设计自动化已成为现代电子系统和设备中不可缺少的工具，如交通灯控制电路的设计提供了技术基础。

1.2.2 交通信号灯控制存在的问题

城市交通信号控制中存在的问题,借鉴国外城市交通管理的先进经验,强调了建设城市交通管理系统的重要性,提出了加强城市交通规划研究中,交通基础设施建设基金,建立稳定的外表,公交优先政策,先进的交通信息系统建立和对策。城市道路建设规模也在不断扩大。道路密度低、道路面积小的问题在中国十分普遍。这就是为什么我们的城市限制大城市的存在的一个重要原因。交通管理水平还不成熟。随着交通需求的增加，我国交通管理和交通安全的中小企业的现代化设施还不够。在车辆、道路和交通管理系统、城市交通信号控制系统、城市交通控制、人工智能技术、信息获取和信息技术等方面与发达国家有很大的差距。近年来，虽然一些城市已经研究并引进了一些先进的交通信号管理系统，但由于缺乏交通管理设施，我国的交通事故率仍然很高。城市交通的速度逐年下降。目前，许多城市的交通量逐年增加，但交通速度却普遍下降，这是由于交通状况不佳造成的。

1.3 课题研究内容

交通灯是交通安全产品的一类。这是加强道路交通管理，提高道路交通状况的效率和改善的重要工具。适用于交叉和丁字路口。由控制电路控制，引导车辆和行人安全有序地通行。交通灯控制电路的设计方法有多种，可分为数字逻辑电路、单片机电路、继电器接触器电路等多种电路。在设计中采用了数字逻辑电路控制系统。与其他两种电路相比，该电路具有价格低、设计思路简单、元器件少、体积小、稳定性好、可靠性高等特点。因此，在许多城市的交通信号控制系统中，都使用了数字逻辑电路。

2. 交通信号灯

交通灯有两种，一种叫车的交通灯，灯是用来控制车辆的红色，黄色和绿色三种颜色，设置在路口的地方；另一个是所谓的人行横道灯，灯红、绿两种颜色用于指挥行人过马路。设置在人行横道的两端。交通灯是一种统一的国际交通信号，被称为“交通警察”。红灯是停车信号，绿灯是交通信号。十字路口有三种交通灯，红、黄、绿，挂在四面。汽车在这几个方向会聚。有一条直线和一条线。我们怎么去那儿？我们需要看看如何指挥交通灯。红灯停了，绿灯亮了，黄灯等着，汽车在有序地行驶。

交通信号的颜色不是随意设置的。颜色有一定的含义，红色代表喜庆，黄色柔和明亮，绿色代表和平与宁静。所以，红色是危险的，黄色是警告，绿色是安全的。根据光学原理，红光具有更长的波长，更强的穿透力，比其他信号更受关注，所以红灯被用作禁止交通的信号。红色和绿色的区别是最明显的，所以绿灯被用作交通信号。

2.1 交通信号

2.2 交通信号灯的设计要求

交通信号的颜色不是随机设置的。颜色有一定的含义，红色代表热烈的庆祝，黄色是柔和明亮的，绿色代表和平与和平。所以，红色是危险的，黄色有警示意义，绿色有安全的含义。根据光学原理，红光具有更长的波长、更强的穿透力和更多的注意力，所以红灯被用作禁止交通的信号。红色和绿色之间的区别最为明显，所以绿灯被用作交通信号。故本设计如下：

（1）主干道与支路交替通行，主干道通行时间30秒，主路通行时间20秒。

（2）绿灯是通行，红灯是禁止通行的标志。。

（3）每当绿灯变红，黄灯首先亮起5s（这时其他大道上的红灯不变）。

（4）十字路口应该有一些数字作为等候时间的提醒。

（5）黄灯亮时，原来的红灯闪烁在1Hz的频率。

（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。

故系统工作流程如图2.1

主干道绿灯亮

主干道绿灯亮

支干道红灯亮

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

主干道红灯闪烁

支干道黄灯亮

40秒未到

5秒未到

40秒未到

5秒未到

如图2.1系统工作流程

2.3交通信号灯交通法规

2.3.1 十字路口交通信号灯交通法规规定：

（1）遇到红灯时车（包括自行车 摩托车 电动车）不能直行，也不能左转，但可以右转通行（不管在那个路口，右转不受红绿灯限制）。

（2）遇到绿灯时车可以直行，也可以左转右转（特别注意红绿灯上面的指示方向箭头）。

（3）方向灯为绿灯时是可以向红绿灯上面的指示方向箭头方向行驶。

（4）方向灯为红灯时是不可以向红绿灯上面的指示方向箭头方向行驶。红灯时，是不许左转弯的。如果是国际信号，它会显示左转绿灯，可以左转弯。红灯时是可以右转弯的。但有很少一部分地方要按右转弯指示灯右转。

2.3.2道路交通安全法实施条例

第三十八条 机动车信号灯和非机动车信号灯表示：

（1）绿灯亮时，准许车辆通行，但转弯的车辆不得妨碍被放行的直行车辆、行人通行；

（2）黄灯亮时，已越过停止线的车辆可以继续通行；

（3）红灯亮时，禁止车辆通行。

　在未设置非机动车信号灯和人行横道信号灯的路口，非机动车和行人应当按照机动车信号灯的表示通行。

　红灯亮时，右转弯的车辆在不妨碍被放行的车辆、行人通行的情况下，可以通行。

第三十九条 人行横道信号灯表示：

（1）绿灯亮时，准许行人通过人行横道；

（2）红灯亮时，禁止行人进入人行横道，但是已经进入人行横道的，可以继续通过或者在道路中心线处停留等候。

第四十条 车道信号灯表示：

（1）绿色箭头灯亮时，准许本车道车辆按指示方向通行；

（2）红色叉形灯或者箭头灯亮时，禁止本车道车辆通行。

3. 交通信号灯控制电路

3.1 十字路口交通信号灯控制系统具体介绍

本论文设计的交通信号灯控制电路主要用于十字路口，这两条车道各有一套红、黄、绿灯和555个计时器，用来指挥车辆和行人的有序交通。南北方向交通状况由两组交通信号灯控制。红灯禁止通行。黄灯亮停下来，交通灯是绿色的。555定时器用来控制交通时间或没有交通。为每个红绿灯设置一个初始值。交通灯改变后，时间将根据初始值开始。当时间为零时，交通灯的状态将改变到下一个状态。交通信号灯亮灭状态是相关的，每个方向的灯亮灭状态影响着另一个方向的灯亮灭状态，这样才能够协调两个方向的车流。

3.2 交通信号灯控制电路分配

3.2.1 控制电路主程序流程图

东西信号灯南北信号灯组合逻辑电路

东西信号灯

南北信号灯

组合逻辑电路

十二进制计数器

工作方式控制开关

秒脉冲产生电路

4分频器

图3.1控制电路主程序流程图

3.2.2 交通信号灯工作状态

两方向车道的交通灯的运行状态共有4种，如图3.2所示

状态

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3.2运行状态

信号灯状态与车道运行状态如下：

S0：支车道绿灯亮，可以通行；主车道红灯亮，禁止通行。

S1：支车道黄灯亮，可以缓行；主车道红灯亮，禁止通行。

S2：支车道红灯亮，禁止通行；主车道绿灯亮，可以通行。

S3：支车道红灯亮，禁止通行；主车道黄灯亮，可以通行。

其状态编码及状态转换图如图3.3所示

图3.3交通信号灯状态装换图

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。

3.2.3 状态译码器

主干道和主干路红、黄、绿灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系如下表所示。信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。

状态控制器输出

主干道信号灯

支干道信号灯

Q1

Q2

R（红）

R（红）

G（绿）

r(红)

y(黄)

G(绿)

0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

1

0

1

1

0

0

0

1

1

1

1

1

G（绿）

r(红)

y(黄)

0

表3.1状态控制器的输出状态

根据真值表，可求出交通信号灯逻辑函数表达式为：

G=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，我选择了半导体发光二级管来模拟交通灯，因为门电路的容量一般比牵引电流强。它需要的门电路输出地功率和对应的LED。

3.2.4 状态译码电路组成如图

图3.4交通灯状态译码电路

从译码器的真值表中，发现当黄灯亮时，Q1是高的，而红光信号与Q1无关。是控制一个三态门电路使用74LS245 Q1信号，当Q1高，第二脉冲信号转换成驱动光与非门的输入端，和红灯黄灯闪烁和之间的隔离。红光信号不受黄光信号的影响。

3.2.5 定时及显示系统

交通灯控制系统有一个定时器，可以自动加载不同的计时时间来完成40和5秒定时任务。两个十进制计时器由两4029芯片可以预制计数器；由两个74LS48和两个LED数码管定时状态计数译码显示；计数器预置时间常数通过三块8双向三态74LS245实现。三片74LS245输入数据连接40和5两个数字分别。任何输入数据到减法计数器的输入是通过状态译码器的输出信号控制不同74LS245的门控信号。例如，当状态控制器在S1（q2q1 = 01）或在S3（q2q1 = 11），减法计数器开始计数，在所需的初始值为5，所以通过S1和S2形成控制信号Q1是用来控制与数字5输入数据74LS245信号。因为74LS245门控信号要求低水平是有效的，Q1是第一阶段反向器后连接到相应的74LS245的门控信号。同样，门控信号输入数据40三门74LS245是由主路绿色信号控制和辅助控制器的主要道路。所设计的定时系统电路图见下图3.5所示

图3.5交通灯定时及显示电路

译码显示电路由两片74LS248芯片（译码）、两片CD4029芯片（减计数）、三片74LS245芯片（预置数）和两个LED（共阴极，显示时间）组成。同时，在本系统中，应用短导线将控制板的信号引至显示板上。74LS48驱动能力有限，故实际用8个74LS48 驱动东西南北四个方向共8个LED数码管。74LS245只能为提供初始数用，它由三态门电路封装而成，当控制端为低电位时，初始化数值为事先设置好的数值。

3.2.6 秒信号产生器

秒信号产生器的电路是利用555定时器组成的秒信号发生器。NE555芯片有单稳态电路功能，可发生方波信号，可适当的选择电阻、电容，使其输出信号的周期为1秒。

图3.6秒信号发生器

本电路输出脉冲的周期为 ：

T=0.7*(R1+2*R2)*C，

若T=1s，令 C=10μF,R1=39kΩ，则R2=51k Ω。

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3.3交通信号灯控制总电路图

3.3.1交通信号灯控制总电路图

图3.7交通信号灯控制总电路图

3.3.2工作原理介绍

由集成555定时器连成多谐振荡器，通过电阻电容匹配产生秒脉冲。通过74LS74中的两个D触发器，对秒脉冲进行4分频，生成4s的脉冲。由于各信号灯的时间之比为5:1:6，用74LS164连成十二进制计数器，综合其使能端对各信号灯进行控制，各灯用发光二级管模拟。开关用来切换白天和夜间工作方式。

4.结论

对于这一次的收获，自己发现问题解决问题的能力有所提升。还有就是对自己细心程度的提升。

我从书本上学来的知识被应用到实践中，再一次增强了我的动手能力，提高了我的思维能力。尽管在设计过程中遇到了许多困难，但解决这些问题的过程无疑是提高自身专业素质的过程。当最后的调试成功时，也是对自己的一种肯定。这种设计不仅增强了专业设计的信息，激发了我自己的兴趣，也培养了我的兴趣。

通过这次毕业设计，我增强了动手、思考和解决问题的能力。电路原理和连接，以及芯片上的选择也有一点了解。如何巩固数字逻辑电路的理论知识，如何利用555芯片产生二次脉冲。更重要的是如何灵活地将逻辑电路应用到实际生活中。我认为毕业设计也是对课本知识的巩固和提高。有时当我读课本时，我有时不理解问题。毕业设计后解决了这些问题。你可以记住很多事情。比如说，有些芯片功能，通常是读课本，这次，下次我忘了，主要原因是因为没有练习！知识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以一个小小的毕业设计对我来说是如此重要。

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致 谢

在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师袁方强的热情关怀和悉心指导。在我撰写论文的过程中，老师倾注了大量的心血和汗水，无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面，还是在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了老师悉心细致的教诲和无私的帮助，特别是他广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。

在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还到许多在工作过程中许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。

感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的评委老师表示衷心地感谢！