交通信号灯PLC控制系统设计毕业设计(论文)格式.docx

1、目录摘要 I 1 绪论11. 1 前言11. 2 目的11. 3 任务和要求 12 整体结构设计22. 1 整体控制设计 22. 2 工作原理分析32. 3 系统的总体逻辑设计43 整体电路设计104 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

2、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）74LS 192、七段显示译 码器 74LS 48、带小数点（DP）的七段数码管、数据分配器 74LS 138。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，

3、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

4、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、 Q0 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

5、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

6、。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，

7、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。TY=1, ST=1S 0S 3TH=1, ST=1TL=1, ST=1S 1TY=1, ST=1S 2图 2 . 2 状 态 转 换 图2. 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

8、 辑 图（1）控制器的初始状态为 S 0( 用状态框表示 S 0) ，当 S 0 的持续时间小于 25 秒时， TL=0( 用判断框表示 TL) ，控制器保持 S 0 不变。只有当 S 0 的持续时间等于 25 秒时， TL=1，控制器发出状态转换信号 ST( 用条件输出框表示 ST) ，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

9、 做为时序寄存器产生 4n n种状态，控制器状态转换的条件为 TL 和 TY，当控制器处于 Q1 Q0 =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+10=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nQ1nQ0TLTYn+1Q1n+1Q0STO0OOOO0OlO11010O1OOl1lll1l01101l1l011O01001Ol00l根据表 2- 2，可以推出状态方程和转换

10、信号方程，即将 Q1n+1、Q0n+1和 ST 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nn发器的现态值( Q1 、Q0 ) 加到 74LS 153 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AGAYARBGBYBR001O00O10lOlOO0111OOllO010OOl0lO（3）译码器的主要任务是将

11、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 TL 。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

12、 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，D0D3 是并行数据 输入端，Q0Q3 是数据输出端。图 2 . 574 LSl 63 的 外 引 线 排 列 图表 2 - 474 I Sl 63 功 能 表输入输出C RLDCTpCTTCPD0D1D2D3Q0Q1Q2Q30O0OO1Od0d1d2d30d1d2d31111计数110保持1lO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）74LS 192、一个非门和一或门构成。其组成如图

13、2.7 所示，其中 74LS 192 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 10，这是高位的 CPD 端由 01。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 00

14、00 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 518V； 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。R1、R2 和 C 为定时电阻和电容，C1 为电压控制 端稳定电容。在信号的输出端产生矩形脉冲

15、，其振荡频率为 f=1.44/( R1+2R2)C 。图 2 .8 定 时 器 NE555（7）时间显示器由两片七段显示译码器 74LS 48 和两片半导体数码管构成。其组成 如图 2.9 左侧所示，74LS 48 的外引线排列如图 2.10 右侧所示。A3A2A1A0 组成 8421BCA 码为输入端，YaY g 为输出端。LT、RBI、BI/RB O 为使能控制端，都 是低有效。LT 为灯测试输入端，RBI 为灭零输入端，BI/RB O 为灭灯输入/灭零输出 端。此半导体数码管为带小数点（DP）的七段数码管，分为共阴和共阳型。共阴型数 码管的 COM 端接低电平，共阳型的则接高电平。图 2

16、 .9 液 晶 显 示 图3 整体电路设计交通灯控制器整体电路如图 3. 1 所示。A0A1 A2STB STC ST12316 Ucc1514Y045 74LS13813Y1Y2&A6Y77GN81211109DY3Y4 Y5Y6Y0 Y1Y2 Y3Y4 Y5 Y6Y774LS138A2 A1 A0STASTB STC1Q1Q0QQ1 J&NE555d e com f g ad e com f g af gd e com fgbf gd e com fgbedccDpe dDpa b com c Dpa b com c DpYa Yb Yc Yd Ye Yf YgYa Yb Yc Yd Ye

17、 Yf Yg定时器74LS48(十位)74LS48(个位)A3 A2 A1 A0 LTRBIBI/RBDA3 A2 A1 A0 LTRBIBI/RBD(a)图3-1=&Ucc=+5v=18 47CPQ2UQ3Q1Q0-COCPU Q3Q1Q-2Q3CP-CO0-U0D74LS192BOCPD74LS192BO-.CR-LDCRLDD31 0D2D DD3D2D1D061 121 5c110.01uF1CP1 J C 111 LC 111 L图5-1&图4-1R4800K 1R4800 K20.1uF C图2- 1图 3 .1 整 体 电 路 图4 仿真运行图按照要求设计电路图后，仿真运行如图

18、4. 1 所示。运用 proteus 软件对整体电路图进行仿真，在软件中打开设计好的仿真电路, 点击 开启运行, 刚开始是主干道绿灯亮, 支干道方向红灯亮，且主干道绿灯亮 45S，之后，黄 灯亮 5S，在支干道绿灯亮 25S，再黄灯亮 5S，再主干道绿灯亮，以此循环。在运行过 程中，整体电路能正常运行，各部分电路均能正常工作。结束语本 设 计 在 老 师 的 悉 心 指 导 和 严 格 要 求 下 业 已 完 成 ， 从 课 题 选 择 、 方 案 论 证 到 具 体 设 计 和 调 试 ， 无 不 凝 聚 着 老 师 的 心 血 和 汗 水 ， 在 课 题 设 计 期 间 ， 也 始 终 感

19、 受 着 导 师 的 精 心 指 导 和 无 私 的 关 怀 ， 我 受 益 匪 浅 。 在 此 向 老 师 表 示 深 深 的 感 谢 和 崇 高 的 敬 意 。 不 积 跬 步 何 以 至 千 里 ， 本 设 计 能 够 顺 利 的 完 成 ， 也 归 功 于 各 位 任 课 老 师 的 认 真 负 责 ， 使 我 能 够 很 好 的 掌 握 和 运 用 专 业 知 识 ， 并 在 设 计 中 得 以 体 现 。 正 是有了 他们 的 悉心 帮 助和 支 持， 才 使我 的 课题 设 计工 作 顺利 完 成在设计过程中，通过针对性地查找资料，了解有关电子方面的资料，既增长了自己 的知识面，

20、补充最新的专业知识，又提高了自己的应用能力。以前学过的理论知识起到 了很好的回顾作用。通过交通灯控制系统的设计，让我很好的运用了数电、模电方面的 知识，对其加以进一步的消化和巩固，虽然本次课程设计是要求自己独立完成，但是，彼此还是脱离不了集体的力量，遇 到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。我们在做课程设计的过程中要不停的讨论 问题，这样，我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向， 并且这样也是为了方便最后设计和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的 讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己 设计的方法，在设计的过程中最好要不

21、停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自 己解决问题参考文献： 1 张 克 农主 编 . 数 字 电 子 技 术 . 高 教 出 版 社 出 版 . 第 一 版 . 2006 2 彭 介 华主 编 . 电 子 技 术 课 程 设 计 指 导 . 高 教 出 版 社 出 版 . 第 一 版 . 2002 年 3 曾 建 唐主 编 . 电 工 电 子 基 础 实 践 教 程 . 机 械 工 业 出 版 社 . 2002 年 4 康 光 华主 编 . 电 子 技 术 基 础 . 高 教 出 版 社 出 版 . 第 四 版 . 1999 年 5 胡 晏 如主 编 . 模 拟 电 子 技 术 基 础 高 等 教 育 出 版 社 . 第 一 版 . 2004 年 6 陈 晰主 编 . 数 字 电 路 试 验 技 术 基 础 . 北 京 ： 电 子 工 业 出 版 社 ， 1999 7 李 元主 编 . 数 字 电 路 与 逻 辑 设 计 . 南 京 ： 南 京 大 学 出 版 社 ， 1997 8 郝 波主 编 . 数 字 电 子 技 术 . 西 安 ： 西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社 ， 2004 9 郭 斌主 编 . 数 字 逻 辑 电 路 . 北 京 ： 电 子 科 技 大 学 出 版 社 ， 1995