1、十字路口的交通燈控制電路設計摘要 本論文主要闡述了交通信號燈的出現， 使交通得以有效管制， 對 于疏導交通流量、提高道路通行能力，減少交通事故有明顯效果。隨 著中國加入 WTO ，我們不但要在經濟、文化、科技等各方面與國際 接軌，在交通控制方面也應與國際接軌。俗話說“要想富，先修路” ， 但路修好了如果在交通控制方面做不好道路還是無法保障暢通安全。 作為交通控制的重要組成部份的交通信號燈也應國際化。 隨著社會經 濟的發展，城市交通問題越來越引起人們的關注。人、車、路三者關 系的協調， 已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。 城市交通 控制系統是用于城市交通數據監測、 交通信號燈控制與交通疏

2、導的計 算機綜合管理系統， 它是現代城市交通監控指揮系統中最重要的組成 部分。隨著城市機動車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南 京等出現了交通超負荷運行的情況，因此，自 80 年代后期，這些城 市紛紛修建城市高速道路， 在高速道路建設完成的初期， 它們也曾有 效地改善了交通狀況。 然而， 隨著交通量的快速增長和缺乏對高速道 路的系統研究和控制， 高速道路沒有充分發揮出預期的作用。 而城市 高速道路在構造上的特點， 也決定了城市高速道路的交通狀況必然受 高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。 所以，如何采用合適的 控制方法， 最大限度利用好耗費巨資修建的城市高速道路， 緩解主干 道與匝道

3、、 城區同周邊地區的交通擁堵狀況， 越來越成為交通運輸管理和城市規劃部門亟待解決的主要問題。 以下就交通燈控制系統的電 路原理、設計和實驗調試等問題來進行具體分析討論關鍵詞：交通燈 自動控制 定時準確 報警 高速目錄一、對交通信號燈的控制31 .1題目要求3二、交通燈的組成42 .1交通燈控制系統的原理框圖 42 .2交通燈運行狀態52. 2 . 1 一般十字路口的交通燈控制系統的工作過程 - - 5三、單元電路的設計83 .1秒脈沖發生器83. 2定時器93 .3控制器113 .4譯碼器133. 5交通信號燈153 .6整個交通燈控制系統的布局 15四、PCB的制作1 54. 1原理圖的繪制

4、164. 2 PCB 的排線16五、焊接技術165.1導線的焊接165. 1 . 1 焊接操作姿勢與衛生175. 1 . 2 焊接的基本操作175. 2 印制電路板的焊接205. 3 焊后處理21六、仿真過程與效果分析216. 1 電路試調2 16. 1 . 1 調試前的檢查226. 2 調試中注意的事項236 . 3通電后的測試246 . 4操作說明25七、元器件清單26八、結束語26九、謝 詞28十、 參考文獻28一、對交通信號燈的控制1 . 1 題目要求1. 信號燈收一個啟動開關控制，當啟動開關接通時，信號系統開始工作，且先南北紅燈亮，東西綠燈亮。 當啟動開關斷開時，所有 信號燈都熄滅。

5、2. 南北綠燈和東西綠燈不能同時亮，如果同時亮時應該關閉信號燈系統，并報警。3. 南北紅燈亮維持 2 5s ，在南北紅燈亮的同時東西綠燈也亮并維持 20s ，到 20s 時東西綠燈閃爍，閃爍 3s 后熄滅。在東西綠燈熄 時，東西黃燈亮，并維持2s，到2s時，東西黃燈滅，東西紅燈 亮，同時南北紅燈熄滅，南北綠燈亮。4東西紅燈亮維持30s，南北綠燈維持25s，然后閃爍3s熄滅，同 時南北黃燈亮， 維持 2s 后熄滅。 這時南北紅燈亮， 東西綠燈亮。5. 周而復始二、交通燈的組成2.1交通燈控制系統的原理框圖如圖2、1所示。它主要由控制器、定時器、譯碼器和秒脈沖信 號發生器等部分組成。秒脈沖發生器是

6、該系統中定時器和控制器的標 準時鐘信號源，譯碼器輸出兩組信號燈的控制信號， 經驅動電路后驅 動信號燈工作，控制器是系統的主要部分，由它控制定時器和譯碼器 的工作。圖中：TL:表示甲車道或乙車道綠燈亮的時間間隔為 25秒，即車輛正 常通行的時間間隔。定時時間到，TL=1，否則，TL=0。TY：表示黃燈亮的時間間隔為5秒。定時時間到，TY=1，否則,TY=O。ST：表示定時器到了規定的時間后，由控制器發出狀態轉換信號。 由它控制定時器開始下個工作狀態的定時。圖2、1交通燈控制系統的原理框圖2 . 2交通燈運行狀態兩方向車道的交通燈的運行狀態共有 4種（因人行道的交通燈和車道的交通燈是同步的，所以不

7、考慮），如圖2、2所示 oo eoo狀態1* 支干道J 黃燈亮屛OO#OOOooe狀態2*主干道A緑燈亮OOO OO00OOO主干道黃燈亮” OO圖2、2兩方向車道的交通燈的運行狀態2. 2 . 1 一般十字路口的交通燈控制系統的工作過程（1）如圖2、2狀態0所示，甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。 表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規定的時 間隔TL時，控制器發出狀態信號ST,轉到下一工作狀態。（2）如圖2、2狀態1所示，甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規定時間間隔TY時，控制器發出狀態轉換信號S

8、T,轉到下一工作狀態。（3）如圖2、2狀態2所示，甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行綠燈亮足規定的時間 間隔TL時，控制器發出狀態轉換信號 ST，轉到下一工作狀態。（4）如圖2、2狀態3所示，甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上未過停車線的車輛停止通行， 已過停 車線的車輛繼續通行。黃燈亮足規定的時間間隔 TY時，控制器發出 狀態轉換信號ST，系統又轉換到工作狀態1。交通燈以上4種工作狀態的轉換由控制器進行控制。設控制器的四種狀態編碼為00、01、11、10，并分別用SO、S1、S3、S2表示,則控制器的工作狀態及功能如下表2.2.1所示

9、控制器狀態信號燈狀態車道運行狀態S0 （00）甲綠，乙紅甲車道通行，乙車道禁止通S1（01）甲黃，乙紅行S2（11）甲紅，乙綠甲車道緩行，乙車道禁止通S3 （10）甲紅，乙黃行甲車道禁止通行，乙車道通行甲車禁止道通行，乙車道緩行表 2.2.1 控制器工作狀態及其功能控制器應送出甲、 乙車道紅、 黃、綠燈的控制信號。 為簡便起見， 把燈的代號和燈的驅動信號合二為一，并作如下規定：AG=1 ：甲車道綠燈亮；BG=1 ：乙車道綠燈亮；AY=1 ：甲車道黃燈亮；BY=1 ：乙車道黃燈亮；AR=1 ：甲車道紅燈亮；BR=1 ：乙車道紅燈亮；由此得到交通燈的 ASM 圖，如圖 2、 3 所示。設控制器的初

10、始狀態為S0（用狀態框表示SO）,當SO的持續時間小于25秒時，TL=O （用判斷框表示 TL ） ，控制器保持 S0 不變。只有當 S0 的持續時間等 于25秒時，TL=1，控制器發出狀態轉換信號 ST （用條件輸出框表 示ST）,并轉換到下一個工作狀態。依此類推可以弄懂 ASM圖所表 達的含義。三、單元電路的設計3 .1秒脈沖發生器脈沖信號發生器用的是 555定時器構成多諧震蕩器，震蕩頻率為：f=1.43/(R1+2R2)C電路圖如圖3、1所示：圖3、1秒脈沖產生器3 . 2定時器定時器由與系統秒脈沖（由上面時鐘脈沖產生器提供）同步的計 數器構成，要求計數器在狀態信號 ST作用下，首先清零

11、，然后在時 鐘脈沖上升沿作用下，計數器從零開始進行增1計數，向控制器提供 模5的定時信號TY和模25的定時信號TL。計數器選用集成電路74LS163進行設計較簡便。74LS163是4 位二進制同步計數器，它具有同步清零、同步置數的功能。74LS163 的外引線排列圖和時序波形圖如圖 3、2和圖3、3所示，其功能表 如表3、1所示。圖中， 是低電平有效的同步清零輸入端， 是低電平有效才同步并行置數控制端，CTp、CTT是計 圖12、2交通燈的ASM圖數控制端，CO是進位輸出端，DOD3是并行數據輸入端， Q0Q 3是數據輸出端。由兩片74LS163級聯組成的定時器電路如 圖3、4所示。eq口，t

12、TT Lf115丄3丄丄ua971LS16334& r $CU CPCT 05圖3、274LS163的外引線排列圖I_J圖3、374LS163時序波形圖輸A輔出LDCTjCP-rCPDi66QoQiQa0XXXtXXKX00cQ10XX1血血曲由dbdida111tXXXX10XIXXXX1XQXXXXX保持表3、174LS163功能表圖3、4定時器電路圖3 . 3控制器控制器是交通管理的核心，它應該能夠按照交通管理規則控制信 號燈工作狀態的轉換。從 ASM圖可以列出控制器的狀態轉換表，如 表3、2所示。選用兩個D觸發器FF1、FFO做為時序寄存器產生 4 種狀態，控制器狀態轉換的條件為TL和

13、TY，當控制器處于Q1n+1Q0n+1= 00狀態時，如果TL = 0,則控制器保持在 00狀態；如果，則控制器轉換到 Q1 n+1Q0 n+1= 01狀態。這兩種情況與條件TY無關，所以用無關項X表示。其余情況依次類推，同時表中還列出了狀態轉換信號 ST。表3、2控制器狀態轉換表輸A輸出現伏態轉換條件次蕊狀態轉換荷號Q廣71 Tvq嚴1 Q嚴1St00a其.000Q0101101置0010011111110萇11011110110霽01000100根據表3、2可以推出狀態方程和轉換信號方程，其方法是：將Q1 n+1、QOn+1和ST為1的項所對應的輸人或狀態轉換條件變量 相與，其中1用原變量

14、表示，0用反變量表示，然后將各與項相或， 即可得到下面的方程：Qr1= Q；Q 忑+Q；Q +事 石n TL n.滬或為十Q：需耳十Q；Q抵十QP加根據以上方程，選用數據選擇器74LS153來實現每個D觸發器 的輸入函數，將觸發器的現態值（Q1n、QOn ）加到74LS153的數 據選擇輸入端作為控制信號.即可實現控制器的功能。控制器的邏輯 圖如圖3、5所示。圖中R、C構成上電復位電路。CFOMUX2DDQC_Rd SdQi1IZ3 ST Ai Ac_1Clo Ty T?1-3 SI As1ft Ai Ao 舄si ZTFFOI卜II4Vc crIIo-St 717 -3 gTJ_ TLS15

15、3圖3、5控制器邏輯圖3 . 4譯碼器譯碼器的主要任務是將控制器的輸出 Q1、Q0的4種工作狀 態，翻譯成甲、乙車道上6個信號燈的工作狀態。控制器的狀態編碼 與信號燈控制信號之間的關系如表 3、3所示。表3、3控制器狀態編碼與信號燈關系表狀態AGARAYBGBYBR10000001010010010010101000011110由秒脈沖發生器產生了周期性變化的CP脈沖，一部分送給了定時器的74LS163芯片，另一部分送給了控制器的 74LS74芯片。在 脈沖ST同時加到定時器74LS163芯片的情況下，通過芯片74LS00 將會輸出TY、T/Y/ ； TL、T/L/、即TY和T/Y/放大的結果

16、是秒脈沖 的5倍；TL和T/L/放大的結果是秒脈沖的25倍。前者輸出的信號 是后者的1/5。將定時器輸出的TY、T/Y/ ； TL、T/L/分別作用于控 制器的芯片74LS153中，在CP脈沖置于芯片74LS74中會輸出高 低變化的電平。控制器中的信號在送給由芯片74LS00組成的譯碼器 后再通過電路中的指示燈和 200歐的電阻從而得到交通燈的邏輯電 路，這種電路的結果最終通過小燈的正常閃爍來實現。DI圖3、6譯碼器部分的邏輯圖3 . 5交通信號燈六個發光二極管（注意二極管的極性）3 . 6整個交通燈控制系統的布局見附件四、 PCB的制作4 . 1原理圖的繪制把副表的原理圖在Protel200

17、4中繪制出來4 . 2 PCB的排線五、焊接技術5.1導線的焊接導線焊接在電子產品裝配中占有重要位置。 實踐中發現，出現故 障的電子產品中，導線焊點的失效率高于印制電路板， 有必要對導線 的焊接工藝給予特別的重視。5 11 焊接操作姿勢與衛生焊劑揮發出的化學物質對人體有害的， 如果操作時鼻子距烙鐵頭 太近，則很容易將有害氣體吸入。 一般烙頭距鼻子至少不少于 30cm ， 通常 400cm 以上為宜。電烙鐵拿法有幾種，一般在操作臺上焊接電路板時多采用握筆 法。使用烙鐵要配置烙鐵架，電烙鐵使用之后要穩妥放于烙鐵架上， 注意導線等物不要碰觸烙鐵頭。由于焊錫絲成分中， 鉛占一定比例， 眾所周知鉛是對人

18、體有害的 重金屬，因此操作時應戴手套或操作后洗手，避免將其食入。 5 12 焊接的基本操作(1) 焊件表面處理手工烙鐵焊接中遇到的焊件是各種各樣的電子元件和導線， 除非 在規模生產條件下使用“保鮮期”內的電子元件，一般情況下遇到的 焊件往往都需要進行表面清理工作，去除焊接面上的銹跡、油污、灰 塵等影響焊接質量的雜質。 手工操作常用機械刮磨和酒精、 丙酮擦洗 等簡單易行的方法。(2) 預焊 預焊就是將要錫焊的元器件引線或導線的焊接部位預先用焊錫 潤濕，一般也稱為鍍錫，上錫，搪錫等。稱此過程為“預焊”是準確 的，因為其過程和機理都是錫焊的全過程一一焊料潤濕焊件表面，靠 金屬的擴散形成結合層后而使焊

19、件表面“鍍”上一層焊錫。其實預焊并不是錫焊必不可少的步驟，但在手工焊接特別是維修，調試，研制工作中預焊可以提高產品的質量和可靠性。如圖13所示：（3）不要用過量的焊劑適量的焊劑是必不可少的，但絕不是越多越好。過量的松香不僅 造成焊后焊點周圍難以清潔，而且延長了焊接時間（松圖13 元件的引腳與預焊 香溶化、揮發會帶走熱量），降低工作效率；而當加熱 時間不足時又容易夾雜到焊錫中形成“夾渣”缺陷；對開關元件的焊 接，過量的焊劑容易流到觸點處，造成接觸不良。合適的焊劑量應該是僅能浸濕將要形成的焊點。 對使 用松香芯的焊錫絲來說，基本不需要再涂焊劑。（4）持烙鐵頭的清潔因為焊接時烙鐵長期處于高溫狀態，又

20、接觸焊劑等受熱分解的物 質，其表面很容易氧化而形成一層黑色雜質， 這些雜志幾乎形成隔熱 層，使烙鐵頭失去加熱作用。因此要隨時在烙鐵架上蹭去雜志。用一 塊濕布或濕海綿隨時擦烙鐵頭，也是常用的方法。（5）熱要靠焊錫橋非流水線作業中，一次焊接的焊點是多種多樣的，我們不可能不 斷換烙鐵頭。要提高烙鐵頭加熱的效率，需要形成熱量傳遞的焊錫橋。 所謂焊錫橋，就是靠烙鐵上保留少量焊錫作為加熱時烙鐵頭與焊件之 間傳熱的橋梁。顯然由于金屬液的導熱效率遠高于空氣，而使焊件很 快被加熱到焊接溫度（如圖14 ）。應注意作為焊錫橋的錫保留不可過 多。I初無4VH3耕件AL &圖14焊錫橋作用（6）焊錫量要合適過量的焊錫不

21、但毫無必要地消耗了較貴的焊錫，而且增加了焊接 時間，相應降低了工作速度。更為嚴重的是在高密度的電路中，過量 的錫很容易造成不易覺察的短路。但是焊錫過少不能形成牢固的結 合，降低焊點強度，特別是在電路板上焊導線時，焊錫不足往往造成 導線脫落，如圖15所示。圖15焊點的狀態（7）元件要固定在焊錫凝固之前不要使焊件移動或震動，特別是用鑷子夾住焊件 時一定要等焊錫凝固再移去鑷子。這是因為焊錫凝固過程是結晶過 程。根據結晶原理，在結晶期間受到外力(焊件移動)會改變結晶條 件，導致晶體粗大，造成所謂“冷焊”。外觀現象是表面無光澤呈豆 渣狀；焊點內部結構疏松，容易有氣隙和裂縫，造成焊點強度過低， 導電性能差

22、。因此在焊錫凝固前一定要保持焊件靜止。實際操作時可 以用各種合適的方法將焊件固定，或使用可靠的夾持措施。5 . 2印制電路板的焊接焊接印制板，除遵循錫焊要領外，以下幾點須特別注意：(1)電烙鐵，一般應選內熱式 2035W或調溫式，烙鐵的溫 度不超過300 C的為宜。烙鐵頭形狀應分局印制板焊盤大小采用鑿形 或錐形，目前印制板發展趨勢是小型密集化， 因此一般常用小型圓錐 烙鐵頭。焊接的焊接角度（ 2） 加熱方法， 加熱時應盡量使烙鐵頭同時接觸印制板上銅箔 和元器件引線（圖七） 。對較大的焊盤（直徑大于 5mm ）焊接時可 移動烙鐵，即烙鐵繞焊盤轉動，以免長時間停留一點導致局部過熱， 如圖八所示。（

23、 3） 金屬化孔的焊接， 兩層以上電路板的孔都要進行金屬化處 理。焊接時不僅要讓焊料潤濕焊盤，而且孔內也要潤濕填充。因此金 屬化孔加熱時間應長于單面板。（ 4） 焊接時不要用烙鐵頭摩擦焊盤的方法增強焊料潤濕性能， 而要靠表面清理和預焊。（ 5）耐熱性差的元器件應使用工具輔助散熱（圖十八） 。5 3 焊后處理（1）剪去多余引線，注意不要對焊點施加剪切力以外的其他力。（ 2） 檢查印制板上所有元器件引線焊點 ，修補缺陷。（ 3） 根據工藝要求選擇清洗液清洗印制板。 一般情況下使用松 香焊劑后印制板不用清洗。六、 仿真過程與效果分析6 1 電路試調 電路連接完后，要進行調試，以檢測是否達到要求。實踐

24、表明， 一個電子裝置，即使按照設計的電路參數進行安裝往往也難于達到預期效果。這是因為人們在設計時， 不可能周全地考慮各種復雜的客觀 問題，必須通過安裝后的測試和調整， 來發現和糾正設計方案的不足。 然后采取措施加以改進， 使裝置達到預定的技術指標。 因此調整電子 電路的技能對從事電子技術及有關領域工作的人員來說， 是不應缺少 的。調試的常用儀器有：萬用表、示波器、信號發生器。6 11 調試前的檢查電子安裝完畢， 通常不宜急于通電，要形成這種習慣，先要仔細 檢查。其檢查內容包括：（ 1） 連線是否正確檢查的方法通常有兩種方法：a.按照電路圖檢查安裝的線路 這種方法的特點是根據電路圖連線，按一定順

25、序安裝好的線路， 這樣比較容易查出哪里有錯誤。 按照實際線路來對照原理圖電路進行 查線這是一種以元件為中心進行查線的方法。 把每個元件引腳的線一 次查清，檢查每個去處在電路圖上是否存在， 這種方法不但可以查出 錯線和少線，還容易查出多線。為了防止出錯， 對于已查過的線通常應在電路圖上做出標記， 最 好用指針式萬用表“歐姆 1”擋，或數字萬用表“歐姆擋”的蜂鳴器 來測量，可直接測量元、器件引腳，這樣可以同時發現接觸不良的地 方。b 元器件的安裝情況檢查元器件引腳之間有無短路和接觸不良，尤其是電源和地腳， 發光二極管“ + ”、“-”極不要接反。（2）調試方法與原則通電觀察把經過準確測量的電源接入

26、電路。 觀察有無異常現象， 包括有無 元件發熱，甚至冒煙有異味電源是否有短路現象等；如有此現象，應 立即斷電源，待排除故障后才能通電。一步對電路參數提出合理的修正。6 2 調試中注意的事項為了保證效果，必須減小測量誤差，提高測量精度。為此，需注 意以下幾點：（ 1） 正確使用測量儀器的接地端（2）測量電壓所用儀器的輸入端阻抗必須遠大于被測處的等效 阻抗。因為，若測量儀器輸入阻抗小，則在測量時會引起分流給測量 結果帶來很大的誤差。（ 3）儀器的帶寬必須大于被測電路的帶寬。 要正確選擇測量點。（ 4） 用同一臺測量儀進行測量進， 測量點不同， 儀器內阻引起 的誤差大小將不同。（ 5） 調試過程中，

27、不但要認真觀察和測量，還要于記錄。記錄 的內容包括實驗條件， 觀察的現象，測量的數據， 波形和相位關系等。 只有有了大量的可靠實驗記錄并與理論結果加以比較， 才能發現電路 設計上的問題，完善設計方案。（ 6） 調試時出現故障， 要認真查找故障原因， 切不可一遇故障 解決不了的問題就拆掉線路重新安裝。 因為重新安裝的線路仍可能存 在各種問題。我們應該認真檢查 .調試結果是否正確，很大程度受測 量正確與否和測量精度的影響。 對于本交通燈來說， 只要不出現異常 的現象，一般不需要調試， 直接進行測量。測試電路中線路是否接通 同上用萬用表的歐姆檔， 測試每一組的連通的線， 將兩表筆接到被測 的一組線的

28、起始線和末端線的兩端，看電阻是否為零，如果是零，則 證明是通的；如果是無窮大，則證明中間有線是短開的，則要一根一 根的檢查該組的沒一根線，直到查出為止。6 3 通電后的測試（1）測試電源用萬用表的直流電壓檔， 測試輸入電源的電壓， 看是否達到額定 電壓（本產品為 +5V ），如果不是，則換電源。（ 2）測試芯片的電源輸入端同上用萬用表的直流電壓檔， 測試芯片的接地端與接電源端的點 呀，看是否達到芯片的額定電壓（本產品所用的芯片都是 +5V ），如 果不是，則檢查其線路是否接錯。1、根據題目的要求，整個交通燈控制系統需要有個時間顯示器， 6個交通信號燈。但由于芯片沒有，只有用實驗室的示波器來看秒脈沖 時間。2、打開總開關，便可以進行交通燈控制系統的仿真，電路默認 把通車時間設為25秒，打開總開關，東西方向車道的綠燈亮；南北 方向車道的紅燈亮，示波器，顯示時間為 25秒，然后黃燈以每一秒 的速度閃亮，東西方向車道的綠燈轉換為黃燈，而且黃燈每秒閃一次， 其余燈都不變。再過4秒后，電路又轉換成預置的25秒，東西方向 車道的黃燈轉換為紅燈，人行道的紅燈轉換為綠燈；南北方向車道的 紅燈轉換為綠燈，人行道的綠燈轉換為紅燈。如此循環下去。具體時 間見下圖：南北東西時間（S）綠燈黃燈紅燈綠燈黃燈紅燈100000250100014001100001