摘要
本系统由AT89C5I单片机.键盘.LED显示.交通灯演示系统组成。系统包括人行道.左转.右转.以及基本的交通信号灯的功能，系统除基本的交通信号灯功能外，还具有倒计时.时间设置.紧急情况处理.分时段调整信号灯的点亮时间以及根据手动控制等功能。随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人.车路三者之间关系的协调，已成为交通管理.部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测交通信号灯控制与交通疏导的计算综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
关键词交通信号灯：单片机：控制器
I
目录2.1.1 设计任务
2.1.2 基本要求
2.2方案前言
1.1.2课题意义
1.2 发展史
2总体方案
2.1系统任务
选取
2.2.1设计的基础依据
2.2.2 方案比较
2.2.3 方案确定
2.3 系统可行性
3系统设计
3.1系统结构框图
3.2系统工作原理
3.3系统各功能模块
3.3.1状态控制器
3.3.2状态译码器
3.3.3定时及显示系统
3.3.4秒信号产生器
3.4系统电路原理图
4系统电路板装配与焊接
I
4.1引言
4.2装配电路板
4.2.1双列直插式集成电路的安装4.2.2元器件的装插
4.3焊接
4.3.2有机注塑元件的手工焊接4.3.1焊锡必须具备的条件
4.3.3其它元件的焊接
5 系统性能调试
6 系统常见故障分析
7使用说明
7.1概述
7.2器件检查
7.3 注意事项
7.4基本功能
7.5操作说明
8系统设计展望
9毕业设计总结
致谢
结束语
参考文献
随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻常老百姓的家庭，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许多大城市如北京、上海、南京等均出现了道具体情况路交通超负荷运行的情况。因此，自80年代后期以来，很多城市纷纷扩建城市道路，在道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制，扩建道路并没有充分发挥出预期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受这种路况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。在这种情况下，道路交通信号灯开始发挥了越来越重要的作用，并已成为交管部门管理交通的重要工具之一。
选取 (2)
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。 (6)
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。 (6)
1.2发展史 (6)
早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。第一次对交叉路口交通的控制尝试起源于1868年英国伦敦，当时由警察手工轮流变换指挥用的旗帜，当时的控制指令可以称之为旗语。这种控制方式在1908年传到美国纽约，并且很快在全国传播开来。城市电气化的发展导致了1914年在俄亥俄州的克利夫兰市出现了第一台电力驱动的交通信号灯。1919年，纽约市开始把手动指挥的旗子换成了电机控制的信号灯。在1923年，Garrett Morgan申请专利Morgan交通信号灯，后来卖给了通用电气公司。到1932年，在布鲁克林市Parkside大街上的最后一个手动控制的旗子也被电机控制信号灯取代。从1920年到1970年近50年的时间里，电机驱动的信号灯占据了交通信号控制系统的主要市场。周期长度是通过安装合适的齿轮来进行保证的，通过在一个计时转盘上插入销子来把周期分成不同的时间间隔。为了适应交通变化的需要，这种划分时间的方式被称为“三个时段”划分法。同时为了保证相邻的交叉口能够在一个交通信号系统中以预计的信号周期、绿信比和相位差下工作，一种“七条线缆”连接的方式发展起来，以使相邻的电机驱动的信号灯能够在一种系统控制的方式下工作，即使现在我们步入了新千年，在一些城市的某些地方仍然使用这种基于三个时段划分周期的信号控制器和七条线缆连接的系统。甚至，大部分在电机驱动的系统中发展起来的术语到现在仍然在现代的微处理控制器中使用。在20世纪60年代早期，计算机被引进到交通信号控制系统中。在1963年，第一个计算机控制的交通信号控制系统在加拿大的多伦多市安装，到20世纪70年代，微处理器被普遍使用，相应的硬件和软件也开始起步。现在，交通控制更是趋向智能化方向发展，相信我们将来的交通一定是畅通而便捷的。 (6)
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： (7)
2.2方案选取 (7)
本课题是设计一个交通信号灯控制电路，通过本设计了解掌握交通信号灯控制电路的工作原理，进而研究电子产品设计的技术方法。
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。
1.2发展史
早在1850年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。第一次对交叉路口交通的控制尝试起源于1868年英国伦敦，当时由警察手工轮流变换指挥用的旗帜，当时的控制指令可以称之为旗语。这种控制方式在1908年传到美国纽约，并且很快在全国传播开来。城市电气化的发展导致了1914年在俄亥俄州的克利夫兰市出现了第一台电力驱动的交通信号灯。1919年，纽约市开始把手动指挥的旗子换成了电机控制的信号灯。在1923年，Garrett Morgan申请专利Morgan交通信号灯，后来卖给了通用电气公司。到1932年，在布鲁克林市Parkside大街上的最后一个手动控制的旗子也被电机控制信号灯取代。从1920年到1970年近50年的时间里，电机驱动的信号灯占据了交通信号控制系统的主要市场。周期长度是通过安装合适的齿轮来进行保证的，通过在一个计时转盘上插入销子来把周期分成不同的时间间隔。为了适应交通变化的需要，这种划分时间的方式被称为“三个时段”划分法。同时为了保证相邻的交叉口能够在一个交通信号系统中以预计的信号周期、绿信比和相位差下工作，一种“七条线缆”连接的方式发展起来，以使相邻的电机驱动的信号灯能够在一种系统控制的方式下工作，即使现在我们步入了新千年，在一些城市的某些地方仍然使用这种基于三个时段划分周期的信号控制器和七条线缆连接的系统。甚至，大部分在电机驱动的系统中发展起来的术语到现在仍然在现代的微
处理控制器中使用。在20世纪60年代早期，计算机被引进到交通信号控制系统中。在1963年，第一个计算机控制的交通信号控制系统在加拿大的多伦多市安装，到20世纪70年代，微处理器被普遍使用，相应的硬件和软件也开始起步。现在，交通控制更是趋向智能化方向发展，相信我们将来的交通一定是畅通而便捷的。
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
我国目前各大、中城市都更新替换了原始的交通信号灯，即不仅有灯的转换，而且增加了计时系统，为广大群众行驶提供了方便。
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
信号灯状态与车道运行状态如下：
S0：支干道车道的绿灯亮，车道通行；主干道车道的红灯亮，车道禁止通行 S1：支干道车道的黄灯亮，车道缓行；主干道车道的红灯亮，车道禁止通行 S2：支干道车道的红灯亮，车道禁止通行；主干道车道的绿灯亮，车道通行 S3：支干道车道的红灯亮，车道禁止通行；主干道车道的黄灯亮，车道通行 其状态编码及状态转换图如图 3-4 所示
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 3-3
图3-4 交通信号灯状态装换图
显然，这是一个二位二进制计数器。在这里，我们采用中规模集成计数器 CD4029 作为中心元件构成状态控制器。电路如下图所示：
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。
3.3.2状态译码器
主、支干道上的红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见如下真值表。信号灯的状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭。
根据真值表，可求出交通信号灯逻辑函数表达式为：
1
21212,122212121
21212,122,21212,,,Q Q g Q Q g Q Q y Q Q y Q r Q Q Q Q Q r Q Q G Q Q G Q Q Y Q Q Y Q R Q Q Q Q Q R ======+=======+=
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
在这里选择半导体发光二级管模拟交通灯，由于门电路的带灌电流能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出地电平时，点亮相应的发光二极管。
状态控制器输出 主干道信号灯 支干道信号灯
Q1 Q2 R （红） Y （黄） G （绿） r(红) y(黄) G(绿) 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0
1
状态译码电路组成如图
图3-5 交通灯状态译码电路
由译码器真值表中看出，黄灯亮时Q1必为高电平；而红灯点亮信号与 Q1无关。现利用 Q1信号来控制一个三态门电路 74LS245，当 Q1 为高电平时，将秒信号脉冲引入到驱动红灯的与非门的输入端，使红灯在黄灯亮其间闪烁；反之将其隔离。红灯信号不受黄灯信号的影响。
3.3.3定时及显示系统
交通灯控制系统要有一个能自动装入不同定时时间的定时器，以完成40秒和5秒的定时任务。该定时器由两片 CD4029 构成的二位十进制可预制减法计数器完成；定时状态由两片74LS48 和两只 LED 数码管对减法计数器进行译码显示；预置到减法计数器的时间常数通过三片8路双向三态门74LS245 来实现。三片 74LS245 的输入数据分别接入 40和5 两个不同的数字，任一输入数据到减法计数器的置入由状态译码器的输出信号来控制不同 74LS245 的选通信号来实现。例如：当状态控制器在 S1(Q2Q1=01)或在 S3(Q2Q1=11)
时，要求减法计数器按初值 5 开始记数，故采用 S1、S2 为逻辑变量而形成的控制信号 Q1 去控制输入数据接数字 5 的74LS245 的选通信号。由于 74LS245 选通信号要求低电平有效，故 Q1 经一级反向器后输出接相应的 74LS245 的选通信号。同理，输入数据 40 的三态门74LS245 的选通信号用主干道绿灯信号与辅助控制器的主干道有人控制信号的或输出来控制。所设计的定时系统电路图见下图 3-6所示
图3-6 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。
3.3.4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 3-7 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。
3.4系统电路原理图
4系统电路板装配与焊接
4.1引言
对系统进行原理设计之后，就应该根据设计原理画出系统的原理图、装配电路板并用电路板进行焊接，本设计用万用实验板进行焊接。
4.2装配电路板
电子产品的电气连接，是通过对元器件、零部件的装配与焊接来实现的。安装与连接是按照设计要求制造电子产品的主要操作环节。应该说，和电子工程技术的其它内容比较起来，安装与连接的技术并不复杂，因此往往不受重视。但是，产品的装配过程是否合理，焊接质量是否可靠。对整机性能的影响是很大的，也许你听说过，一些精密复杂的仪器因为一个焊点的虚焊，一个螺钉的松动而不能正常工作，甚至由于搬运，振动使某个部件脱落造成整机报废，所以，掌握正确的安装工艺与连接技术，对于电子产品的设计与研制、使用和维修都具有重要的意义。
4.2.1双列直插式集成电路的安装
根据集成电路不同的封装方式。安装也有不同的方法和要求。在集成电路中。以塑料双列直插式（DIP）和塑料功率电路（TO-220）两种应用较为常见。DIP器件一般采用专用插座进行安装，装配和焊接的规范程度，主要取决于印制板设计，制造的精度，因此比较容易掌握。当然，这种集成电路也能直接插焊在印刷电路板上，直接插焊法虽然牺牲了可更换性，但却增加了可靠性并降低了成本，采用插座虽然方便。但要花费购买插座的钱，并且接触的可靠性较差。
4.2.2元器件的装插
元件在印刷电路板的固定，可分为卧式和立式两种。为使元件在印刷电路板上装配排