交通灯实验报告

武汉工程大学 计算机科学与工程学院

课程设计报告

设计名称： 《数字逻辑》课程设计 设计题目： 交通灯 学生学号：

专业班级： 2014物联网工程01 学生姓名： 学生成绩： 指导教师（职称）：

完成时间： 2015-12-25

武汉工程大学计算机科学与工程学院 制

说明：

1、报告中的第一、二、三项由课程设计负责人在课程设计开始前填写并发给每个学生；四、五两项（中英文摘要）由学生在完成课程设计后填写。 2、学生成绩由指导教师根据学生的设计情况给出各项分值及总评成绩。 3、指导教师评语一栏由指导教师就学生在整个课程设计期间的表现、设计完成情况、报告的质量等方面给出客观、全面的评价。

4、训练报告正文字数应不少于3000字，也可由指导教师根据本门课程设计的具体情况酌情增加字数或内容。

5、平时表现成绩低于6分的学生，其课程设计成绩按不及格处理。 6、此表格式为武汉工程大学计算机科学与工程学院提供的基本格式（适用于学院各项课程设计），各教研室可根据本项课程设计的特点及内容做适当的调整，并上报学院批准。

成绩评定表

学生姓名： 学号： 班级： 2014物联网工程01 类别 平时表现 设计完成情况 合计 各项分值 分值 10 10 评分标准 遵守学习纪律，表现良好，积极完成课程设计任务，无旷课、迟到、早退等情况。 按照要求完成设计内容，方案合理，功能完善，实际合计得分 得分 备注 20 设计工作量饱满，能运用专业知识和技能去发现40 20 与解决实际问题。 在设计过程中展现出了较强的学习能力、动手实践能力、团队协作能力和创新意识。 报告格式规范，表述清晰，章节内容组织恰当。 15 符号统一，图表完备，符合规范要求。参考文献数量在5篇以上，格式及引用符合要求。 报告内容翔实，结构严谨合理。课题背景介绍清 报告质量 50 15 楚，综述充分。设计与实现等主要过程完整，论述具体透彻。能运用所学专业知识对问题加以分析和求解。无抄袭现象。 设计报告对整个设计过程进行了全面总结，体现了收获，得出了有价值的结论或结果。 20 总评成绩 指导教师评语 指导教师： （签字） 日期： 年 月 日

一、课程设计目的、条件、任务和内容要求： 数字逻辑是计算机学科的一门基础课程，有着较强的逻辑性和实践性，因此开设了课程设计。 设计目的： 培养学生理论联系实际的设计思想，训练学生综合运用数字电路课程的理论知识的能力，掌握EDA等辅助工具，可以在运用辅助软件模拟成功的基础上，用硬件实物进行试验和调试，并撰写论文，对过程和结果进行分析、归纳。 设计条件： 计算机、EDA软件、数字逻辑试验箱、面包板、芯片、导线等 设计任务： 根据选题要求 1. 进行课题功能分析； 2. 根据功能选择所需芯片并设计电路； 3. 用EDA软件进行模拟； 4. 用试验箱等硬件进行实物实现并调试； 5. 撰写设计报告。 内容要求： 设计一个十字路口的交通灯定时控制系统，基本要求如下： （1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为30秒。 （2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。 （3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。 选做扩展功能： （4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数； （5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定

二、进度安排：  第15周 选题，分析课题功能，并用EDA实现软件模拟。  第16周 依据软件模拟电路搭建硬件电路，并调试。  第17周 撰写课程设计报告。

三、应收集资料及主要参考文献： 应收集的资料：  有关EDA设计软件的学习资料；  所选课题的背景及技术资料。  所选芯片的技术资料  其他所用资料。 参考文献：  康华光.电子技术基础 数字部分(第六版).北京:高等教育出版社,2006.  白中英.数字逻辑 (第五版).北京:科学出版社,2011.  王永军、李景华.数字逻辑与数字系统(第4版).北京：电子工业出版社，2012.  夏宇闻.Verilog数字系统设计教程(第2版).北京:北京航空航天大学出版社,2008.

四、摘要： 城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。目前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。所以经典控制法很难得到满意的效果。而模糊控制是一种无须建立数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究，但因研究的局限性，实际中得到应用的寥寥无几，本文实现基于PLC的交通信号的模糊控制系统。根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。 关键词：交通；智能控制；PLC

五、Abstract： The munipal transportation signal control is through the adjustment，the waning and the induction which flows to the transporation achieved improves the person and the cargo safe transportation, enhancig the operation efficiency. Transport system is a random nature, ambiguity and uncertainty of complex systems, the establishment of mathematical models very difficult and sometimes impossble to use existing mathematical methods described. the most adaptive signal control is used,it needs mathematical model,without considering traffic delays,And vague control is a mathematical model to control methods, it can imitate experienced police directingtraffic,ideas, achieve good control results. In recent years many of our scholars have different ideas of individual junction, traffic control Route vague studied, but the limitations of the theory and research scholars, the few practical applications, based on this achievement traffic signals vague PLC control system. According to determine signal distribution and flow of the control system vague theoretical resesrch results, the achievement of individual intersections with traffic lights blur PLC control methods for individual crossroads 4 phase of traffic lights, for example,the PLC as an ambiguous signal controllers using Ladder programming. through experiments that the reliable operation of the system to a vague under different traffic control decision-making, optimize signal distribution, which can effectively solve traffic imbalance,instability brought. Keywords：Transportation; Intelligent control; PLC

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目 录

摘 要 ……………………………………………………………………………………… II Abstract …………………………………………………………………………………... II 第一章 课题背景（或绪论、概述）…………………………………………………….. 1 1.1 背景及意义…………………………………………………………………………...1 1.2 关于本方案………………………………………………..…………………………… 1 第二章 设计简介及设计方案论述 ……………………………………………………….. 2 2.1设计原理…………………………………………………..………………………….…2 第三章 详细设计…………………………………………………………..……………….. 3 3.1 单元电路的设计…………………………………………..………………………….…3 第四章 设计结果及分析…………………………………………………..……………….. 4 4.1 运行结果 ………….…………………….………………………………..….……….4 4.2 分析………………………………………………………………………………4 总 结 …….……………………………………………………..………………………….…5 致 谢 …….……………………………………………………..………………………….…6 参考文献 …….………………..………………………………..………………………….…6

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摘 要

城市交通信号控制是通过对交通流量的调节以达到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。目前大多采用的是自适应信号控制，它需要数学建模，且不考虑交通延误、停车次数等。所以经典控制法很难得到满意的效果。而模糊控制是一种无须建立数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究，但因研究的局限性，实际中得到应用的寥寥无几，本文实现基于PLC的交通信号的模糊控制系统。根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统的理论研究成果，用PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个模糊控制器，采用梯形图编程。通过实验保证了系统运行稳定可靠，能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。 关键词：交通；智能控制；PLC

Abstract

The munipal transportation signal control is through the adjustment，the waning and the induction which flows to the transporation achieved improves the person and the cargo safe transportation, enhancig the operation efficiency. Transport system is a random nature, ambiguity and uncertainty of complex systems, the establishment of mathematical models very difficult and sometimes impossble to use existing mathematical methods described. the most adaptive signal control is used,it needs mathematical model,without

considering traffic delays,And vague control is a mathematical model to control methods, it can imitate experienced police directingtraffic,ideas, achieve good control results. In recent years many of our scholars have different ideas of

individual junction, traffic control Route vague studied, but the limitations of the theory and research scholars, the few practical applications, based on this achievement traffic signals vague PLC control system.

According to determine signal distribution and flow of the control system vague theoretical resesrch results, the achievement of individual intersections with traffic lights blur PLC control methods for individual crossroads 4 phase of traffic lights, for example,the PLC as an ambiguous signal controllers using

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Ladder programming. through experiments that the reliable operation of the system to a vague under different traffic control decision-making, optimize signal distribution, which can effectively solve traffic imbalance,instability brought.

Keywords：Transportation; Intelligent control; PLC 。

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第一章 课题背景（或绪论、概述）

1.1 背景及意义

在人类的生活、工作环境中，交通扮演着极其重要的角色，人们无时无刻不与交通 打交道。随着我国国民经济的迅速发展和人口的快速增加，人们对各种交通车辆的需求 更是越来越大，交通工具的迅猛发展以及道路资源的局限性，给城市交通带来巨大的压 力，交通拥堵问题已成为影响现代城市可持续发展的重要因素。要保证高效安全的交通 秩序，除了制定一系列的交通规则，还必须通过一定的技术手段加以实现。作为车辆通行瓶颈所在的十字路口，通过研究其车辆通行规律，找出提高其车辆通

行效率，对缓解交通拥堵，提高道路畅通率具有十分现实的意义。国内的在十字路口的 交通灯，一般用红、绿、黄三种颜色的指示灯和一个倒计时的显示计时器来控制行车。且绝大多数交通灯的时间都是设定好的。现在十字路口的交通灯存在着两车道的车辆轮流放行时间相同且固定，一般主干道车辆较多，放行时间长些；副干道车辆较少，放行时间短些的问题，甚至可能出现一条车道上排着很长的车队，而另一条车道上没有车辆的情况；再者没有考虑到当有紧急车辆（如119、120）通过时，两车道应自动转为特种车辆放行，其他车辆禁止通行的状态；还有欠缺对盲人这个特殊群体穿过道口时所遇难的考虑。传统的交通灯控制系统存在的这些缺点，说明传统的交通灯控制系统已经不能适应当前城市交通发展的要求，不能最高效地利用城市的交通道路资源。城市交通控制系统是一个综合度高而又复杂的问题，关系到、机构、、管理、成本、基础设施建设和投资各方面问题。道路交通控制系统在近百年的发展中，经历了从手动到自动、从无感应控制到有感应控制、从固定配时到灵活配时、从单点控制到干线控制、从区域控制到网络控制的长远发展历程。我国的交通是从新中国成立之后才开始发展的，起步较晚，但随着我国经济和社会高速发展对交通的需求急剧增加，对原有交通控制系统提出了严峻的挑战。城市交通发展的规划应在广泛借鉴和吸取国外先进经验的基础上，结合我国城市交通运输的现状和存在的问题，建立并健全适合我国交通的城市交通控制系统。近年来，国家虽然不断加大城市道路建设的力度，但仍赶不上城市机动车的增长速 度，我国城市仍普遍存在道路面积偏低的问题，这也是制约着我国大城市发展的一个重 要原因。随着交通需求越来越旺盛，车多、路多了，但运营成了瓶颈，运输效率逐步下 降。我国与发达国家在车辆、道路、交通管理系统、人工智能技术在交通管制中的应用、 信息采集和提取等方面存在着很大的差距。由于交通控制系统不健全等原因，我国交通 道口的交通事故率居高不下，且随着城市交通运量逐年的增长，城市车流行驶速度逐年基于ATC51的十字路口交通灯的设计。下降，这些都是由于交通通行不佳。

1.2 关于本案

针对整个交通控制系统的发展状况，本设计根据道路交通拥挤，十字路口经常出现 拥堵的情况，运用智能、集成，且功能强大的单片机芯片为控制核心，设计出了十字路 口智能交通灯控制系统，以改善十字路口实时通行状况。本设计与传统交通灯比较，有

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以下几点改进措施：

1）可根据十字路口的各道口车流量自动调节通行时间；

2)拥有车流量检测电路和特种车辆自动通行控制模块，设计紧急切换开关； 3）进行软件系统的设计，采用汇编语言编写，简单、方便。

智能交通灯控制系统将有效地解决日趋严重的道路拥挤现象，缓解城市的交通压

力，减少交通事故发生率；减少了交通管理人员的大部分工作量，并为人们的出行节省 了大量时间，创造出更多的社会价值，提高经济效益。

第二章 设计简介及设计方案论述

2.1设计原理

交通灯定时控制系统的原理框图如图2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，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。图中：

TL ：表示甲车道或乙车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一个工作状态的定时。

定时器 TL TY ST 秒脉

图1 交通灯控制系统原理框图

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甲车道信号灯 冲 控制器 译码器 乙车道信号灯

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逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。

第三章 详细设计

3.1单元电路的设计

（1）定时器

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74LS161进行设计较简便。74LS161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。74LS161的外引线排列图和时序波形图如图12、3所示，其功能表如表12 、2所示。图中，是低电平有效的同步清零输入端，是低电平有效才同步并行置数控制端，CTp、CTT是计图12、2 交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q 3是数据输出端。由两片74LS161级联组成的定时器电路如图12、4所示。电路的工作原理请自行分析。

（2）控制器

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。 从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表12、3所示。选用两个D触发器FF1 、FFO做为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于 Q1n+1Q0n+1＝00状态时，如果TL＝0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项\"X\"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 可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将

Q1n+1、Q0n+1和 ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中\"1\"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： Q1n+1 =Q1nQ0nTY + Q1nQ0n + Q1nQ0n TY Q0n+1 = Q1n Q0nTL + Q1nQ0n + Q1nQ0nTs

ST= Q1nQ0nTL + Q1nQ0nTY + Q1nQ0nTY + Q1nQ0nTs （3）译码器

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，翻译成甲、乙车道上6

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个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系

第四章 设计结果及分析

3.1运行结果

1、即东西方向的绿灯和南北方向的红灯同时点亮30秒钟； 2、30秒钟后，东西方向的黄灯闪烁5秒钟，。此时南北方向仍维持红灯点亮。

3、东西方向的黄灯闪烁5秒钟后，转为东西方向的红灯和南北方向的绿灯同时点亮 30秒钟；

4、30秒钟后，转为南北方向的黄灯闪烁5秒钟，此时东西方向仍维持红灯点亮。 5、南北方向的黄灯闪烁5秒钟后，东西方向的绿灯和南北方向的红灯同时点亮30 秒钟。如此循环重复

3.2分析

通过部分功能电路以及整体电路的测试，所设计的交通灯控制系统完全能达到设计指标，四种交通灯状态能按设计要求交替转换并且倒计时的时间也很准确。当然这些只是仿真的结果，如果进行实物制作的话，有可能会出现问题，这些也在预期范围之内，理论与实际有一定的出入。课题涉及的大部分是数电知识，因而电路的可靠性较高，直流稳压电源的测试结果与设计要求相差4%左右，这并不影响系统的正常运行

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总 结

一个多星期的奋战，终于实现了所有设计指标，不得不说心里感觉很爽，利用自己所学的知识做一个小系统（虽然平常学的不是很透，都是为了考试学）自己整合知识要点，刚开始时候很难下手，不知道从哪里开始做，也上网查了很多资料，也去图书馆找了不少资料，虽然很多是不准确的，但不可否认给了自己不少想法。数字电路设计很讲究模块化思想，利用这一思想电路的大体结构也就出来的，但电路整体功能并不能很好的实现，请教了不少人都没有解决，一度想放弃算了，以自己在电子方面没天分为借口逃避，过两天就要仿真结果了，给我急的，本想抱着破罐子破摔得想法，硬着头皮让老师说，反正自己就不会。交仿真图的前一个晚上，我按着耐心将电路每个模块都拆开来，一个个测试，调试后交通灯能正常进行状态转换，只是倒计时不能按照预定的时间进行，一看到这我就觉得有戏，赶紧分析计时电路，因为自己用的是四段数码管，自带译码功能，只是接入时需要反接，同时芯片74LS162的LOAD端重新进行连接，利用倒计时全为零时作为预置信号，果然电路好使了，短短一个小时，心情从谷底直奔云霄，原来往往离成功总是那么一小步，这句话让我感触颇多。 时间虽然很短暂，可感觉自己这几天学到的更多更实在，对课本上的知识认识的更深，还了解了不少其他的知识特别是不同功能芯片的特点与常用的应用例子，书本上的远没有实践时学得更加主动，也培养了自己的耐性和习惯，对于软件的操做更加熟悉，因为每学期的课设都让自己很怕，其实是自己对自己没信心，怕做不好怕被老师说，但谁都要面对这一切，如果可以的话我建议学校在每学期的开学根据本学期将要学习的内容制定不同的课题特别对于电子方面的学生，要求只有一个必须具有实践性，课题尽量不要重复，可以采取老师带领的方法，灵活自主去完成，一学期为时限，内容可能会比较多，准备需要的时间也很长，但从长远角度来说是这样做有利于学生的发展，刚开始的时候，学生会觉得比较困难，时间长了习惯就好，因为每一个人的觉悟是不一样的，因而考量的时候并不能一概而论，这就需要老师做好工作，具体怎么执行得由老师们讨论决定。另外实验室的并没有充分利用起来，当然主要原因在于我们学生这边，这需要带头而且得有老师的支持，不然三天热的情况屡见不鲜，说跟到底学生的主动性非常重要，希望导员和主管学习的领导注意这些，考试固然是重要的评价手段，但实践跟接近与社会。

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致谢

在这里感谢这几个星期一直排在我们身边帮助我们的老师

参考文献

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康华光.电子技术基础 数字部分(第六版).北京:高等教育出版社,2006. 白中英.数字逻辑 (第五版).北京:科学出版社,2011.

王永军、李景华.数字逻辑与数字系统(第4版).北京：电子工业出版社，2012. 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程(第2版).北京:北京航空航天大学出版社,2008.

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