1、交通信号灯控制电路的设计一、设计任务与要求1、任务用红、黄、绿三色发光二极管作为信号灯，设计一个甲乙两条交叉道路上的车辆交替运行，且通行时间都为 25s 的十字路口交通信号灯，并且由绿灯变为红灯时，黄灯先亮 5s，黄灯亮时每秒钟闪亮一次。2、要求画出电路的组成框图，用中、小规模集成电路进行设计与实现用 EAD 软件对设计的部分逻辑电路进行仿真，并打印出仿真波形图。对设计的电路进行组装与调试，最后给出完整的电路图，并写出设计性实验报告。二、设计原理和系统框图（一）设计原理1、分析系统的逻辑功能，画出其框图交通信号灯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
2、等部分组成。秒脉冲信号发生器是该系统中定时器和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 1 交通灯控制电路设计框图图中：Tl：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为 25s，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 5s。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。它一方面控制定时器开始下一个工作状态的定时，另一方面控制着交通信号灯状态转换。2、画出交通信号灯控制器 ASM 图
3、（1）甲车道绿灯亮,乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行,乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔 TL 时控制器发出状态信号 ST 转到下一工作状态。（2）乙车道黄灯亮乙车道红灯亮。表示甲车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乙车道禁止通行。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）甲车道红灯亮乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行乙车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）甲车道红灯亮乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止同行，乙车道上未位过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆
4、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。交通灯以上 4 种工作状态的转换是由控制器进行控制的。设控制器的四种状态编码为 00、01、11、10，并分别用 S0、S1、S3、S2 表示，则控制器的工作状态及功能如表 1 所示 控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定控制状态和信号灯状态下，车道的运行状态： S000 甲绿、乙红 甲车道通行、乙车道禁止通行 S101 甲黄、乙红 甲车道缓行、乙车道禁止通行 S311 甲红、乙绿 甲车道禁止通行、乙车道通行 S210 甲红、乙
5、黄 甲车道禁止通行、乙车道缓行 AG=1 甲车道绿灯亮，甲车道通行 BG=1 乙车道绿灯亮，乙车道通行 AY=1 甲车道黄灯亮，甲车道缓行 BY=1 乙车道黄灯亮，乙车道缓行 AR=1 甲车道红灯亮，甲车道禁止通行 BR=1 乙车道红灯亮，乙车道禁止通行状态变化如下表所示:控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：AG=1：甲车道绿灯亮;BG=1:乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮；BY=1：乙车道黄灯亮；AR=1：甲车道红灯亮；BR=1：乙车道红灯亮；由此得出交通信号灯的 AMS 图，如图 2 所示：图 2 交通信号灯的 AM
6、S 图三、单元电路的设计1、秒 脉 冲 信 号 发 生 器本 实 验 采 用 555 定 时 器 组 成 秒 脉 冲 信 号 发 生 器 。 取 ， R1 取 680ufC， R2 取 15 ， 则 电 路 的 输 出 脉 冲 频 率 ， 电 路 图 如 图K z)2(4.1HRf所 示 ：图 3 秒脉冲信号发生器2、定时器定时器由与系统的时钟脉冲产生器提供的同步计数器构成，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 5s 的定时信号 Ty 和 25s 的定时信号 TL。计数器选用集成电路 74LS163 进行设计较简便
7、，74LS163 是 10 进制同步加法计数器它具有异步清零、同步置数的功能。74LS163 管脚图如图 4 所示 74LS163图 4 74LS163 管脚图交通灯定时电路：图 5 交通灯定时电路其工作原理为由秒脉冲发生器产生的秒脉冲 CLK 分别送给两个 74LS163的清零端 9 处。如图所示，输入端 3.4.5.6 分别接地。U1 的 7 和 10 由 U2 的11、14 经过与门相与后相连。即只有当 11、14 处产生一个高电平脉冲时才能触发 U1 中的 14 产生脉冲。当 HD74LS00 的 ST 信号分别送给 U1 和 U2 的 LOAD。就可以得到 和 是秒脉冲的 5 倍 和
8、 的结果是秒脉冲的 25 倍yTLT3、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。列出控制器的状态转换表如表 3 所示。选用两个 D 触发器HD74LS74 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，就可以列出了状态转换信号 ST。其输入输出状态变化如下表所示：表 2 控制器状态变化编码表根据上表可以推出状态
9、方程和转换信号方程，其方法是将 Q1n+1、Q 0n+1和 S T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。根据以上方程，选用数据选择器 74LS153 来实现每个 D 触发器的输入函数。将触发器的现态值加到 74LS153 的数据选择输入端作为控制信号，即可实现控制器的功能，控制原理图如图 6：图 6 交通灯控制器原理图图中 R、C 构成上电复位电路。由两个双多路转换器 74LS153 和一个双 D触发器 HD74LS74 组成控制器。触发器记录 4 种状态，多路转换器与触发器配合实现 4 种状态的相互交换
10、。 4.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 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如表 3 所示。表 3 控制器状态编码与信号灯关系表Q1Q0状态 AG AY AR BG BY BR00 1 0 0 0 0 101 0 1 0 0 0 111 0 0 1 1 0 010 0 0 1 0 1 0根据上表中信号灯与 Q0Q1的状态编码，可以到输出方程：， ，01AG01Y1QAR， ，01B011B由于黄灯需要 5s 闪烁，需要接入脉冲信号：， 。给定的器件中没有与门，故将其全部取反得：cpQAY01 cpQY01
11、， ，01AG cpQY011AR， ，01B011B得到的信号灯状态均为低电平有效，所以全部反接。如下图所示：图 7 交通灯译码电路4、电路测试数据和结果1、555 定时器输出的时钟脉冲信号图 8 555 定时器输出的时钟脉冲信号 2、74LS74 各输出管脚的波形图 9 74LS74 各输出管脚的波形3、各路信号灯电平变化情况图 10 A、B 两路红、黄、绿信号灯的电平变化情况5、结束语1.系统综述通过分析交通灯控制系统的要求可知，整个系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器构成。其中，秒脉冲信号发生器由 555 定时器构成；定时器由两片 4 位可预置二进制计数器 74LS1
12、63 芯片、三片 D 触发器及若干与非门共同组成；控制器由三片数据选择器 74LS153 及两片双 D 触发器74LS74 构成。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号，译码电路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。控制电路是系统的主要部分，由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作能够实现交通灯四种状态的自动转换。2.总结及心得体会这次课程设计历时一个星期，通过这一个星期的课程设计，我们团队成员都发现了自己的很多不足，找出了在模拟电路和数字电路知识上的很多漏洞，也看到了自己的在动手实践方面还缺乏经验，理论联系实际的能力还急需提高。在课程设计过程中，光有理论知识是不够的，还必须
13、懂一些实践中的知识。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，我们就分配好了各自的任务，分别是 555 秒脉冲信号发生器及定时器电路的设计、控制电路的设计、译码电路的设计；然后我们积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性；最后我们设计电路图，焊接电路板，检修线路，调试电路。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败，团结协作是我们成功的一项非常重要的保证，而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。本次课程设计也巩固和
14、加深了我对电子线路基本知识和理解，提高了综合运用所学知识的能力，增强了根据课程需要选学参考资料，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。然后深入研究，提出方案，对比后得出最终的可行方案。同时我也初步学习到了关于课程设计的基本方法、步骤和撰写设计论文的格式。为完成这次课程设计，我们大家确实很辛苦，几乎所有课余时间都花在了这件事情上，但苦中仍有乐，和团队人员这一周多的一起工作的日子，我们相互帮助、默契配合，知识上收获的良多，精神上的丰收更加可喜，让我们知道了学无止境的道理，我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有，这次课
15、程设计必将成为我们人生旅途上一段非常美好的回忆！6、参考文献1 陈大钦，罗杰.电子技术基础实验（第三版）M电子电路实验、设计及现代 EDA 技术.北京：高等教育出版社，2008.62 杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第三版）M.北京：高等教育出版社，2006.53 余孟尝.数字电子技术基础简明教程（第三版）M.北京：高等教育出版社，2006.74 陈宗梅.交通灯控制系统电路设计J.重庆职业技术学院学报,2005，14（2）：124-125 5 刘明丹.基于数字电路对交通灯控制的研究与设计J.实验技术与管理,2005（22）：30-336 韦英华.基于 Multisim 的交通灯控制电路系统仿真设计J.机械与电子，2009（33）：106-1077、电路原理图
