交通灯控制电路设计方案.docx
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交通灯控制电路设计方案
交通灯控制电路设计
一、设计任务与要求
设计一个十字路口交通信号灯控制器，其中红灯〔R〕亮，表示该条路禁止通行；黄灯〔Y〕亮表示停车；绿灯〔G〕亮表示允许通行。
其要求如下：
1.设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR，NSY，NSG；东西方向的红、黄
绿灯分别为EWR，EWY，EWG。
2.满足两个方向的工作时序：
东西方向红灯亮的时间应等于南北方向黄、绿灯亮的时间之和；南北方向红灯亮的时间应等于东西方向黄、绿灯亮的时间之和。
一个周期为60秒，其中，绿灯亮25秒，黄灯亮5秒，红灯亮30秒。
其中NSG（EWR）→NSR（EWG），黄灯用于闪烁提示绿灯变为红灯。
交通灯顺序工作流程图如图1所示：
3.十字路口要有数字显示装置，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。
具体要求为：
当某方向绿灯亮时，置计数器为某一数值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，进入另一个方向的工作循环。
例如：
当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为29，并使数显计数器开始减“1”计数，当减法计数到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数码管显示的数值应为4，当减法计数到“0”时，黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数码管的显示为29。
4.可以通过开关将交通灯手动调整为夜间状态，夜间状态为只有黄灯闪耀。
黄灯一直闪耀，提醒过往行人注意。
二、总体框图：
根据设计任务和设计要求，我们可以从三个部分考虑。
1．交通灯的灯显部分
由于交通灯显示的时间分别为绿灯亮25秒，黄灯亮5秒，红灯亮30秒，所以灯显时间周期为60秒。
由于绿、黄、红灯亮的时间比例为5：
1：
6，所以计数器每工作循环周期为12，可以选用12进制的计数器。
我选用了中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。
由74LS164来控制各路口灯的亮灭。
另外，由于设计要求电路可以通过开关将交通灯手动调整为夜间状态，夜间状态为只有黄灯闪耀。
所以，通过一单刀双掷开关和与门来实现。
当开关打到高电平时为正常工作状态，打到低电平时为夜间状态。
2.数字显示部分
数字显示控制部分实际上是一个定时控制电路。
当绿或红灯亮时，使减法计数器开始工作，每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”停止。
由于灯显部分的频率是数显部分频率的1/5，所以要用一个单稳态连接数显和灯显部分。
译码显示可由计数器输出驱动BCD码七段译码器，计数器采用可预制加、减计数器，且让其工作在减法计数状态。
3.1Hz标准脉冲和分频部分
由于十字路口每个方向绿、黄、红灯时间比例分别为5：
1：
6，所以，用74LS160连为5进制计数器就可以实现，即选5秒为一单位时间，计数器每5秒输出一个脉冲。
三、选择器件
灯显部分
74LS164、74LS104、74LS108、74LS11、74LS32、74LS86
1Hz标准脉冲
和分频部分
555定时器、74LS160
数码显示部分
LED发光二极管、U2504R、74LS08、74LS04、74LS32、74LS192
器件介绍：
1.74LS164
74LS164是8位移位寄存器，其逻辑功能表如下表：
其逻辑符号与管脚图如下图：
74LS164为上升沿触发，串行输入，并行输出，具有异步清零功能，当
=0时，QA～QH全为0，当
=1时，若控制端A、B全为1时，输出端由QA输入1，且其它输出端口依次为其前一时刻前一输出端口的状态；当A、B全为0时，输出端由QA输入0，且其它输出端口依次为其前一时刻前一输出端口的状态。
2.74LS04
74LS04是六反相器。
反相器的功能表如下表所示：
反相器功能表
输入A
输出Y
1
0
0
1
其内部原理图与管脚图为下图：
74LS04当输入为高电平时输出等于低电平，而输入为低电平时输出等于高电平，输出与输入的电平之间是反相向关系。
非门的逻辑表达式为：
Y=
3.74LS08
74LS08为四输入端与门。
由其逻辑功能表与内部原理图如下图：
74LS08逻辑功能表
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
74LS08的逻辑表达式为：
Y=A·B
4.74LS11
74LS11为三输入的与门，由其逻辑功能表可得，其逻辑功能为“见0得0，全1得1”，即只要三个输入端口中有一个为0，则输出Z就为0，当输入全为1时，才有输出Z为1。
“三输入与门”逻辑功能表
A
B
C
Z
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1
其管脚图和内部原理图为：
其逻辑符号如下图：
5.74LS32
74LS32是二输入或门，其逻辑符号和管脚图如下图所示
或门的逻辑表达式为Y=A+B，其逻辑功能表见下表。
由其逻辑功能表可得，当两个输入只要有一个为1时，输出就是1，只有两个输入都为0时，输出才是0，即“见1得1，全0得0”。
74LS32逻辑功能表
输入
输出
A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
6.74LS86
74LS86是二输入异或门。
其逻辑符号与管脚图如下图：
其逻辑功能表如下图：
74LS86逻辑功能表
输入
输出
A
B
Y
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
0
7.74LS160
74LS160为可预置的十进制同步计数器，其管脚图如右图所示。
在CT74LS160中LD为预置数控制端，D0-D3为数据输入端，C为进位输出端，RD为异步置零端，Q0-Q3位数据输出端，EP和ET为工作状态控制端。
由其功能表可得，当置数端为0时，输出全为0。
预置数端为0，当脉冲到达时，计数器置数；当置数和预置数端都为1，且EP=ET=1时，计数器进行加法计数；当EP=0，EP=1时，输出不变，且RCO=0；当ET=1时，各输出及RCO都保持不变。
74LS160的内部原理图如右
图所示。
当RC=0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。
当RC=1、LD=0时，电路工作在预置数状态。
这时门G16-G19的输出始终是1，所以FF0-FF1输入端J、K的状态由D0-D3的状态决定。
当RC=LD=1而EP=0、ET=1时，由于这时门G16-G19的输出均为0，亦即FF0-FF3均处在J=K=0的状态，所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变。
同时C的状态也得到保持。
如果ET=0、则EP不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出C等于0。
当RC=LD=EP=ET=1时，电路工作在计数状态。
从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从1111的状态返回0000的状态，C端从高电平跳变至低电平。
利用C端输出的高电平或下降沿作为进位输出信号。
：
74LS160功能表
CP
EPET
工作状态
×
0
×
××
置零
脉冲
1
0
××
预置数
×
1
1
01
保持
×
1
1
×0
保持（RCO=0）
脉冲
1
1
11
计数
8.555定时器
55定时器是由比较器C1和C2，基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。
其逻辑符号如右图：
VH是比较器C1的输入端，v12是比较器C2的输入端。
C1和C2的参考电压VR1和VR2由VCC经三个五千欧电阻分压给出。
在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。
如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO,VR2=1/2VCO.
RD是置零输入端。
只要在RD端加上低电平，输出端v0便立即被置成低电平，不受其他输入端状态的影响。
正常工作时必须使RD处于高电平。
图中的数码1—8为器件引脚的编号。
555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路。
其内部原理图如右图：
（A）电路组成
555集成定时器由四个部分组成：
1、基本RS触发器：
由两个“与非”门组成
2、比较器：
C1、C2是两个电压比较器
3、分压器：
阻值均为5千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。
4、晶体管开卷和输出缓冲器晶体管VT构成开关，其状态受
端控制。
输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。
（B）基本功能
当5脚悬空时，比较器C1和C2比较电压分别为2/3VCC和1/3VCC。
当vI1>2/3VCC，vI2>1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0,放电三极管T导通，输出端vO为低电平。
当vI1<2/3VCC，vI2<1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器被置1,放电三极管T截止，输出端vO为高电平。
当vI1<2/3VCC，vI2>1/3VCC时，基本RS触发器R=1、S=1,触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。
综合上述分析，可得555定时器功能表如下表所示
输入
输出
阈值输入（vI1）
触发输入（vI2）
复位（
）
输出（
）
放电管T
×
×
0
0
导通
1
1
截止
1
0
导通
1
不变
不变
9.74LS192
74LS192的管脚图与逻辑符号如下图：
其功能表：
74LS192为十进制同步加、减计数器（双时钟），既可进行加法计数，又可进行减法计数，且有异步置数和清零功能。
当输入脉冲接到CPU时，计数器实现加法计数，当输入脉冲接到CPD时实现减法计数。
如下图74LS192的管脚图所示，P0～P3为输人，Q0～Q3为输出，MR为清零端，并且为高电平有效，MR=1时产生异步清零信号，输出为“0000”，因此在计数状态下应令MR=0。
为置数端，当
=0时计数器置数。
、
分别为借位输出和进位输出。
10.LED发光二极管
LED是发光二极管LightEmittingDiode的英文缩写。
发光二极管使用的材料与普通的硅二极管和锗二极管不同，有磷砷化镓、磷化镓、砷化镓等几种，而且半导体中的杂质浓度很高。
当外加正向电压时，大量的电子和空穴在扩散过程中复合，其中一部分电子从导带跃迁到价带，把多余的能量以光的形式释放出来，便发出一定波长的可见光。
LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。
它采用低电压扫描驱动，具有：
耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点。
目前LED显示屏作为新一代的信息传播媒体，已经成为城市信息现代化建设的标志。
管脚１２３４分别接输出段的Ｑ０、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ
四、功能模块
1、交通灯灯显模块
此模块主要用74LS164来实现，74LS164是8位移位寄存器，其状态转换表如表1所示
表174LS164状态转换表
T
计数器输出
南北方向
东西方向
Q0Q1Q2Q3Q4Q5
NSGNSYNSR
EWGEWYEWR
0
000000
100
001
1
100000
100
001
2
110000
100
001
3
111000
100
001
4
111100
100
001
5
111110
0↑0
001
6
111111
001
100
7
011111
001
100
8
001111
001
100
9
000111
001
100
10
000011
001
100
11
000001
001
0↑0
由上面的状态转换表得到东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式，如表2所示
南北方向
东西方向
红
黄
绿
表2东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式
由于要求电路可以通过开关将交通灯手动调整为夜间状态，夜间状态只有黄灯闪耀。
所以通过一单刀双掷开关和与门来实现，同时加一反相器，使开关输出的信号经反相器后输入与门。
开关打开的时候输入是高电平，为正常工作状态，开关闭合的时候输入是低电平，为夜间工作状态，此时就只有黄灯闪耀，绿灯红灯都不亮了。
灯显模块电路图如图1
图1灯显模块电路图
2.1Hz标准脉冲和分频部分
此模块右半部分用555定时器连成多谐振荡器产生秒脉冲，多谐振荡器的周期为T=（R1+2R2）C㏑2。
选定C为10nF，R1为0.901676MΩ，则R2为72.1501MΩ。
此模块电路图如图3
图31Hz标准脉冲和分频部分模块电路图
在Multism2001中仿真次模块，用示波器观察分频模块，A、B输入端口分别接秒脉冲的输出和分频电路的输出。
下图为观察到的波形图，由波形图可得，波形1为波形2的5分频波形。
可见此模块的功能正确。
3.数字显示控制部分
此模块选用十进制同步加、减计数器（双时钟）74LS192和七段数码显示管DCD_HEX来实现。
采用74LS192的减法计数功能，把减计数脉冲输入接秒脉冲，加计数脉冲输入接高电平。
每个路口用两片74LS192设计为30进制计数器，令第一片74LS192的借位输出作为第二片的计数脉冲。
数字显示由29减到0，然后通过置数信号再次置为29，依次循环下去。
观察表1的74LS164状态转换表，状态5和状态11时，黄灯闪烁，而此时恰好有Q4、Q5状态为1、0和0、1，若在此时采用一个异或门连接Q4、Q5，当黄灯闪烁时异或门输出1，由于灯显部分的每一状态持续时间为5秒，所以异或门输出1的持续时间也为5秒，5秒之后又变为低电平，且低电平要持续25秒。
此时若在异或门后接一个单稳态，且令暂态时间为1秒，由于单稳态输出为高电平，所以需通过一个反相器接到置数端，而74LS192是异步置数，因此当黄灯停止闪烁时，数显部分置数为29，新的循环开始。
选用的七段译码显示管DCD_HEX具有译码功能。
在Multism2001中仿真次模块，为了能够尽快看到仿真结果，可将从灯控部分输出的置数信号的频率扩大1000倍，即用200Hz代替0.2Hz，可见，两组数码显示管显示的数据从29减到0，再置数到29，再依次减到0，并且两组数据是同步的。
可得，数字显示模块的控制电路设计正确，能够完成要求的功能。
五、总体电路设计图
在Multism2001中仿真此电路，当夜间控制开关断开时，整个电路处于正常工作状态，当南北路口绿灯亮，东西路口红灯亮时，数字显示开始从29倒计时，每秒减1，当数字减到4时，南北路口黄灯亮，当数字减到0后，南北路口变为红灯，东西路口变为绿灯，同时，数字显示为29，并开始倒计时。
整个交通灯以此状态依次进行下去。
当闭合夜间控制开关时，红绿灯全灭，只有黄灯不停闪烁。
可见，整个电路完成了设计要求，此电路设计是正确的。
总体电路如图4
图4总体设计电路图
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