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交通信号灯控制器制作

电子技术综合训练任务书

2012年秋季学期

学生姓名

学号

专业方向

班级

题目名称

交通信号灯控制器制作

一、设计内容及技术要求：

设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆通行，

基本要求：

1、每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿三个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆停止通行；

2、每条道路上每次通行的时间为25S；

3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道；

4、黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次。

5、电源：

220V/50HZ的工频交流电供电；

（注：

直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）

6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。

发挥部分：

1、按照交通规则设计人行道指示灯

2、其它恰当的功能

二、提交成果：

1、设计报告

2、作品

3、电路原理图：

要求提交两份，一份为CAD/EDA软件绘制，另一份为手工绘制，图纸大小自定，但要符合标准，电路图绘制要规范。

三、设计进度：

1、时间：

三周

2、进度安排：

（1）第一周选题，熟悉题目，分析要求，查找资料，选择方案，优化方案，确定原理方框图，单元电路设计，选择元器件；

（2）第二周进行电路仿真，确定电路原理图，画出电路原理图，购买元器件，焊接电路；

（3）第三周电路调试，电路测试，绘制电路原理图，完成设计报告，答辩。

指导教师签字：

摘要

在交通日益繁杂的今天，十字路口的红绿灯是交通法规的无声命令，是司机和行人的行为准则。

当前，国内大多数城市正在采用“自动”红绿交通灯，它具有固定的“红灯—绿灯”转换间隔，并自动切换。

根据设计要求，设计了一个绿灯亮25秒、红灯亮30秒、黄灯闪烁5秒的交通灯；且有附加功能：

在交通路口有意外情况时，可以让所有的红灯亮，以禁止车辆通行；在晚上车辆较少时，让所有的黄灯闪烁，以提醒司机。

主要由两片74LS190实现计数模块，由两个74LS73及相应的门电路实现控制模块。

通过数字及模拟电子课程的学习，以及通过查阅资料制作了这套交通灯控制系统。

关键词：

交通灯计数控制

OUTLINE

Intheincreasinglycomplicatedtraffictoday,thetrafficlightsatacrossroadsistrafficregulationssilentcommandandthedriverandpedestrianbehaviorcriterion.Atcurrent,mostofthedomesticcityisadopted"automatic"redandgreentrafficlights,ithasafixed"redlight-green"conversioninterval,andautomaticallyswitch.Accordingtothedesignrequirements,wedesignagreenlightfor25seconds,theredlightfor30secondsandtheyellowlightflash5secondsoftrafficlights.Andthereareadditionalfunctions:

therearetrafficaccidentcases,itcanmakealltheredlightprohibitvehiculartraffic;Intheeveningwhenthevehicleisless,letalltheflashingyellowlight,towarndrivers.Itmainlycomposedoftwo74LS190countingmodule,two74LS73andthecorrespondinggatetocircuitcontrolmodule.Throughthedigitalandanalogelectronicscourse,weuseotherinformationtomakeasetoftrafficlightscontrolsystem.

Crucialwords:

TrafficlightCountControl

1设计任务和要求…………………………………………………………‥4

1.1设计任务……………………………………………………‥………4

1.2设计要求……………………………………………………………‥4

2系统设计…………………………………………………………………‥4

2.1系统要求………………………………………………………………4

2.2方案设计………………………………………………………………5

2.3方案选择………………………………………………………………9

3单元电路设计及仿真……………………………………………………11

3.1脉冲信号发生电路…………………………………………………11

3.2显示译码电路…………………………………………………………17

3.3计时电路………………………………………………………………19

3.4控制电路………………………………………………………………21

3.5附加功能电路…………………………………………………………25

3.6直流稳压电路…………………………………………………………29

4电路安装、调试与测试……………………………………………………314.1电路安装………………………………………………………………31

4.2电路调试………………………………………………………………33

5结论与参考文献……………………………………………………………34

6总结与体会…………………………………………………………………35

7附录—本设计方案中用到的芯片资料……………………………………36

一设计任务及要求

1.1设计任务

设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆通行。

1.2设计要求

2、每条道路上每次通行的时间为25S；

3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道；

4、黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次；

5、电源：

220V/50HZ的工频交流电供电。

二系统设计

2.1系统要求：

为了确保车辆的安全通行，在十字路口的每个入口处设置红绿黄三种信号灯，并安装时间数字显示，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，黄灯提醒司机把车辆停靠在禁行线以内。

东西南北干道交替通行，各干道总通行30秒（绿灯25秒，黄灯5秒钟）。

2）当绿灯和红灯交替时，黄灯开始闪烁5秒钟，每秒闪烁一次。

3）两个车道中始终有一个也仅有一个方向的红灯亮，表示任何时刻只允许一个车道上两侧的车辆通行。

4）十字路口的数字时间显示以秒为单位，作为时间提示，使司机直观的把握通行时间。

2.2方案设计

方案一：

如果把东西方向车道假定为甲车道，南北方向假定为乙车道，则十字路口的交通信号灯工作状态有以下描述：

当启动交通灯系统开关后，交通灯开始工作：

假设当东西方向红灯亮时，南北方向绿灯亮，LED数码管从30秒开始减法计数；

25秒后，东西方向红灯继续亮，南北方向的绿灯熄灭，而黄灯开始有频率的闪烁，LED数码管从5秒开始减法计数；

5秒后，东西方向的绿灯亮，南北方向的红灯亮，同时东西方向的黄灯熄灭，LED数码管从30秒开始计数；

25秒后，东西方向的绿灯熄灭，黄灯有频率的闪烁，而南北方向的红灯继续亮，LED数码管从5秒开始计数；

5秒后，东西方向红灯亮，黄灯熄灭，南北方向的绿灯亮，LED数码管又一次从30开始减法计数。

控制电路主要是两片JK触发器的四种状态来实现，两片JK触发器采用同步方式级联，使触发器的状态按00→01→10→11→00依次循环，而上述四种状态一一对应上面讲到的四种信号灯状态,计时电路可由减法计数器组成倒计时电路实现，译码显示电路可由CD4511和LED数码管连接而成。

控制状态

信号灯状态

车道运行状态

S0（00）

甲绿，乙红

甲车道通行25s，乙车道禁止通行30s

S1（01）

甲黄，乙红

甲车道缓行5s，乙车道禁止通行30s

S3（110

甲红，乙绿

甲车道禁止通行30s，乙车道通行25s

S2（10）

甲红，乙黄

甲车道禁止通行30s，乙车道缓行5s

方案二：

交通灯工作原理：

（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间隔时，控制器发出状态信号，转到下一个工作状态。

（2）甲车道黄灯亮，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，乙道通行禁止。

黄灯亮足规定的时间间隔时，控制器发出状态转换信号，转换到下一个工作状态。

（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时，控制器发出状态转换信号，转到下一个工作状态。

（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。

表示甲车道禁止通信，乙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。

黄灯亮足规定的时间间隔时，控制器发出状态转换信号，系统又转换到第

（1）种工作状态。

交通灯以上四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下表所示，控制器应送出甲乙车道红黄绿灯的控制信号。

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：

表2-1：

控制状态

信号灯状态

车道运行状态

S0（00）

甲绿，乙红

甲车道通行，乙车道禁止通行

S1（01）

甲黄，乙红

甲车道缓行，乙车道禁止通行

S3（110

甲红，乙绿

甲车道禁止通行，乙车道通行

S2（10）

甲红，乙黄

甲车道禁止通行，乙车道缓行

选择以中等规模的数字集电路为核心的纯数字电路组成的交通信号灯控制器。

图2-1：

系统工作原理:

在图中，TL、TY为定时器的输出信号，ST为控制器的输出信号。

当某方向车道绿灯亮时，允许车辆通行，定时器开始计时，同时倒计时电路开始从30秒倒计时，当定时器计到25秒，倒计时电路计时到5秒时，则TL=1，否则TL=0.当某方向车道黄灯亮后，定时器开始计时，同时倒计时电路从5秒倒计时，当定时器计到5秒，倒计时电路计到0秒时，TY=1否则TY=0。

ST为状态转换信号，当定时器计时到规定时间后，由控制器发出状态转换信号，定时器和倒计时电路开始下一个工作状态的定时计数。

根据设计要求，需要以秒脉冲作为计数器的计数脉冲，设计一个二十五进制和五进制的计数器。

在定时器电路的设计中主要是考虑计数器的选择，如下图所示的电路是采用两片74LS161构成的二十五进制计数器和五进制计数器，图中CLK秒脉冲信号应当有秒脉冲发生器产生，计时器5秒钟和25秒钟的输出信号。

ST为状态转换控制信号，每当ST输出一个正脉冲，计数器进行一轮计数。

通过仿真验证电路能够满足要求。

根据图中的状态转换，控制器有四个状态，因此可由两个触发器构成，本设计中选用两个D触发器产生四个状态。

控制器的输入为触发器的现态以及TL和TY，控制器输出为触发器的次态和控制器状态转换信号ST，由此可得到状态转换表如下所示：

现态

状态转换条件

次态

状态转换信号

Q1nQ0n

TLTY

Q1n+1Q0n+1

根据表可知，写出状态方程和状态转换信号方程为：

Q1n+1=Q1n’Q0nTY+Q1nQ0n+Q1nQ0n’TY’

Q0n+1=Q1n’Q0n’TL+Q1n’Q0n+Q1nQ0nTL’

ST=Q1n’Q0n’TL+Q1n’Q0nTY+Q1nQ0n’TY+Q1nQ0nTL

以上三种逻辑函数可选择用四选一的数据选择器74LS153来实现，触发器采用双D触发器74LS74。

2.3方案选择

通过对方案一和方案二进行比较，方案二的结构比较复杂，计时电路和倒计时电路各自分开运行，用到的器件较多，造成了成本的浪费。

而方案一结构相对简单计时电路和倒计时电路合二为一，综合考虑选择方案一。

方案一完整原理框图

在multisim中的最终接线图：

三单元电路设计及仿真

3.1555振荡器构成的秒脉冲电路

555定时器是种中规模集成电路，只要外部配上适当阻容元件，就构成脉冲产生和整形电路。

3.1-1555定时器的引脚

定时555内部结构和引脚排列图，如内部电路图，引脚排列图。

555定时器内部含有一个基本RS触发器，配个电压比较器C1,C2,一个放电三极管T由三个5K的电阻的分配器，555定时器因此而得名一个输出缓冲器G3。

比较器C1的参考电压为2VCC/3加在同相输入端C2的参考电压为VCC/3加在反相输入端，两者均由分在器上取得。

图555的内部电路图

555定时器引脚排列图

555定时器个引线端的用途如下：

1．1端为接地线；

2．2端为低电平触发端，也称为触发输入端。

当2端的输入高电压高于VCC/3时，C2输出为1；当输入电压低于VCC/3时，C2的输出为0，使基本触发器置1；

3．3端U0为输出端；

4．4端是复位端，当

=0时，基本触发器直接置0，使Q=0，

=1；

5．3端UDD为电压控制端，如果CO端另加控制电压，则可以改变C1，C2的参考电压。

工作中不使用CO端时，一般都通过一个0.01uF的电容接地，以防旁路干扰；

6．6端TH为高电平触发端，当输入电压低于2VCC/3时，C1的输出为1；当输入电压高于2VCC/3时，C1的输出为0，使基本触发器置0，即Q0=0，

=1，这时定时器输出U0=0；

7．7端D为放电端。

当基本触发器的

=1时，放电晶体管T导通，外接电容元件通过T放电；

8．8端VCC为电源端，可在4.3-1.6V范围内使用，若为CMOS电路，则VCC=3-18V。

表7-1555定时器功能表，它全面表示了555的基本功能。

55定时器功能表

3.1-2555的工作原理

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为

和

。

C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号输入并超过

时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于

时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

是复位端，当其为0时，555输出低电平。

平时该端开路或接

。

Vco是控制电压端（5脚），平时输出

作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01

的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

3.1-3555电路构成多谐振荡器

1电路组成：

②工作原理：

主要参数计算：

改变

、

的值，就可以改变振荡器的频率。

如果利用外接电路改变

端（5号端）的电位，则可以改变多谐振荡器高触发端的电平，从而改变振荡周期T。

在实际应用中，常常需要调节

和

。

在此，引进占空比的概念。

输出脉冲的占空比为:

根据上述原理，当取

时，多谐振荡器的振荡频率为：

=1Hz

3.1-4本设计方案中555的使用

电路原理图

本设计中，脉冲信号发生器可以用一片555定时电路构成的多谐振荡器来实现，脉冲周期为1s，其计算公式为T

0.7

（R1+2R2）C,以此信号作为下一步计时电路的CP脉冲。

因为本电路中用到的是1s的脉冲，所以依据电阻和电容的定值表可以得，我们选R1=R2=47k，C2=10uF,C1=10nF.

图3.1-3A时序脉冲产生电路原理图

注：

1.因为交通灯控制系统的秒信号精度不高，故可以直接采用选用555定时器，不再添加分频电路。

2.所需器件：

电阻两个，

、10nF电容各一个，555芯片一片。

b）仿真如下：

由于仿真软件无法实现1hz的仿真，故在这里给出理论值为100hz的脉冲仿真波形。

100hz仿真波形如下：

图3.1-3B

通过仿真图可以清楚地看到，图中反映的是一个100HZ的方波。

3.2显示译码电路

显示译码电路由共阴极LED七段数码管，CD4511译码器组成，二者相互连接如下图所示。

注：

1、

和

须接高电平，LE须接低电平时，CD4511正常工作。

2、4511的A、B、C、D与相应的190的输出相连就行了。

3、数码管必须加限流电阻。

考虑到从4511出来的电压大约为5V，取发光二极管工作时电流为10mA，工作电压为1.5V--2.0V之间，从而我们选择200欧-300欧之间的电阻。

3.2-1CD4511译码器工作原理

图CD4511管脚功能排列图

1.以下介绍各引脚的功能：

其功能介绍如下：

：

4脚是消隐输入控制端，当

=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。

：

3脚是测试输入端，当

=1，

=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。

它主要用来检测数码管是否损坏。

LE：

锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。

LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

D、C、C、A、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

3.2-2共阴极LED七段数码管工作原理

数码管分为共阳极结构和共阴极结构。

若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。

此次设计采用的是共阴极数码管。

引脚输出如下图所示

图共阴极数码管引脚图

3.3计时电路

根据设计要求，需要设计一个30进制的减法计数器。

结合在数电中所学的计数器原理及查阅相关资料设计如下：

可以使用两片十进制同步加/减法计数器74LS190构成30秒钟倒计时电路。

190是同步计数且异步置数的计数器。

可以通过190的行波输出端（

）进行级联，可以把两片190通过

端子级联起来。

让

/D端为高电平，给两片190分别预置3和0，采用异步反馈置数法，使用多级或门当两片190的状态端都为0时进行低电平异步反馈置数，从而构成了从30到1的倒计时电路。

此外，此计数模块与控制电路的关系是：

通过计数器的状态给两片JK触发器给下降沿信号，当计数器从30秒倒计到5秒和0（瞬时出现）秒时，即两片190的状态端分别为，00000101和00000000时，通过或门、与非门、与门级联而成的电路给触发器施加脉冲信号使两片触发器的状态发生变化，计时电路每重复两个周期，两片同步级联的JK触发器获得四次脉冲信号，从而使得触发器状态实现从00→01→10→11→00的变化。

30秒倒计时电路接线图：

注：

1、采用异步反馈置数法，实现30秒倒计时电路，置数端应接正确。

2、

端接高电平时，计数器正常工作。

为保证计数器正常工作可以把置数信号和高电平信号相与，然后通过与门的输出给190施加置数信号。

3、左边部分接了两级非门起延时作用。

由于74LS190是异步置数的，则两片190构成倒计时电路后，若不接可能出现当从30秒倒计到10秒时又会从30秒开始倒计。

4、仿真时可以用脉冲信号发生器代替555定时器部分，这样有利于仿真。

计时电路和显示译码电路的单元仿真波形：

图3.3-0

注：

通过这样的仿真既可以验证这部分电路的正确性，也有利于在焊接时对这部分电路进行调试。

3.4控制电路

控制电路主要是通过两片JK触发器的四种状态来实现，两片JK触发器采用同步方式级联，使触发器的状态按00→01→10→11→00依次循环，而上述四种状态一一对应上面讲到的四种信号灯状态。

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下表所示，控制器应送出两个方向车道红黄绿灯的控制信号。

为了简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：

表3.4-1

控制状态

信号灯状态

车道运行状态

S0（00）

甲绿，乙红

甲车道通行，乙车道禁止通行

S1（01）

甲黄，乙红

甲车道缓行，乙车道禁止通行

S3（10）

甲红，乙绿

甲车道禁止通行，乙车道通行

S2（11）

甲红，乙黄

甲车道禁止通行，乙车道缓行

注：

上表中甲车道代表南北方向车道，乙车道代表东西方向车道

根据图中的状态转换，控制器有四个状态，因此可由两个触发器构成，本设计中选用两个JK触发器产生四个状态。

得到状态转换表如下所示：

表3.4-2

现态

次态

Q1nQ0n

Q1n＋1

Q0n＋1

触发器采用双JK触发器74LS73，每60s实现四种状态的相互转换，而两个方向的灯也正是利用了这四种状态加上门电路来实现的。

甲车道绿灯亮为AG=0，绿灯灭为AG=1；黄灯亮为AY=0，黄灯灭为AY=1；红灯亮为AR=0，红灯灭为AR=1。

同样可以令乙车道上绿灯亮为BG=0，绿灯灭为BG=1；黄灯亮为BY=0，黄灯灭为BY=1；红灯亮为BR=0，红灯灭为BR=1。

则可以得到如下关系：

表3-4-3

Q1Q0

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