赵静交通信号灯制器B.docx
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赵静交通信号灯制器B
赵静交通信号灯制器（B）
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1.2工作流程2
3.方案选择.........................................................6
参考文献·····································18
交通信号灯控制器设计
摘要：
红绿交通灯自动控制系统在城市十字（或丁字）路口有着广泛的应用。
随着社会的进步，人们生活水平的提高，私家车数量会不断增加，对城市交通带来前所为有的压力。
道路建设也将随之发展，错综复杂的道路将不断增多。
为维持稳定的交通秩序，红绿灯自动控制系统将得到更为广泛的应用。
现在实际应用的红绿灯系统中一般没有倒计时功能，使司机和行人不知道指示灯还有多久将会改变现有状态。
本设计应用基本数字电路知识，采用LED灯作红、绿、黄三交通灯，用七段数码管作同步倒计时显示。
实现两方向通行时间不相等的控制并配有计时器。
通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化。
因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。
设计所需要的元件有：
555定时器、74LS10、74LS139、74LS160、7448、74LS161、七段数码显示管、发光二极管、各种门电路…
1.选题背景
1.1已知技术参数和条件：
由一条主道和一条支道的汇合点形成的十字路口，两道上的车辆交替通过，为确保车辆的安全,迅速通行,在交叉路口要求主车道和支车道两条交叉道的每个入口设置了红,绿,黄三色信号灯。
红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯给行驶的车辆有时间停靠到禁行线外；
①用红，绿，黄三色发光二极管作信号灯，主道红，绿，黄三个信号灯,支道红,绿，黄三个信号灯。
②主干道和支道交替允许通行，主干道每次放行45秒，支道每次放行25秒。
设计45秒和25秒计时显示器电路。
④在每次由绿灯或绿（左）灯转换为红灯的过程中间，要亮5秒黄灯作为过渡时间，以使得行驶中的车俩有时间停到禁行线外，计时显示电路。
⑤在十字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯；用来指挥车辆和行人有序通行。
其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。
1.2工作流程：
主道方向绿灯亮，支道方向红灯亮；主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮；主道方向红灯亮，支道方向绿灯亮；主道方向红灯亮，支道方向黄灯亮。
1.3工作时序：
主干道绿灯45秒、支干道绿灯25秒的交通灯控制系统，每次由绿灯变为红灯时应有5秒黄灯亮作为过渡，分别用红、黄、绿三色发光二极管表示信号灯，并用数码管显示倒计时。
2.方案论证
2.1设计思路：
①系统中要求有45秒，25秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路。
计时顺序用顺计时。
定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入主控电路，并通过主控电路去开启和关闭种交通灯或启动另一种计时电路。
②系统要求定时显示电路的输入信号为秒脉冲信号，设计一个可以实现秒脉冲输出的时基电路。
③主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自45秒，25秒，5秒三个定时信号。
主控电路可以控制各种交通灯的开启和关闭，并反馈信号给计时电路，触发与亮着的信号灯相应的定时电路，使其顺时显示相应时间。
2.2总体设计方案和原理框图：
本设计要求设计一个主干道绿灯45秒、支干道绿灯25秒的交通灯控制系统，每次由绿灯变为红灯时应有5秒黄灯亮作为过渡，分别用红、黄、绿三色发光二极管表示信号灯，并用数码管显示计时。
因此，本设计需要一个脉冲产生模块、信号灯模块、倒计时模块、数码显示模块和主控模块。
脉冲产生电路用以驱动倒计时电路，置数电路将交通灯亮时间预置到计数电路和寄存器中，信号灯模块对信号灯的各种状态进行循环控制，倒计时模块以基准时间秒为单位做倒计时，数码显示模块显示倒计时的时间，主控模块对电路种的各个模块进行级联控制。
交通信号灯控制电路，交通灯采用发光二极管，显示时间则采用自带译码器的数码管显示。
采用555定时器产生秒脉冲，经由一个脉冲驱动电路后产生信号灯需要的三种脉冲，即45s,25s,5s，传递给控制器，由控制器发出状态。
译码器接受状态后译码，输出控制信号灯和数码管显示的状态。
由于系统状态只有四种，译码器选择74LS139即可，2线---4线译码器，输出四种状态。
设计方案概述：
如图1，系统主要由控制器，定时器，显示器，译码器，信号灯和秒脉冲号发生器组成。
其中控制器是核心部分，由它来控制定时器和译码器的工作；秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号；译码器输出两路灯的控制信号；定时器是这个设计方案中的难点，要找到合适的元器件来分别实现三种不同时间的定时功能，并且尽可能的使其电路不过于复杂。
主道支道
红黄绿绿（左）
红黄绿
译码驱动电路
主控电路
45秒定时、显示
25秒定时、显示
5秒定时、显示
时基电路
图2-1交通信号灯控制器的总原理框图
图2-2电路仿真原理图
2．3工作状态
1.实现红绿灯的交通管制功能；
2.在红绿灯交换的前五秒，有常亮的黄灯提示司机注意，此时绿灯已灭；
3.可适应主支干道不同的车流量的需要，拟设计主干道的车量通行时间为45秒，支干道的车量通行时间为25秒；
4.另有数字计时装置，提示司机时间。
45秒、25秒、5秒定时信号用计时，计时起始信号由主控电路给出，定时结束信号也输入到主控电路，由主控电路启、闭三色信号灯或启动另一计时电路。
主控电路是核心。
2-1状态表
状态
主干道
支干道
时间
s0
绿灯亮，允许通行
红灯亮，禁止通行
45秒
s1
黄灯亮，停车
红灯亮，禁止通行
5秒
s2
红灯亮，禁止通行
绿灯亮，允许通行
25秒
s3
红灯亮，禁止通行
黄灯亮，停车
5秒
5分析：
（1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。
表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔TL1时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
（2）主干道黄灯亮，主干道红灯亮。
表示主干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，支干道禁止通行。
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）主干道红灯亮，支干道绿灯亮。
表示主干道禁止通行，支干道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL2时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
（4）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。
表示主干道禁止通行，支干道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续缓慢通行。
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：
控制状态信号灯状态车道运行状态
S0（00）主干道绿，支干道红主干道通行，支干道禁止通行
S1（01）主干道黄，支干道红主干道缓行，支干道禁止通行
S3（11）主干道红，支干道绿主干道禁止通行，支干道通行
S2（10）主干道红，支干道黄主干道禁止通行，支干道缓行
HG=1：
主干道绿灯亮；
FG=1：
支干道绿灯亮；
HY=1：
主干道黄灯亮；
FY=1：
支干道黄灯亮；
HR=1：
主干道红灯亮；
FR=1：
支干道红灯亮；
设：
状态编码：
S0=00 S1=01 S2=10 S3=11
表2-274LS139功能真值表
A
B
Q0
Q1
Q2
Q3
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
若选JK触发器，其输出为Q2，Q1
表2-3
A
B
C
Q2n
Q1n
Q2n+1
Q1n+1
x
x
x
0
0
0
0
0
x
x
0
0
0
0
x
x
x
0
0
0
1
1
x
x
0
0
0
1
x
x
0
0
1
0
1
x
x
1
0
1
1
1
x
0
x
1
1
1
1
x
x
x
1
1
1
1
x
x
x
1
1
1
0
x
x
0
1
0
1
0
x
x
x
1
0
0
0
3.方案选择
3.1方案构思
方案一：
采用数字电子技术（核心控制部分用触发器来实现）
交通灯控制系统的原理框图如下图所示。
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:
表示主车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为45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个工作状态的定时。
图3-1方案一流程图
方案二：
用简单的计数译码芯片实现
由秒发生器电路部分产生周期为一秒的矩形脉冲信号，用此信号作为计数部分74ls160的输入控制脉冲，控制74ls160计数，我们电路中用两块74ls160级联，并用异步清零的办法将其做成45、25、5进制计数器。
用此计数器的输出作为译码器7448的地址输入，显示计数。
用74ls153选择计数器的进制，清零时给另一个74ls160信号，输出可给74ls153作为地址输入用来选择计数器的进制，这样就可以使得显示与灯的控制在时间上达到同步。
计数后用74ls139译码，最后将得到的译码信息经过相应的门电路，即可达到控制交通灯的目的。
译码
计数
秒信号产生
→→→→驱动共阳七段数码管显示
时基电路、主控电路
计数
译码
↓
→→→控制信号灯亮
图3-2方案二系统框图
交通灯逻辑：
NSR（红1）=Y2+Y3
EWG（绿2）=Y2
EWY（黄2）=Y3
EWR（红2）=Y0+Y1
NSG（绿1）=Y0
NSY（黄1）=Y1
3.2方案比较:
方案一采用的是基本数字电路，原理比较简单，且其原理和所使用器件都是我们在数字电子技术课程中所学过的，但是此方案也有1个大的缺陷：
它对两路时间对称的系统容易实现，但对设计要求的两路时间不对称的系统较难实现，如果要实现两路时间不对称的控制就要多加控制信号，这样实现就很麻烦，且条理不清。
方案二采用的也是数字电子技术中所学的基本原理与芯片，具有方案二的全部优点，且其设计思路清晰，只是简单的计数，译码再通过逻辑门电路对其进行控制。
最大的优点是各部分电路是相互独立的，即可以采用分开接线，分开测试的方法，方便检查线路，当各部分电路检测输出无误后再将各部分连接成整体。
对实际检验校对很有帮助，且此电路能较方便地实现对控制时间的倒计时。
3.3方案选择:
综上分析，此设计方案选择方案二，其原理简单，便于连线，便于调试，且容易实现与灯控制信号同步的计时功能
4.过程论述
4.1秒脉冲电路
555定时器构成的秒信号发生器,使其产生需要的方波作为计数器的CLK脉冲,
图4-1秒脉冲信号原理图
由于电路对脉冲的精确度要求不是很高而晶体振荡需要分频,所以采用555定时器构成的秒脉冲信号。
由555构成的多谐振荡器产生5V,1Hz时钟信号:
由公式1.43/[（R1+2R2）C]=f和实际情况取得R1=47KΩ,R2=47KΩ,C1=10μF,C2=0.01μF.
信号发生器原理图如下图所示，它是由555定时器构成的多谐振荡器，电源接通瞬间，电容充电，当电容C473充电到两端电压为2/3的Vcc时，触发器复位，Vo为低电平，电容C473放电，，当两端电压下降到1/3的Vcc时，触发器又被复位，Vo翻转为高电平。
从而使信号发生器产生方波信号。
555定时器它是一种时基电路，它是一种应用极为广泛的中规模集成电路。
该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。
因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。
由于555内部的比较器灵敏度较高,而且采用差分电路方式,他的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。
以下是555定时器的原理图和引脚图：
图4-2555计时器的管脚图
4.2主控电路
交通灯态序分析：
（1）主车道绿灯亮，支车道红灯亮。
表示主车道上的车辆允许通行，支车道禁止通行。
绿灯亮足规定的时间隔45秒时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。
（2）主车道黄灯亮，支车道红灯亮。
表示主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，支车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。
（3）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。
表示主车道禁止通行，支车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。
（4）主车道红灯亮，支车道黄灯亮。
表示主车道禁止通行，支车道上位过县停车线的车辆停止通行，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5秒时，控制器发出状态转换信号，系统又转换到第
（1）种工作状态。
交通指示灯以上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000、001、010、011，并分别用S0、S1、S2、S3表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示，控制器应送出主、支车道红、黄、绿灯的控制信号。
表4-1车道运行状态表
态序
主干道
支道
时间/秒
S0
绿灯亮通车
红灯亮停
45
S1
黄灯亮停
红灯亮停
5
S3
红灯亮停
绿灯亮通车
25
S4
红灯亮停
黄灯亮停
5
红黄绿
红黄绿
译码驱动电路
主控电路
45秒定时、显示
25秒定时、显示
5秒定时、显示
时基电路
主道支道
图4-3主控状态转换图
由上述状态转换可得用标号U01的74LS160构成同步置零的4进制计数器，表示信号灯的四种状态：
图4-474LS160管脚图
管脚图介绍：
时钟CP和四个数据输入端P0~P3
清零/MR
使能CEP，CET
置数PE
数据输出端Q0~Q3
以及进位输出TC.（TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET）
表4-274LS160真值表
输入
输出
CR
CP
LD
EP
ET
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
0
0
0
0
1
↑
0
Ф
Ф
d
c
b
a
d
c
b
a
1
↑
1
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
Ф
0
Ф
Ф
Ф
Ф
Q3
Q2
Q1
Q0
1
↑
1
1
1
Ф
Ф
Ф
Ф
状态码加1
4.3定时电路
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。
计数器选用集成电路74ls160进行设计较简便。
74LS161是4位二进制同步计数器，它具有异步清零、同步置数的功能。
（1）5S定时：
555时基电路发送单位脉冲给标号U05的74LS160计数器完成计数的功能，同时U05的清零信号的发出信号给主控电路，从而改变其状态，此时主控电路再通过译码改变亮灯信号，主控电路同时反馈信号给定时电路，至使其进入下一计数状态。
（2）25S定时：
25S定时由图中标号U05的计数器完成，当加到25时,U05自动清零，且U03的发出清零信号发出信号给主控电路，同上5S显示，最终进入下一计数状态。
（3）45S定时：
定时由图中标号U05计数器完成，工作原理同上25S定时显示。
图4-5定时电路原理图
4.4译码显示电路
译码器采用实验室最常用的74ls139三线八线译码器，门电路主要用到4二输入与非门74ls00，3三输入与非门74ls12,6输入非门74ls04。
图4-6输出部分电路图
4.5计数译码显示部分
4.5.1计数部分
根据设计要求计时要能实现45→5→25→5→45的可循环计时，计时时间交替变化。
根据这一要求我们想的办法是用两片十进制计数器级联组成100进制加法计数器，开始的时候让此计数器从0开始计数，计到45时，此时利用此计数器的置数功能转数到0,让它从0开始一直到5再回到0，再加到25，回到0加到5再回到45重复以上过程。
这样我们就得到了循环的计时时间段，完成计时显示。
4.5.2显示电路
用7448来实现，7448是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的8421BCD码—七段显示译码器。
图4-7显示电路
七段显示器主要有荧光数码管和半导体显示器、液晶数码显示器。
半导体（发光二极管）显示器是数字电路中比较方便使用的显示器。
它有共阳极和共阴极两种接法，如图所示。
5.调试
调试时要注意先单个调试，最好是焊好一个调一个，以免整体调试会发生烧坏元器件，同时要注意输入输出关系，测试实验值与计算值是否一致.本设计的巧妙之处就在于能够分级调试，首先调试555产生的秒信号，再对观察是否够得到我们所需要的1秒。
调试74ls160观察是否能够达到我们的要求即实现计数。
观察74LS139的输入与输出是否与真值表一致。
七段数码管的调试，用万用表先测量元器件的好坏，在与7448和计数电路，秒脉冲连接，看是否正常显示。
如果每一个小环节都能正常工作我就可以把它们都连接起来，观察两个大的部分能否各自正常工作，即灯的控制是否和预期一致，显示能否正常进行。
最后校对两部分，即灯与计时，观察其是否能达到同步。
将个部分相连后，接入四种状态需要的输入，进行调试，结果如下：
Ｓ０状态，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，显示４５秒
Ｓ１状态，主干道黄灯亮，支干道红灯亮，显示5秒
Ｓ２状态，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，显示25秒
Ｓ３状态，主干道红灯亮，支干道黄灯亮，显示5秒
6.设计总结
在焊接时，要注意各引脚的作用，不能焊错，也要注意因为相邻两个焊口间距较小，要随时用万用表测一下是否短路。
焊接时，把各元器件从插座上拔下，以免电烙铁加热时将元器件烧坏，要保证各接口都接触稳定。
调试时要注意先单个调试，最好是焊好一个调一个，以免整体调试会发生烧坏元器件，同时要注意输入输出关系，测试实验值与计算值是否一致。
通过这次课程设计，我对数字电子技术基础这门课程由了进一步地理解，尤其对本设计所涉及的原理、器件、功能实现上有了更深地认识，掌握了由555定时器构成所需频率脉冲发生器的方法，熟悉了由真值表列表达式设计实现电路的过程，并对利用计数器实现特定要求进制的减计数及其预置数的方法、译码及驱动显示的连线方法由了更深入的体会，并借此机会了解了用计算机绘电路图的方法。
更为重要的是掌握了由一个特定问题出发，分析、设计电路的思想方法，培养了解决问题的能力，这将会在我未来的学习工作中带来很大的帮助。
本次课程设计也锻炼了我们的实践动手能力，提高了自己学习的主动性和自主性，学会了在老师略微指导下自己独立完成一段学习的满足感，感受到了大学中忙碌的充实感，为以后的毕业设计打下基础
附录1：
元器件清单
序号
名称
规格
数量
1
电解电容
50V\10u
1个
2
电容
103
1个
3
555
1个
4
电阻
47K
2个
5
电阻
200
20个
6
74LS160N
3个
7
74LS139N
1个
8
74LS00N
1个
9
74LS04N
1个
10
74LS1N
1个
11
七段数码管
共阴
2个
12
发光二级管
Vf=1.83V@20mA
6个
13
74LS153
1个
14
7448
2
16针插座
6
8针插座
2
焊锡丝
若干
导线
若干
通用板
1
14针插座
3
参考文献
1.阎石.数字电子技术基础（第五版）.高等教育出版社，2006.
2.康光华主编.《电子技术基础》.高教出版社出版.第四版.1999年
电子电工实验室可以提供的主要仪器设备：
示波器 型号规格VP-5220、电子学习机 型号规格WL-V、万用表 MF10；以及分立元件、或中规模集成芯片。
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