朱红岩30交通灯控制器.docx

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朱红岩30交通灯控制器

数字电子技术课程设计

交通灯控制器

专业：

电气工程及其自动化

班级：

06—2

姓名：

朱红岩

学号：

320608030230

交通灯控制器设计

一．设计的任务目的及要求

1．设计的任务

设计一个十字路口交通灯控制器。

2．设计的目的

1通过完成设计任务，掌握实际问题的逻辑分析，学会对实际问题进行逻辑状态分配及化简。

2掌握一个数字系统问题的控制电路设计要求及信号之间的配合。

3掌握数字电路各分部电路与总体电路的设计，调试及模拟仿真方法。

4掌握一个较复杂电路在实现时，出现问题时分析电路与解决方法；学会模块化，层次化进行电路设计的方法。

3基本要求

由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为了确保车辆安全，迅速地通行，在交叉路口的每个路口处设置了红，绿，黄三色信号灯。

红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行，黄灯亮提醒司机将行驶中的车辆停靠在禁行线之外。

1主，支干道交替通行，主干道每次放行45秒，支干道放行25秒。

2每次绿灯变成红灯时，黄灯亮5秒（此时另一干道上的红灯不变）。

3十字路口要有数字显示，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。

具体要求主，支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒作为单位，倒计时方式。

二．交通灯控制电路原理及系统框图

交通灯控制路由控制器，定时器，分频器，秒脉冲发生器等部分组成。

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。

用G1,Y1,R1分别代表主干道绿，黄，红三个灯，G2,Y2,R2分别代表次干道绿，黄，红三个灯。

其原理框图如图1。

TL：

表示主干道绿灯亮的时间为45s，支干道绿灯亮的时间为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。

由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

1、图1中主干道绿灯亮，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。

绿灯亮满规定时间间隔TL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，支干道红灯亮。

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，支干道黄灯亮,表示主干道禁止通行，支干道上车辆允许通过，绿灯亮满规定时间的间隔TL时,控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

4、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通行。

黄灯亮满规定的时间间隔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0、1、3、2表示，则控制器的工作状态及功能如表1所示，控制器应送出主干、支干道红、黄、绿、灯的控制信号，为简便起见，把灯代号和灯的驱动信号合二唯一。

表1

控制状态

信号灯状态

车道运行状态

S0（00）

主干道绿灯亮

次干道红，主干道通行，次干道禁止通行

S1（01）

主干道黄灯亮

主干道红，主干道缓行，次干道禁止通行

S3（11）

主干道红灯亮，次干道绿灯亮

主干道禁止通行

AG=1

主干道绿灯亮

BG=1

次干道绿灯亮

AY=1

主干道黄灯亮

BY=1

次干道黄灯亮

AR=1

主干道红灯亮

BY=1

次干道红灯亮

三、单元电路的设计

1、秒脉冲发生器

秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R6、C2的电阻植决定了脉冲宽度。

如图2所示，R6、C2组成一个串联RC充放电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C2上得到一个三角波。

此三角波送到NE555的2脚输入端。

由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。

2、定时器

定时器由与系统脉冲的计数器构成，从系统脉冲得到标准的1Hz频率信号，当脉冲上升沿到来时，在控制信号的作用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供模5的定时信号T1、模25的定时信号T2和模45的定时信号T3。

计数器选用集成电路74LS163进行设计。

74LS163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。

其功能表如表2所示。

表2

输入

输出

CTp

CPt

↑

计数

↑

保持

3.分频器设计

因为系统要求的时钟周期为4s.故只需要把秒脉冲信号进行四分频，在此选用双D触发器CD4013来完成。

图3中，SR是低电平有效的同步清零输入端，LD是低电平有效才同步并行置数控制端，CEP、CET是计数状态选择端，TC是进位输出端，P0~P3是并行数据输出端，Q0~Q3是数据输出端。

其工作原理为：

由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CP分别送给两个74LS163的清零端2处。

如图3所示：

输入端3、4、5、6分别接地。

U1的7脚和10脚与U2的15脚相连。

即只有当脚15处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲同时和U3A中的2下作用产生脉冲。

74LS00在ST中12、13共同作用下将信号11分别送给U1和U2的SR。

可以得到T1和T1非是秒脉冲的4倍；T2和T2非的结果是秒脉冲的24倍；T3和T3非是秒脉冲的44倍。

但我们通常表示指示灯的显示时间，都考虑将计数器改为减法计数器，当控制信号脉冲上升沿到来时，计数器从44开始减法计数，直到减为0，这样可以显示45s时间，如此类推，也可提供模5、模25分别显示5s、25s的亮灯信号。

其减数计数显示设计过程如计数器显示部分。

4.控制器设计

控制器部分由74LA164组成环形计数器，然后经译码后，输出十字路口南北，东西两个方向的控制信号。

即利用74LS164串形输入并行输出移位寄存器构成环形计数器和附加其他基本们电路组成。

根据交通灯的控制要求和原理规则，控制器的真值表如表3所列。

对于信号灯的状态，“1”表示信号灯亮，“0”表示信号灯灭。

根据真值表可以写出主干道，次干道方向上各个灯的控制信号逻辑表达式：

由上述逻辑表达式可以画出交通灯状态控制器的电路如图4所示。

设74LA164的初始状态为Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7=00000000，在第一个CP脉中到来之前，74LS164的输入端A、B为高电平，CP脉冲到来之后Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7=10000000,G1、R2为高电平，即主干道绿灯和次干道红灯亮，在第二个CP脉冲到来之后，74LS16的输出为11000000，以此类推，其规律正好满足真值表中的要求。

表3

5、计数器显示部分

十字路口要有数子显示，作为倒记时提示，以便人们更直观地把握时间。

具体为：

当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1，计数方式工作，直至减到数为“5”和“0”，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。

在倒计时过程中计数器还向译码器提供模5的定时信号T5和模0的定时信号T0。

倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。

计数器选用集成电路74190进行设计。

74190是十进制同步可逆计数器，它有异步并行置数功能、保持功能。

74190没有专用的清零输入端，但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能。

其功能表如表4。

74LS190的状态表（表四）

CTEN

D/V

CLK

LOAD

POS

倒计数

POS

倒计数

现选用两个74190心片，其中作为个位数的74190心片的CLK接秒脉冲发生器（频率为1Hz），在把个位数74190心片输出端的QA、QD用一个与门连起来，再接在十位数74190心片的CLK端。

当个位减到0时，再减到1就会变成9，0（0000）和9（1001）之间的QA、QD同时由0变为1，把QA、QD用与门连起来，接在十位数的CLK端，此时会给十位数74190心片一个脉冲数字减1，相当于借位。

信号LD由两个心片的8个输出端用或门连起来，决定倒计时是置数，还是计数。

工作开始倒计时，LD为0，计数器预置数，置完数后，LD变此时T0给译码器一个脉冲，使信为1，计数器开始倒计时。

当倒计时减到数00时，LD又变为0，计数器又预置数，之后又倒计时，如此循环下去。

向译码器提供模5的定时信号T5和模0的定时信号T0：

T0表示倒计时减到数“00”（也即绿灯的预置时间，因为到00时，计数器重新置数）。

T0=1，号

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