交通信号灯控制系统数电课程设计.docx

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交通信号灯控制系统数电课程设计

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农业大学

电子技术综合训练

交通信号灯控制系统

院部jxydzgcxy

专业班级dqgcjqzdh

学生vtmcjq

学号20160000

指导教师侯加林、观山

装

订

线

……………….…….………….………….………

摘要2

关键字2

设计要求2

系统概述3

交通灯逻辑分析3

（1）系统组成3

（2）逻辑分析4

方案设计6

（1）定时器的设计6

（2）控制器的设计7

电路图9

交通灯控制系统

曹俊强

摘要：

交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。

交通灯控制器主要由控制器、秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路及信号灯组成。

控制器由74LS153与74LS74来实现，脉冲发生器用晶体震荡器产生，计数器采用两个74161来实现，显示电路经过74LS192的倒计数、七段显示译码器7447及七段数码显示器连接起来实现。

控制器通过RT对定时器进行控制，从而实现数字的显示及绿、黄、红灯的转换。

关键字：

交通灯、控制器、脉冲发生器、定时器、译码显示、状态转换、主支干道。

设计要求：

设计一个主干道和支干道十字路口的交通信号灯控制电路，其技术要求如下：

1.一般情况下，保持主干道畅通，主干道绿灯亮、支干道红灯亮，并且主干道绿灯亮的时间不得少于60秒；

2.当主干道绿灯亮超过60秒且支干道有车时，主干道红灯亮、支干道绿灯亮，但支干道绿灯亮的时间不得超过30秒；

3.每次主干道或支干道绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒。

i.系统概述：

本设计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。

本实验设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。

系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器、信号灯显示器五大部分组成。

其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号，通过定时器向控制器发出三种定时信号，使相应的发光二极管发光。

译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，分别产生三种倒计时时间显示，控制器根据定时器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。

ii.交通灯逻辑分析

（1）系统组成：

系统由控制单元和处理单元组成，控制单元接收外部系统时钟和传感器信号。

处理单元由定时器和译码器组成。

定时器能向控制单元发出60s、30s或5s定时信号，译码显示电路在控制单元的控制下，改变交通灯信号。

HG、HY、HR分别表示主干道绿、黄、红三色灯。

FG、FY、FR分别表示支干道绿、黄、红三色灯。

交通灯系统工作有三个不同的时间段，TL，TS和TY

交通灯系统框图

上图表示位于主干道和支干道的十字路口交通灯控制系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，绿灯表示允许车辆通行，红灯表示禁止通行，黄灯为过渡灯，表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。

系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器组成。

其中控制器是核心部分，由它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，译码器输出两路信号灯的控制信号。

（2）逻辑分析：

图中TL、TS、TY为定时器的输出信号，ST为控制器的输出信号。

HG、HY、HR分别表示主干道绿、黄、红三色灯，FG、FY、FR分别表示支干道绿、黄、红三色灯。

当某车道绿灯亮时，允许车辆通行，同时定时器开始计时，当达到指定时间时，TL输出为１，否则TL输出为０；

当某车道黄灯亮后，定时器开始计时，当计时到５秒时，TY输出为１，否则TY＝０；

当某车道红灯亮时，定时器开始计时，当计时到指定时间时，TS输出为１，否则TS＝０。

因此，用定时器分别产生三个时间间隔后，向控制器发出“时间已到”的信号，控制器根据定时器的信号，决定是否进行状态转换。

如果肯定，则控制器发出状态转换信号ST，定时器开始清零，准备重新计时。

交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S0、S1、S2、S3表示。

S0状态：

主干道绿灯亮，支干道红灯亮，此时主干道允许车辆通行，主干道禁止车辆通行。

当主干道绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。

S1状态：

主干道黄灯亮，主干道红灯亮，此时主干道允许超过停车线的车辆继续通行，而未超过停车线的车辆禁止通行，支干道禁止车辆通行。

当主干道黄灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。

S2状态：

主干道红灯亮，支干道绿灯亮。

此时主干道禁止车辆通行，支干道允许车辆通行，当支干道绿灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。

S3状态：

支干道红灯亮，支干道黄灯亮。

此时主干道禁止车辆通行，支干道允许超过停车线的车辆通行，而未超过停车线的车辆禁止通行。

当支干道红灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态------S0状态。

S0、S1、S2、S3状态分别分配状态编码为00、01、11、10，由此得到控制器的状态，如表1，表2所示。

状态

主干道

支干道

时间（s）

绿灯亮，允许通行

红灯亮，禁止通行

黄灯亮，停车

红灯亮，禁止通行

绿灯亮，允许通行

红灯亮，禁止通行

黄灯亮，，停车

画出控制器的状态转换图，其中TL、 TS、TY为控制器的输入信号，ST为控制器的输出信号。

iii.方案设计：

本设计中由于用秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度会影响计数器的精度，进而影响控制系统的精度，因此要求秒脉冲信号具有比较高的精度，为提高精度可先做一个频率比较高的矩形波振荡器，然后将其输出信号分频，就可以得到频率较低而精度比较高的脉冲信号发生器。

用石英晶体构成秒脉冲信号发生器不需要外加输入信号，而且其脉冲频率很稳定，起振快、时基精度高，它的工作频率仅决定于石英晶体的振荡频率，而与电路中的R、C的数值无关。

综上考虑，在实际应用中秒脉冲信号发生器的设计选用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器。

定时器的设计：

定时器由计数器构成。

该计数器与系统时钟同步（由时钟脉冲产生器提供）同步，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST作用下，计数器从零开始计数。

并向控制单元提供模M5、M30和M60信号，即TY，TS和TL三个不同的持续时间信号。

计数器工作在M60状态，并且当计数到4和29时，也给出TY和TS信号。

但此时系统处于S0状态，控制单元只检测TL信号而不响应TY、TS信号。

当系统处于S0状态，为满足主干道绿灯亮，支干道红灯亮的持续时间TL>=60s,所以要将M60的输出端反馈到计数器的使能端EN，使它计数到59时停止计数，并保持在M=60的状态直到支干道有车要通过时，才转换到S1状态。

要求定时器在状态转换信号ST的作用下，首先清零，然后开始计数。

控制器的设计：

列出状态转换表，如下表所示。

表2控制器的状态转换表

输入

输出

现态

符号

现态

状态转换条件

次态

状态转换信号

Q1nQ0n

TL.S

Q1n+1Q0n+1

选用两个触发器作为时序寄存器产生四种状态，控制器的转换条件为TL、TY及TS，当控制器处于Q1nQ0n=00状态时，如果TL=0，则控制器保持在00状态；如果TL=1，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1=01状态。

这两种情况与条件TY和TS无关，所以无关项用“×”表示。

其余情况依次类推，同时列出状态转换信号ST。

根据表2，将Q1n+1、Q0n+1和ST为1的项所对应的输入和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，可以推出状态方程和转换方程如下：

用四选一数据选择器和D触发器实现，设A1A0=Q1nQ0n，其他变量通过数据输入端输入。

数据选择器用74LS153，触发器用74LS74。

设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将TL、 TS、TY看作输入信号，按照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输入端信号可以根据状态方程和转换图得出。

交通灯控制电路图

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