交通灯控制逻辑电路设计.docx

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交通灯控制逻辑电路设计

黑龙江工业学院

数字电子技术课程设计报告

院系：

电气与信息工程系

专业班级：

14 电气本八

姓名：

耿振

学号：

04991408005

指导教师：

黄睿

报告成绩：

1.设计目的

为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，往往都采用自动控制的交通信

号灯来进行指挥。

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。

设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上

的车辆交替运行，每次通行时间都设为 25 秒；要求黄灯先亮 5 秒，才能变换运

行车道；黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次

2.设计任务要求

要求东西方向的红、黄、绿灯和南北方向的红、黄、绿灯按照上面的工作时

序进行工作，黄灯亮时应为闪烁状态；

1）南北和东西车辆交替进行，各通行时间 24 秒

2）每次绿灯变红灯时，黄灯先闪烁 4 秒，才可以变换运行方向

3）十字路口要有数字显示作为时间提示，以倒计时按照时序要求进行显示；

4）可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀状态（选作：

通行时间和黄灯闪亮

时间可以在 0-99 秒内任意设）

3.设计方案选取与论证

依据功能要求，交通灯控制系统应主要由秒脉冲信号发生器、倒计时计数器

电路和信号灯转换器组成，原理框图如图 1 所示。

秒脉冲信号发生器是该系统中

倒计时计数电路和黄灯闪烁点控制电路的标准时钟信号源。

倒计时计数器输出两

组驱动信号 T5 和 T0，分别为黄灯闪烁和变换为红灯的控制信号，这两个信号经

信号灯转换器控制信号灯工作。

倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信

号灯转换器的工作。

白天工作模式

GYR

秒脉冲

发生器

倒计时

计数器

信号灯转

换器

夜间工作模式

交通信号灯的逻辑框图

（1）白天工作模式

G Y R

南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，各 20 秒。

南北方向黄灯闪亮 4 秒，东西方向红灯亮 4 秒。

信号指示灯白天工作流程图

南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，各 20 秒。

南北方向红灯亮 4 秒，东西方向黄灯闪亮 4 秒。

（2）夜晚工作模式

东西南北各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮。

因此总设计图如下

图所示：

东西信号灯南北信号灯

系

分频器产生电路

组合逻辑电路

总

计数器设计图

工作方式控制开关

秒脉冲

统

电

源

秒脉冲产生电路

秒脉冲产生电路的功能是产生标准秒脉冲信号，主要由振荡器和分频器组

成。

振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的进度决定了计时器的准确

度，可由石英晶体振荡电路或 555 定时器与 RC 组成的多谐振荡器构成。

一般来

说，振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大，故在设计时，一

定根据需要设计出最佳电路。

石英晶体振荡器具有频率准确、振荡稳定、温度系

数小的特点，但如果精度要求不高的时候可以采用 555 构成的多谐振荡器。

振荡周期与频率的计算公式为：

T=（R +2R ）Cln2=0.7（R +2R ）C, 电源电压为

1212

Vcc=12V，其中电路图中 C 的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计

中要求输出 T=1S，选取电容为 C=10nF，R =28.86MΩ，根据振荡周期计算，选择

电阻 R =57.72MΩ。

用 multisim 进行仿真，仿真图如图所示：

VDD

12V

VDD

28.86M

57.72M

RST

DIS

THR

TRI

CON

VCC

GND

OUT 64

100

10nF

555_VIRTUAL

Timer

555 构成的多谐振荡器

此电路就可以产生脉冲频率为 1 赫兹的脉冲。

以下对 555 定时器进行简介：

NE555 是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，

在很多电子产品中都有应用。

NE555 的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其

他的电路提供时序脉冲。

555 定时器内部逻辑电路

信号灯转化器

信号灯状态与车道运行状态如下：

S0:

东西方向车道的绿灯亮，车道通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止

通行；

S1:

东西方向车道的黄灯亮，车道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止

通行；

S2:

东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道

通行；

S3：

东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道

缓行。

用以下 6 个符号来分别代表东西（A）、南北（B）方向上个灯的状态：

GA=1:

东西方向车道绿灯亮；

YA=1：

东西方向车道黄灯亮；

RA=1：

东西方向车道红灯亮；

GB=1：

南北方向车道绿灯亮；

YB=1：

南北方向车道黄灯亮；

RB=1：

南北方向车道红灯亮。

实现信号灯的转换有多种方法，现采用比较典型的方法进行设计，实现信号

灯的转换工作。

若选用 JK 触发器，则原理如下。

JK 触发器

设状态编码为 S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其输出为 Q1，Q2，则其与信号灯

状态关系如表 3—1 所示。

状态编码与信号灯关系表

现态次态

Q0Q0*

输出

GA YA RA

Q1*

GB YB RB

00100

1 0 0 1

01010

11001

1 0 0

10001

0 1 0

可以得出信号灯状态的逻辑表达式：

GA =Q1’Q0’YA =Q1’Q0RA =Q1

GB =Q1Q0YB =Q1Q0’RB=Q1’

JK 触发器的输出状态是与 J 输入端的状态相同的，同时分析表 3-1，触发器

0 的现态与触发器 1 的次态相同，触发器 1 的现态与触发器 0 的次态相反，因此

可以将触发器 0 的输出端 Q、Q’（现态）分别接触发器 1 的 J、K 输入端（次态），

触发器 1 的输出端 Q、Q’（现态）分别接触发器 0 的 K、J 端（次态），取触发

器 0 为、触发器 1 为，连接后的电路如下图所示：

Ga1

Ya1

Ra1

2.5 V

VCC

J95V2

°´¼ü = SpaceGND

VCC

U26A

7408N

U19A

7408N

U14B

7408N

GND

5k¦¸

U15A

7432N

VCC

U13A

22 1

VCC

7404N

U1A

U1B

1CLK

2CLK

~1Q

~2Q

~1CLR

~2CLR

U4C

12 7

13 10

7473N 7473N

U2A

7408N

U2B

7408N

40 U2C

7408N

U2D

Gb1

U14A

7408N

U16A

2.5 V

U4B

7408N

Rb1

2.5 V

U17B

7408N

Yb1

2.5 V

U18A

7408N

VDD

12V

VDD

28.86M¦¸

57.72M¦¸

RST

DIS

THR

TRI

CON

VCC

OUT

GND

100¦¸

7432N

555_VIRTUAL

7408N

6 10nF

10nF

Timer

JK 触发器连接的电路

倒计时计数器

十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们更直观的把握时间。

具体

工作方式为：

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，直至减到数位“4”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信号灯转换

器供模 4 的定时信号 T4 和模 0 的定时信号 T0，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红

灯的变换。

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。

根据要求，采用两片 74190 芯片构成计数器，因为 74190 是十进制同步可逆

计数器，它具有异步并行置数功能、保持功能。

采用两片 74190 芯片可设计成

00～99 的百进制计数器，再根据线路连接的改变将其连接成 24 进制计数器。

74190 没有专用的清零输入端，但可以借助 QD、QC、 QB、 QA 的输出数据

间接实现清零功能。

其功能表如下图所示：

表 3-2 74190 的功能表

CTEN

D/U

CLK LOAD A B C D QA QB QC

⨯

⨯ ⨯ ⨯

⨯ ⨯

⨯

B C

⨯⨯⨯⨯

011减计数

001加计数

⨯ ⨯ 1

⨯

⨯ ⨯ ⨯

0 0

要实现 24s 的倒计时，需选用两个 74190 芯片级联成一个从 99 到 00 的计数

器，其中作为个位数的 74190 芯片的 CLK 接秒脉冲发生器，再把个位数 74190 芯

片输出端 QD 用一个与门连起来，再接在十位数 74190 芯片的 CLK 端。

当个位数

减到 0 时，再减 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 起来接在十位数 74190 芯片的 CLK 端，此时会给十位数 74190

芯片一个脉冲数字减 1，相当于借位。

则又 74190 芯片的功能性质可知，当个位

数 74190 的 C 管脚和十位数 74190 的 B 管脚同时置 1，CTEN 端接低电频，加/减

计数控制端 D/U 接高电频实现减计数，预置端 LOAD 接高电频时计数，接低电频

时预置数。

因此，工作开始时，LOAD 为 0，计数器预置数，置完数后，LOAD 变

为 1，计数器开始倒计时，当倒计时减为 00 时，LOAD 又变为 0，计数器又预置

数，如此循环下去。

则连接后的电路如下图所示：

U7U5U23U24

DCD_HEX_YELLOWDCD_HEX_YELLOWDCD_HEX_DIG_REDDCD_HEX_DIG_RED

14 15 16

58 57

U25A

U10A

VCC

7404N

U8A 18

U8B

74LS21N

4002BD_5V U6

4002BD_5V

U4D

A QA

B QB

C QC

D QD

~CTEN

~LOAD

~U/D ~RCO

MAX/MIN

CLK

A QA

B QB

C QC

D QD

~CTEN

~LOAD

~U/D ~RCO

MAX/MIN

CLK

U9A

7400N

7408N

74190N 30

74190N

U11A

4001BD_5V

2726

36353433

U4A

7408N

U12A

7432N

J1J2J3

VCC

J4 J5 J6 J7 J8

倒计时计数器电路

倒计时计数器与信号灯转化器的连接

倒计时计数器向信号灯转换器提供定时信号 T4 和定时信号 T0 以实现信号灯的转

换。

TO 表示倒计时减到数“00”时（即绿灯的预置时间，因为到“00”时，计

数器重新置数），此时给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向

的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。

接法为：

把个位、十位计数器的输出端 QA、

QB、QC、QD 分别用一个 4 输入或非门连起来，再把这两个 4 输入或非门的输出

用一个与门连起来。

T4 表示倒计时减到数“04”时，给信号灯转换器一个脉冲，

使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯不变。

接法为：

当减到数为“04”（0000

0100）时，把十位计数器的输出端 QA、QB、QC、QD 用一个 4 输入或非门连起来，

个位计数器的输出端 QB、QD 用一个两输入或非门连起来，再把这两个或非门与

个位计数器的的输出端 QA、QC’用一个 4 输入与门连接起来。

最后将 T4 和 T0

两个定时信号用或门连接接入信号灯转换器的时钟端。

则连接图如下图所示：

U7U5U23U24

DCD_HEX_YELLOWDCD_HEX_YELLOWDCD_HEX_DIG_REDDCD_HEX_DIG_RED

14 15 16

58 57

U25A

U10A

VCC

7404N

U8A 18

U8B

74LS21N

4002BD_5V U6

4002BD_5V

U4D

A QA

B QB

C QC

D QD

~CTEN

~LOAD

~U/D ~RCO

MAX/MIN

CLK

A QA

B QB

C QC

D QD

~CTEN

~LOAD

~U/D ~RCO

MAX/MIN

CLK

U9A

7400N

7408N

74190N 30

74190N

U11A

4001BD_5V

2726

36353433

U4A

7408N

U12A

7432N

J1J2J3

J4 J5 J6 J7 J8

VCC

Ga1

Ya1

Ra1

2.5 V

VCC

J95V2

°´¼ü = SpaceGND

VCC

U26A

7408N

U19A

7408N

U14B

7408N

GND

5k¦¸

U15A

7432N

VCC

U13A

22 1

VCC 7404N

U2A

U4B

7408N

1CLK

2CLK

~1Q

~2Q

~1CLR

~2CLR

U1A U1B

12 7

13 10

7473N 7473N

7408N

U2B

7408N

40 U2C

7408N

Gb1

U14A

7408N

U16A

2.5 V

Rb1

2.5 V

U17B

Yb1

2.5 V

U18A

7408N

U2D

U4C

7408N

7432N

7408N

交通灯信号控制器电路图

黄灯闪烁控制

要求黄灯为闪烁状态，即黄灯 0.5 秒亮，0.5 秒灭，故用一个频率为 1 赫兹

的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接至黄灯。

在 3.1.1 中已用 555 定时

器连接成了频率为 1 赫兹的多谐振荡器。

白天夜间模式的转换

根据任务书的要求，要用一个手动开关来控制白天模式与晚上模式的改变。

由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出，白天与夜间模式

的转换由单刀双掷开关与与门或或门控制。

当开关接上边时为白天工作模式，开

关接地时为夜晚工作模式。

则电路连接如下图 3-5 所示：

VCC

°´¼ü = SpaceGND

GND

VCC

5k¦¸

白天夜间的切换开关

在实际生活中，手动开关电路毕竟不方便，因此实际应用中可设计自动开关

电路。

用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测

电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电

平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自

动转换开关。

这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。

第二天

天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。

在本次课程设计中选择使用

手动切换白天与夜晚模式的选择。

四.仿真过程及仿真结果

白天工作模式

交通灯从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：

如南北方向绿灯亮时，东

西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西

方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。

信号灯采用红、绿、黄发光

二灯模拟。

在实际电路中，开关 J2 和 J7 闭合，使个位 74190 的 C 管脚接高电平，A、B、

D 接低电平；十位 74190 的 B 管脚接高电平，A、C、D 接低电平，并且白天夜间

的切换开关不接地。

计数器的开关如下图所示：

J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8

置数法的开关连接方法

白天的工作状态结果如下图 3-7 所示：

U7U5U23U24

DCD_HEX_YELLOWDCD_HEX_YELLOWDCD_HEX_DIG_REDDCD_HEX_DIG_RED

VCC

14 15 16

17 58 57

U25A

7404N

U10A

U8A 18 U8B

74LS21N

4002BD_5V U6

4002BD_5V

U4D

A QA

B QB

C QC

D QD

~CTEN

~LOAD

~RCO

~U/DMAX/MIN

CLK

A QA

B QB

C QC

D QD

~CTEN

~LOAD

~RCO

~U/DMAX/MIN

CLK

U9A

7400N

7408N

74190N 30

74190N

U11A

4001BD_5V

VDD

12V

2726

36353433

U4A

VDD

7408N

28.86M¦¸

VCC

64 0

U12A

RST

DIS

OUT

57.72M¦¸

THR

TRI

CON

GND

100¦¸

J1 J2 J3

VCC

J4 J5 J6 J7 J8

Ga1

Ya1

Ra1

7432N

555_VIRTUAL

10nF

Timer

2.5 V

VCC

0 J9 5V

°´¼ü = SpaceGND

VCC

U26A

7408N

U19A

7408N

U14B

7408N

GND

5k¦¸

U15A

7432N

VCC

U13A

22 1

VCC 7404N

1J1CLK

2J2CLK

~1Q

~2Q

~1CLR

~2CLR

U4C

U1A U1B

12 7

13 10

7473N 7473N

U2A

7408N

U2B

7408N

40 U2C

7408N

U2D

Gb1

U14A

7408N

U16A

2.5 V

U4B

7408N

Rb1

2.5 V

U17B

7408N

Yb1

2.5 V

U18A

7408N

VDD

12V

VDD

28.86M¦¸

57.72M¦¸

RST

DIS

THR

TRI

CON

VCC

OUT

GND

100¦¸

7432N

555_VIRTUAL

7408N

7 6

10nF

Timer

白天工作状态

夜间工作模式

南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次

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