交通灯控制电路.docx
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交通灯控制电路
数字电子课程设计
（交通灯控制电路）
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目录
一、课程设计目的……3
二、电路原理……3
三、设计原理与电路图……3
四、实验仪器设备……9
五、课程设计总结……10
一、课程设计目的
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合实验阐述了交通灯控制系统的工作原理，设计出一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。
二、电路原理
交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。
随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。
俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。
作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。
随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。
人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。
城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。
随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。
然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。
而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。
以下就交通灯控制系统的电路原理、设计和实验调试等问题来进行具体分析讨论。
三、设计原理与电路图
1．分析系统的逻辑功能，画出电路图
交通灯控制系统的原理框图如图1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：
表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25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1交通灯控制系统的原理框图
图2交通灯控制器的ASM
（1）图甲车道绿灯亮，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）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，乙车道禁止通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转换到下一工作状态。
（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时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转换到下一工作状态。
（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。
表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行。
黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，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。
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1表示。
控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。
为简便起见，把灯的代码和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
表1控制器工作状态及功能
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（11）
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
AG=1，甲车道绿灯亮
BG=1，乙车道绿灯亮
AY=1，甲车道黄灯亮
BY=1，乙车道黄灯亮
AR=1，甲车道红灯亮
BR=1，乙车道红灯亮
由此得到交通灯的ASM图如图2所示。
设控制器的初始状态为S0，当S0的持续时间小于25秒时，TL=0，控制器保持S0不变。
只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST，并转换到下一个工作状态，以此类推可解ASM图所表达的含义。
2．单元电路的设计
定时器由系统秒脉冲同步计数器构成。
要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行着增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路74LS163进行设计比较简便。
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。
75LS163的外引线排列图和时序波形图如图3所示，其功能表如表2所示。
图中，是低电平有效地同步清零输入端，是低电平有效才同步并行置数控制端，CTP、CTT是计（图2交通灯的ASM图）数控制端，CO是进位输出端，D0~D3是并行数据输入端，Q0~Q3是数据输出端。
由两片75LS163级联组成的定时器电路如图4所示。
（a）
（b）
图374LS163的外引线排列图和时序波形图
（2）控制器
控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。
从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表3所示选用两个D触发器FF1、FF0做为时序寄存器长生4种状态，控制器状态转换的条件为TL何TY，当控制器处于Q1n+1Q0n
+1=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无关，所以用无关“X”表示。
其余情况以此类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。
图4定时器电路图
表274LS163功能表
输入
输出
CR
LD
CTp
CPt
CP
D0
D1
D2
D3
Q0
Q1
Q2
Q3
0
X
X
X
↑
X
X
X
X
0
0
0
0
1
0
X
X
↑
d0
d1
d2
d3
d0
d1
d2
d3
1
1
1
1
↑
X
X
X
X
计数
1
1
0
X
↑
X
X
X
X
保持
1
1
X
0
X
X
X
X
X
保持
表3控制器状态转换表
输入
输出
现态
状态转换条件
次态
状态转换信号
TLTY
ST
00
00
01
01
11
11
10
10
0X
1X
X0
X1
0X
1X
X0
X1
00
01
01
11
11
10
10
00
0
1
0
1
0
1
0
1
根据表3可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：
将Q1n+1、Q0n+1、和ST为1的项所对应的输入或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，即可得到下面的方程：
根据以上方程，选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（）加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号，即可实现控制器的功能。
控制器的逻辑图如图5所示。
图中R、C构成上电复位电路。
图5控制器逻辑图
（3）译码器
译码器的主要任务是将控制器的输入Q1、Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上的6个信号灯的工作状态。
控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表4所示。
表4控制状态编码与信号灯关系表
状态.
AGAYAR.
BGBYBR.
00
100
001
01
010
001
10
001
100
11
001
010
四、实验仪器设备
1．数字电路试验箱
2．集成电路74LS741片，74LS101片，74LS002片，74LS1532片，74LS1632片，NE5551片
3．电阻51KΩ1只，200Ω6只
4．电阻10uf1只
5．其他发光二极管6只
五、课程设计总结
选题过程：
指导老师经过充份的思考和考虑我们的学习情况以及个人兴趣等等，建议我们选定了“交通灯控制电路”这个题目。
这题目可以让我们认识和学习MAX+PLUSⅡ软件这方面知识。
查找教材，资料，相应软件，为了这次课程设计，我们在图书馆查找了大量的相关资料，终于被我找全了和本次课程设计相关的不懂问题。
根据所分析的系统的ASM图，结合系统的设计要求，在MAX+PLUSⅡ环境下进行元器件之间的连线和编译与仿真，及时检查元器件的放
在置、连线是否有错误。
检查所编程序是否运行正确。
根据交通灯系统的控制要求，经过实验，排除所有实验中的错误并实现了预定的功能。
老师的指导下，通过学习交通灯系统控制器的设计的实验，学习一种设计电子的软件，增加了我们对电子设计的了解。
随着电子自动化技术的不断发展，通过电路设计来制定其芯片的内部功能，所用到的就是可编程器件。
可编程器件其功能之卓越和成熟已经令当今的电子工程师们赞叹不已，它不但容量大，更突出的是其芯片的在系统可编程技术。
也就是ISP技术，ISP技术打破了产品开发时必须先编程后装配的惯例，，而可以先装配后编程。
ISP技术使得系统内硬件的功能象软件一样被编程配置，可以说可编程器件真正的做到了硬件的“软件化”自动设计，这就是当今的EDA电子设计自动化技术。
可以毫不夸张的说由于可编程器件的出现，传统的数字电路设计方法和过程得到了一次革命和飞跃。
通过这次课程设计我们对于EDA技术多多少少有了一些了解，EDA技术发展迅速，有着广阔的应用前景，设计面广，内容丰富，它用软件的方法设计硬件；用软件方式设计的系统到硬件系统的转换是由有关的开发软件自动完成的；在设计过程中可用有关软件进行各种仿真；系统可现场编程，在线升级；整个系统可集成在一个芯片上，体积小，功率低，可靠性高。
EDA技术以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方法，以计算机，大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编译，逻辑化简，逻辑分割，逻辑综合及优化，逻辑布局布线，逻辑仿真，直至特定目标芯片的适配便宜，逻辑映射，编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术。
其中大规模可编程器件是利用EDA技术进行电子系统设计的载体，硬件描述语言是利用EDA技术进行电子系统设计的主要表达手段，软件开发工具是利用EDA技术进行电子系统设计的智能化的自动化设计工具，实验开发系统则是利用EDA技术进行电子系统设计的下载工具及硬件验证工具。
此次实验不但提高了我们实践的能力和理论水平，而且对于我们认识掌握各种操作技巧具有重大意义，使我们的综合素质得到了很大的提高！
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