数电交通信号灯控制器设计.docx
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数电交通信号灯控制器设计
武汉理工大学《交通信号灯控制设计》课程设计说明书
交通信号灯控制器设计
1 方案设计意义及要求
1.1 方案设计意义
现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问
题也日益重要。
因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。
有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。
自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法
也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。
尤其是近几年来，随着电子
与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设
计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控
制电路的设计提供了一定的技术基础。
1.2 方案设计要求
运用模拟电子技术和数字电子技术以及电路原理的相关知识设计出交通信
号灯的控制电路，完成下列的要求：
1. 假设一路口为东西南北走向。
初始状态 0 为东西红灯，南北红灯，
2. 然后转状态 1 东西绿灯通车，南北红灯。
3. 过 25s 转状态 2，东西绿灯灭，黄灯闪烁 5 次，南北仍红灯。
4. 再转状态 3，南北绿灯通车，东西红灯亮。
5. 过 20s 转状态 4，南北绿灯灭，闪 5 次黄灯，东西仍是红灯。
6．最后循环至状态 1，如此不断周期循环下去。
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2 方案设计内容
2．1 方案设计思路
方案设计要求南北方向和东西方向的交通信号灯的周期不一样，南北
方向是红灯 30 秒、绿灯 25 秒、黄灯闪烁 3 秒。
东西方向是红灯 25 秒、
绿灯 20 秒、黄灯闪烁 5 秒。
但是南北方向和东西方向是相对称的，其交
通信号灯的状态转换图如下：
状态1
南北红灯亮25秒
东西绿灯亮20秒
状态2
南北红灯亮 5秒
东西黄灯闪 5秒
状态3
南北绿灯亮20秒
东西绿灯亮20秒
状态4
南北黄灯闪 5秒
东西绿灯亮 5秒
图 2-1 交通指示灯状态转换图
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2.2 方案设计
2.2.1方案一（个人方案）设计原理
交通信号灯控制原理图如下图所示：
555 定
时 器
计数器实
现五进制
移位寄存器
计数器实现
五十五进制
南北方向信号灯
东西方向信号灯
图 2-2交通信号灯控制原理图
根据设计方案的要求，我们可以依据南北方向和东西方向交通信号灯的亮
灭情况画出以下的时序状态图：
图 2-3交通信号灯状态时序图
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首先用 NE555 定时器产生 1Hz 脉冲作为时钟脉冲信号源，用 74LS161 构
成五进制计数器，产生五进制数，并且每五秒自动清零，同时利用清零信号给
74LS164 移位寄存器一个脉冲信号，使移位寄存器每 5 秒发生一次移位，然后
通过 74LS164 移位寄存器分别实现 5 秒，20 秒，25 秒和 30 秒的循环控制，30
秒后禁止信号输入移位寄存器，再过 25 秒信号又可以重新输入移位寄存器，这
样就可以分别使东西方向和南北方向对应的红灯和绿灯亮和灭，最后用黄灯信
号和脉冲信号源进行与逻辑运算，使得黄灯能够每秒闪烁一次，闪烁时间为 5
秒。
由于南北方向和东西方向的红灯和绿灯的亮灭的时间不相等，南北方向红
灯亮 30 秒，绿灯亮 25 秒，黄灯闪烁 5 秒；东西方向红灯亮 25 秒，绿灯亮 20
秒，黄灯闪烁 5 秒，所以南北方向周期为 30 秒，东西方向周期为 25 秒，总周
期为 55 秒。
因此利用一片 74LS161 和构成五进制计数器的 74LS161 级联起来
构成一个 55 进制的计数器，再利用其清零端接到 74LS164 移位寄存器的清零
端，实现移位寄存器的每 55 秒清一次零，从而达到对南北方向和东西方向周期
不相等的控制，达到方案设计的要求。
总电路图见附录
2.2.2方案二（小组方案）设计原理
人机交互界面
单片机微处理
单片机微处理
人行道
信号灯
紧急情况
控制
主干道
信号灯
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图 2-4 方案二电路原理框图
通过单片机写入符合题意的程序，之后小组的成员还一起讨论了，还增加
了红灯时长可编辑、紧急情况的控制和人行道红路灯等附加功能，再接上一定
的外围电路，通过程序控制 I/O 口的输出状态控制所接外围电路的状态来实现
交通信号灯控制。
总电路图见附录
2.3方案比较
方案一是利用 555 定时器来产生 1Hz 的脉冲，利用数据选择器的选择功能
和
移位寄存器的移位功能来实现对南北方向和东西方向不同周期的信号灯的控制，
电路的设计思维容易理解，但是所用到的元器件较多较复杂，电路的接线相对
要
复杂。
方案二是利用单片机处理器，通过软件编程来实现设计所要求的功能，
简
单明了，便于控制，并且功能上的扩展性也很强，但是相对于方案一需要更高
的
要求，要对汇编语言及单片机的工作原理有较深的理解。
3单元电路原理设计
3.1秒脉冲信号发生器设计
时钟信号产生电路主要由 NE555 定时器、电容和电阻组成震荡器，产生
稳定的脉冲信号，送到状态产生电路，状态产生电路根据需要产生一定的“0”
、“1 ”信号，电路图如下图所示：
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2
3
1
3
1
3
2
3
= 0.7（R1 + R2 ）C
所以时间周期就是：
T= 0.7（R1 + 2R2 ） C=1s
经计算可得 R1=46k R2=50k产生的秒脉冲通过 3 端口输出 NE555 管脚图如图：
图 3-2 NE555 管脚图
3.2 五进制计数器设计
要实现五进制计数，用 74LS161 四位二进制同步加法计数器，该计数器能
同步并行预置数据，具有清零置数，计数和保持功能，具有进位输出端，可以
串接计数器使用。
它的管脚排列如图 2-3 所示：
图 3-4 74LS161 管脚图
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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）
下图为 74LS161 的功能表：
表 3-1 74LS161 功能表
从 74LS161 功能表功能表中可以知道，当清零端 CR=“0”，计数器输出
Q3、Q2、Q1、Q0 立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。
当 CR=“1”且
LD=“0”时，在 CP 信号上升沿作用后，74LS161 输出端 Q3、Q2、Q1、Q0 的状
态分别与并行数据输入端 D3，D2，D1，D0 的状态一样，为同步置数功能。
而
只有当 CR=LD=EP=ET=“1”、CP 脉冲上升沿作用后，计数器加 1。
74LS161 还
有一个进位输出端 CO，其逻辑关系是 CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。
合理应用计数
器的清零功能和置数功能，一片 74LS161 可以组成 16 进制以下的任意进制分
频器。
所以可以利用一片 74LS161 实现五进制加计数，将 CR=LD=EP=ET=“1”，
D3,D2,D1,D0 接地，二进制的五为（0101），故将 Q2,Q0 连到同一与非门后接
CR 清零端，每五个脉冲清一次零，实现五进制加计数器，同时利用清零信号，
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每五秒给 74LS164 移位寄存器一个脉冲信号。
五进制电路连接图如下图所示：
图 3-5 五进制计数器电路图
3.3五十五进制计数器设计
因为南北方向和东西方向交通信号灯的周期不一样，南北方向是 30 秒，东
西方向是 25 秒，如果要用一片移位寄存器实现的话，就必须对移位寄存器定时
清零，不然就会出现 5 秒的空白时间。
但是总的周期是不变的，为 55 秒，所以利用两片 74LS161 构成五十五进制
计数器，前一片接成五进制，后一片接成十一进制的，这样就使前一片的
74LS161 参与了两个电路功能，达到使用减少的元件实现较多功能的目的。
同
时利用第二片 74LS161 的清零信号接到后面移位寄存器的清零信号，从而实现
每 55 秒清一次零，这样就可以解决南北方向和东西方向周期不相等的问题了。
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五十五进制电路连接图如图所示：
图 3-6 五十五进制计数器电路图
3.4 移位寄存器
74LS164为8位移位寄存器，当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端
（QA－QH）均为低电平。
串行数据输入端（A，B）可控制数据。
当A、B 任意一
个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0 为
低电平。
当A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK 上升
沿作用下决定Q0 的状态。
引出端符号
CLOCK 时钟输入端
CLEAR 同步清除输入端（低电平有效）
A，B串行数据输入端
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Q －Q
A
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H 输出端
74LS164封装图如下图所示：
图 3-7 74LS164 封装图
74LS164 逻辑图如下图所示：
图 3-8 74LS164 逻辑图
74LS164 真值表如下图所示：
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表 3-2 74LS164 真值表
74LS164 时序图如下图所示：
图 3-9 74LS164 时序图
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采用 74LS164 八位移位寄存器可以实现对南北方向红灯 30 秒、绿灯 25 秒、
黄灯 5 秒和东西方向红灯 25 秒、绿灯 20 秒、黄灯 5 秒的控制。
利用接成五进
制的 74LS161 的清零信号作为 74LS164 的触发信号，使移位寄存器每 5 秒移一
次位，并且利用 11 脚来控制移位寄存器的串行信号的输入，即每六个脉冲到来
后就禁止信号的输入，再利用接成五十五进制的 74LS161 的清零信号作为
74LS164 的清零信号，每 55 秒对移位寄存器清一次零，从而实现总周期为 55
秒的功能。
移位寄存器电路连接图如下图所示：
图 3-10移位寄存器电路连接图
3.5 信号灯控制
3.5.1 红灯信号控制
南北方向的红灯亮灯时间为 30 秒，所以用 Qf 取反后与其相连；东西方向
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的红灯亮灯时间为 25 秒，所以将 Qe 与 Qd 相与后与其相连。
3.5.2 绿灯信号控制
南北方向的绿灯亮灯时间为 25 秒，所以用 Qd 和 Qf 相与后与其相连；东
西方向的绿灯亮灯时间为 20 秒，所以将 Qe 和 Qf 分别取反后再相与获得。
3.5.3 黄灯信号控制
黄灯信号
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