交通灯控制电路设计方案.docx

1、交通灯控制电路设计方案交通灯控制电路设计一、设计任务与要求设计一个十字路口交通信号灯控制器，其中红灯R亮，表示该条路禁止通行；黄灯Y亮表示停车；绿灯G亮表示允许通行。其要求如下：1.设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR，NSY，NSG；东西方向的红、黄绿灯分别为EWR，EWY，EWG。2.满足两个方向的工作时序：东西方向红灯亮的时间应等于南北方向黄、绿灯亮的时间之和；南北方向红灯亮的时间应等于东西方向黄、绿灯亮的时间之和。一个周期为60秒，其中，绿灯亮25秒，黄灯亮5秒，红灯亮30秒。其中NSG（EWR）NSR（EWG），黄灯用于闪烁提示绿灯变为红灯。交通灯顺序工作流程图如图1所示：3.十字路

2、口要有数字显示装置，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体要求为：当某方向绿灯亮时，置计数器为某一数值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，进入另一个方向的工作循环。例如：当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为29，并使数显计数器开始减“1”计数，当减法计数到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数码管显示的数值应为4，当减法计数到“0”时，黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数码管的显示为29。4.可以通过开关将交通灯手动调整为夜间状态，夜间状态为只有黄灯闪耀。黄灯一直闪耀，提醒过往行人注意。二、总

3、体框图： 根据设计任务和设计要求，我们可以从三个部分考虑。1交通灯的灯显部分由于交通灯显示的时间分别为绿灯亮25秒，黄灯亮5秒，红灯亮30秒，所以灯显时间周期为60秒。由于绿、黄、红灯亮的时间比例为5：1：6，所以计数器每工作循环周期为12，可以选用12进制的计数器。我选用了中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。由74LS164来控制各路口灯的亮灭。另外，由于设计要求电路可以通过开关将交通灯手动调整为夜间状态，夜间状态为只有黄灯闪耀。所以，通过一单刀双掷开关和与门来实现。当开关打到高电平时为正常工作状态，打到低电平时为夜间状态。 2.数字显示部分 数字显示控制部分实际上是

4、一个定时控制电路。当绿或红灯亮时，使减法计数器开始工作，每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”停止。由于灯显部分的频率是数显部分频率的1/5，所以要用一个单稳态连接数显和灯显部分。译码显示可由计数器输出驱动BCD码七段译码器，计数器采用可预制加、减计数器，且让其工作在减法计数状态。 3.1Hz标准脉冲和分频部分 由于十字路口每个方向绿、黄、红灯时间比例分别为5：1：6，所以，用74LS160连为5进制计数器就可以实现，即选5秒为一单位时间，计数器每5秒输出一个脉冲。三、选择器件灯显部分74LS164、74LS104、74LS108、74LS11、74LS32、74LS86 1Hz标准

5、脉冲和分频部分555定时器、74LS160数码显示部分LED发光二极管、U2504R、74LS08、74LS04、74LS32、74LS192器件介绍：1.74LS164 74LS164是8位移位寄存器，其逻辑功能表如下表：其逻辑符号与管脚图如下图：74LS164为上升沿触发，串行输入，并行输出，具有异步清零功能，当=0时，QAQH全为0，当=1时，若控制端A、B全为1时，输出端由QA 输入1，且其它输出端口依次为其前一时刻前一输出端口的状态；当A、B全为0时，输出端由QA 输入0，且其它输出端口依次为其前一时刻前一输出端口的状态。2.74LS04 74LS04是六反相器。反相器的功能表如下表

6、所示：反相器功能表输入A输出Y1001其内部原理图与管脚图为下图：74LS04当输入为高电平时输出等于低电平，而输入为低电平时输出等于高电平，输出与输入的电平之间是反相向关系。非门的逻辑表达式为：Y=3.74LS08 74LS08为四输入端与门。由其逻辑功能表与内部原理图如下图： 74LS08逻辑功能表ABY00001010011174LS08的逻辑表达式为：Y=AB4.74LS1174LS11为三输入的与门，由其逻辑功能表可得，其逻辑功能为“见0得0，全1得1”，即只要三个输入端口中有一个为0，则输出Z就为0，当输入全为1时，才有输出Z为1。“三输入与门”逻辑功能表ABCZ000000100

7、10001101000101011001111其管脚图和内部原理图为： 其逻辑符号如下图：5.74LS3274LS32是二输入或门，其逻辑符号和管脚图如下图所示 或门的逻辑表达式为Y=A+B，其逻辑功能表见下表。由其逻辑功能表可得，当两个输入只要有一个为1时，输出就是1，只有两个输入都为0时，输出才是0，即“见1得1，全0得0”。74LS32逻辑功能表输入输出 A B Y 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 16.74LS8674LS86是二输入异或门。其逻辑符号与管脚图如下图： 其逻辑功能表如下图：74LS86逻辑功能表输入 输出 A B Y 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1

8、1 07.74LS16074LS160为可预置的十进制同步计数器，其管脚图如右图所示。在CT74LS160中LD为预置数控制端，D0-D3为数据输入端，C为进位输出端，RD为异步置零端，Q0-Q3位数据输出端，EP和ET为工作状态控制端。由其功能表可得，当置数端为0时，输出全为0。预置数端为0，当脉冲到达时，计数器置数；当置数和预置数端都为1，且EP=ET=1时，计数器进行加法计数；当EP=0，EP=1时，输出不变，且RCO=0；当ET=1时，各输出及RCO都保持不变。74LS160的内部原理图如右图所示。当RC=0时所有触发器将同时被置零，而且置零操作不受其他输入端状态的影响。当RC=1、L

9、D=0时，电路工作在预置数状态。这时门G16-G19的输出始终是1，所以FF0-FF1输入端J、K的状态由D0-D3的状态决定。当RC=LD=1而EP=0、ET=1时，由于这时门G16-G19的输出均为0，亦即FF0-FF3均处在J=K=0的状态，所以CP信号到达时它们保持原来的状态不变。同时C的状态也得到保持。如果ET=0、则EP不论为何状态，计数器的状态也保持不变，但这时进位输出C等于0。当RC=LD=EP=ET=1时，电路工作在计数状态。从电路的0000状态开始连续输入16个计数脉冲时，电路将从1111的状态返回0000的状态，C端从高电平跳变至低电平。利用C端输出的高电平或下降沿作为进

10、位输出信号。：74LS160功能表CPEP ET工作状态0 置 零脉冲10 预置数110 1保 持11 0保持（RCO=0）脉冲111 1计 数8.555定时器55定时器是由比较器C1和C2，基本RS触发器和集电极开路的放电三极管TD三部分组成。其逻辑符号如右图：VH是比较器C1的输入端，v12是比较器C2的输入端。C1和C2的参考电压VR1和VR2由VCC经三个五千欧电阻分压给出。在控制电压输入端VCO悬空时，VR1=2/3VCC,VR2=1/3VCC。如果VCO外接固定电压，则VR1=VCO,VR2=1/2VCO. RD是置零输入端。只要在RD端加上低电平，输出端v0便立即被置成低电平，不

11、受其他输入端状态的影响。正常工作时必须使RD处于高电平。图中的数码18为器件引脚的编号。 555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当阻容元件，就可以方便地构成脉冲产生和整形电路。其内部原理图如右图：（A）电路组成555集成定时器由四个部分组成： 1、基本RS触发器：由两个“与非”门组成2、比较器：C1、C2是两个电压比较器3、分压器：阻值均为5千欧的电阻串联起来构成分压器，为比较器C1和C2提供参考电压。4、晶体管开卷和输出缓冲器晶体管VT构成开关，其状态受端控制。输出缓冲器就是接在输出端的反相器G3，其作用是提高定时器的带负载能力和隔离负载对定时器的影响。(B) 基本功能当5脚悬空

12、时，比较器C1和C2比较电压分别为2/3VCC和1/3VCC。当vI12/3VCC，vI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器被置0,放电三极管T导通，输出端vO为低电平。 当vI12/3VCC，vI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器被置1,放电三极管T截止，输出端vO为高电平。当vI11/3VCC时，基本RS触发器R =1、S =1,触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。综合上述分析，可得555定时器功能表如下表所示输 入输 出阈值输入(vI1)触发输入(vI2)复位()输出()放电管T00导通 11截止10导通

13、1不变不变9.74LS19274LS192的管脚图与逻辑符号如下图： 其功能表：74LS192为十进制同步加、减计数器（双时钟），既可进行加法计数，又可进行减法计数，且有异步置数和清零功能。当输入脉冲接到CPU时，计数器实现加法计数，当输入脉冲接到CPD时实现减法计数。如下图74LS192的管脚图所示，P0P3为输人，Q0Q3为输出，MR为清零端，并且为高电平有效，MR=1时产生异步清零信号，输出为“0000”，因此在计数状态下应令MR=0。为置数端，当=0时计数器置数。、分别为借位输出和进位输出。10.LED发光二极管LED是发光二极管Light Emitting Diode的英文缩写。发光

14、二极管使用的材料与普通的硅二极管和锗二极管不同，有磷砷化镓、磷化镓、砷化镓等几种，而且半导体中的杂质浓度很高。当外加正向电压时，大量的电子和空穴在扩散过程中复合，其中一部分电子从导带跃迁到价带，把多余的能量以光的形式释放出来，便发出一定波长的可见光。LED显示屏是由发光二极管排列组成的一显示器件。它采用低电压扫描驱动，具有：耗电少、使用寿命长、成本低、亮度高、故障少、视角大、可视距离远、规格品种全等特点。目前LED显示屏作为新一代的信息传播媒体，已经成为城市信息现代化建设的标志。管脚分别接输出段的、四、功能模块1、交通灯灯显模块此模块主要用74LS164来实现，74LS164是8位移位寄存器，

15、其状态转换表如表1所示表1 74LS164状态转换表T 计 数 器 输 出南 北 方 向东 西 方 向Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5NSG NSY NSREWG EWY EWR 00 0 0 0 0 01 0 00 0 111 0 0 0 0 01 0 00 0 121 1 0 0 0 01 0 00 0 131 1 1 0 0 01 0 00 0 141 1 1 1 0 01 0 00 0 151 1 1 1 1 00 00 0 161 1 1 1 1 10 0 11 0 070 1 1 1 1 10 0 11 0 080 0 1 1 1 10 0 11 0 090 0 0 1 1 10

16、 0 11 0 0100 0 0 0 1 10 0 11 0 0110 0 0 0 0 10 0 10 0由上面的状态转换表得到东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式，如表2所示 南北方向东西方向红 黄 绿 表2东西方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式由于要求电路可以通过开关将交通灯手动调整为夜间状态，夜间状态只有黄灯闪耀。所以通过一单刀双掷开关和与门来实现，同时加一反相器，使开关输出的信号经反相器后输入与门。开关打开的时候输入是高电平，为正常工作状态，开关闭合的时候输入是低电平，为夜间工作状态，此时就只有黄灯闪耀，绿灯红灯都不亮了。灯显模块电路图如图1 图1 灯显模块电路图2.1Hz标

17、准脉冲和分频部分此模块右半部分用555定时器连成多谐振荡器产生秒脉冲，多谐振荡器的周期为T=（R1+2R2）C2。选定C为10nF，R1为0.901676M，则R2为72.1501M。此模块电路图如图3 图3 1Hz标准脉冲和分频部分模块电路图在Multism2001中仿真次模块，用示波器观察分频模块，A、B输入端口分别接秒脉冲的输出和分频电路的输出。下图为观察到的波形图，由波形图可得，波形1为波形2的5分频波形。可见此模块的功能正确。 3. 数字显示控制部分此模块选用十进制同步加、减计数器（双时钟）74LS192和七段数码显示管DCD_HEX来实现。采用74LS192的减法计数功能，把减计数

18、脉冲输入接秒脉冲，加计数脉冲输入接高电平。每个路口用两片74LS192设计为30进制计数器，令第一片74LS192的借位输出作为第二片的计数脉冲。数字显示由29减到0，然后通过置数信号再次置为29，依次循环下去。观察表1的74LS164状态转换表，状态5和状态11时，黄灯闪烁，而此时恰好有Q4、Q5状态为1、0和0、1，若在此时采用一个异或门连接Q4、Q5，当黄灯闪烁时异或门输出1，由于灯显部分的每一状态持续时间为5秒，所以异或门输出1的持续时间也为5秒，5秒之后又变为低电平，且低电平要持续25秒。此时若在异或门后接一个单稳态，且令暂态时间为1秒，由于单稳态输出为高电平，所以需通过一个反相器接

19、到置数端，而74LS192是异步置数，因此当黄灯停止闪烁时，数显部分置数为29，新的循环开始。选用的七段译码显示管DCD_HEX具有译码功能。在Multism2001中仿真次模块，为了能够尽快看到仿真结果，可将从灯控部分输出的置数信号的频率扩大1000倍，即用200Hz代替0.2Hz，可见，两组数码显示管显示的数据从29减到0，再置数到29，再依次减到0，并且两组数据是同步的。可得，数字显示模块的控制电路设计正确，能够完成要求的功能。五、总体电路设计图在Multism2001中仿真此电路，当夜间控制开关断开时，整个电路处于正常工作状态，当南北路口绿灯亮，东西路口红灯亮时，数字显示开始从29倒计时，每秒减1，当数字减到4时，南北路口黄灯亮，当数字减到0后，南北路口变为红灯，东西路口变为绿灯，同时，数字显示为29，并开始倒计时。整个交通灯以此状态依次进行下去。当闭合夜间控制开关时，红绿灯全灭，只有黄灯不停闪烁。可见，整个电路完成了设计要求，此电路设计是正确的。总体电路如图4图4 总体设计电路图