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1、1一、概述交通灯在人类道路交通发展过程中扮演着非常重要的角色，而我国是一个人口超级大国，汽车工业的发展正在快速增长的阶段，因此限制车辆的增加不是解决问题的好方法。而采取增加供给，即大量修筑道路基础设施的方法，在资源、环境矛盾越来越突出的今天，面对越来越拥挤的交通，有限的源和财力以及环境的压力，也将受到限制。这就需要依靠除限制需求和提供道路设施之外的其他方法来满足日益增长的交通需求。智能交通灯系统正是解决这一矛盾的途径之一。对城市交通流进行智能控制，可以使道路畅通，提高交通效率。合理进行交通灯控制可以对交通流进行有效的引导和调度，使交通保持在一个平稳的运行状态，从而避免或缓和交通拥挤状况，大大提
2、高交通运输的运行效率，还可以减少交通事故，增加交通安全，降低污染程度，节省能源消耗，本文就是通过对交叉路口交通灯的智能控制，达到优化路口交通流的目的。二、方案论证设计一个简单的交通灯控制器。实际上就是四个平时状态加上一个紧急状态。我们不妨设：S1：南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，时间 15s；S2：南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮，时间 3s；S3：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间 l5s；S4：南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，时间 3s；S5（紧急状态）：如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮。主电路状态 南北红灯 南北黄灯 南北绿灯 东西红灯 东西黄灯 东西绿灯S1 1 0 0
3、0 0 1S2 1 0 0 0 1 0S3 0 0 1 1 0 0S4 0 1 0 1 0 0S5 1 0 0 1 0 0图 1 主电路状态与指示灯状态转换2S5 的紧急状态，我们可以设计一个开关来控制这个状态的开启与关闭。剩余的四个状态我们可以放在一起来综合考虑。因为四个状态是轮换的。首先，用 10 进制计数器对平时状态下的四种情况进行计数，再用 3 线8 线译码器对这四种状态进行编码，之后控制四个方向的二极管（代替红绿灯）的亮暗。其次，1Hz 脉冲信号我们可以用 555 时基电路构成的多谐振荡器来实现。555 定时器内部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且采用差分电路形式，它的
4、振荡频率受电源电压和温度的影响很小。由 555 定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰。再者，用两片十进制可逆计数器来显示黄绿灯亮的秒数。最后，就可以基本实现红绿灯的简单控制。图 2 红绿灯控制器的基本流程图三、电路设计1. 脉冲产生电路脉冲是由 555 时基电路构成的多谐振荡器产生的。选取两个固定电阻，计算出电容，使其频率为 1Hz，其电路图如下:1 H z 的脉冲信号十进制可逆计数器用借位来计数 4种状态3 - 8 线译码器进行编码实现红绿灯的控制紧急状态开关3A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5VR115kR25kC158uF C2
5、10nF30VCC12东东图 3 脉冲产生电路其高电平时间为： sCRT812.0)(7.0211其低电平时间为： 322占空比： %8023.810q21 T频率 f=1.015Hz（约为 1Hz）2.倒计时电路因为是倒计时的 15s 和倒计时的 3s，涉及到两位数，所以采用两片十进制可逆计数器芯片。4U174LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U3DCD_HEX_DIG_GREENU4DCD_HEX_
6、DIG_GREEN1234 5678VCC5VVCC0U16A74LS32N91011clk1214U7A74LS04N1516东东东东东东东1U20A74LS136D13东东东东Y0东东东东Y2图 3 倒计时电路我们要完成的是 15s 和 3s 的倒计时循环，因为是倒计时，所以将脉冲接到 down 的一端。左边的芯片表示的是十位的数字，右边的芯片表示的是各位的数字。十位之涉及到 0 和 1，所以只要控制 A 端的输入为 0 或 1，所以用一个异或门连接译码器的 Y0和 Y2 上，因为这两个输出端控制的是黄灯的状态（具体在译码器部分有解释） ，剩下的端口全部接地。各位的数字之涉及到 3 和 5
7、，所以输入端为 0101 和 0011，这两个数的差别就在于中间的两位并且互反，所以将 c 端口接到译码器的 b 端口即可。并将两个借位输出连接到一个与门上来控制置数端。3.计数电路 用计数器来计数四个状态，就是从 15s-3s-15s-3s 进行循环，输出为 00 01 10 11。选择 74LS160 芯片，用的是置数法，实现四进制计数器。如图：5U174LS160NQA 14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3 B4C5 D6ENP7 ENT10LOAD9 CLR1CLK2VCC5V东东东01clk U18B74LS00N23VCC4图 4 计数电路这计数电路就是用来循环记录
8、00 01 10 11 四个基本状态的。4.状态译码电路从十进制计数器输出了 4 个状态，对这四个状态进行译码。真值表如下：（因为只有四个状态，超出的部分就不写了）输入 输出A1 A0 Y3 Y2 Y1 Y00 0 0 0 0 10 1 0 0 1 01 0 0 1 0 01 1 1 0 0 0表 1 3 位二进制译码器真值表（部分）译码阶段已经完成，接下来就是用这些译码出来的信号。来控制四个方向红绿灯的状态。输出为 0001,0010,0100,1000 的时候分别对应着 S3,S1,S2,S4 四个状态，并且同方向的一个灯亮起的时候剩余的灯必须是保持暗的状态。所以用与非门和非门来控制二极管
9、。首先是黄灯的控制，黄灯出现在 S2 和 S4 的状态下，所以将非门连接在Y1，Y3 处。将绿灯接在 Y0，Y2 处。红灯的切换是在黄灯亮之后，所以用与非门来控制。南北的与非门两端分别接 Y2,Y3；东西的与非门两端分别接 Y1,Y3。接下来说明一下为什么要这么接。就 S1 状态而言，南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，时间 15s，译码器的输出为 0010。此时东西方向有且仅有绿灯在亮，南北方向有且仅有红灯在亮。所以东西方向的绿灯要是想亮就得连接 Y1 端。同理，分析四种状态分别得出南北的黄灯连接 Y0，南北的绿灯连接 Y3，东西的黄灯连接 Y2。之后分析如何让红灯亮。红灯的亮暗是在黄灯的亮暗之
10、后切换的，所以用一个与非门。先用南北方向上的红灯来分析，南北的红灯时在 S1 和 S2 两个状态都亮的，其输出为0010 和 0100，所以与非门的两端接的是 Y1 与 Y2。同理东西方向的红灯连接的是 Y06与 Y3。U174LS138NY0 15Y1 14Y2 13Y3 12Y4 11Y5 10Y6 9Y7 7A1 B2C3G16 G2A4G2B5U9A74LS04NU11A74LS04NU12A74LS04NU13A74LS04NU14B74LS00NU15B74LS00NU8A74LS32NU10A74LS32N1817VCC5VVCC012 3419东东东东东东东东东东东东东东东78
11、65910东东东东东东东东东东东东1112东东东Qa东东东Qb图 5 状态译码电路5.紧急控制开关电路开关没开启之前要保持之前的状态，开关开启之后，四个红灯全部亮起，并且计数器归零。首先，让四个红灯全部亮起。在对红灯输入信号之前接出一个或门，其中的一端接原来的信号，另一端接 0，这样保证了原有信号的输出。开关闭合后，让原本接 0 信号的那一段改变为 1 信号，就强制使红灯的输出变成了 1，实现了功能。其次，让计数器归 0。开关没有动作之前，让十进制可逆计数器的清零端接 0 信号，开关动作后，让清零端接 1 信号，实现了清零的功能。如图：J2Key = SpaceVCC5VVCC U22A74L
12、S04N01 2东东东东东东东东东东东东东东东东东东东图 6 紧急开关控制四、性能测试1. 脉冲产生电路的测试为了在仿真中快速的看到结果，故将电容缩小了 100 倍，仿真如下图，脉冲周期约为 10ms，扩大 100 倍即为 1s，频率为 1Hz。7图 7 脉冲产生电路仿真测试图2. 倒计时电路的测试检验倒计时计数器是否可以从 15s 和 3s 开始倒计时。U174LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14VCC
13、5VJ1Key = SpaceU3DCD_HEX_DIG_GREENU4DCD_HEX_DIG_GREEN1234 5678U16A74LS32N91011012U7A74LS04N14J2Key = SpaceVCC013图 8 十进制可逆计数器 15s 检测图8U174LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14U274LS192NA15B1C10D9UP5QA3QB2QC6QD7DOWN4LOAD11BO13CO12CLR14VCC5VU3DCD_HEX_DIG_GREENU4DCD_HEX_DIG_GREEN1234 5
14、678U16A74LS32N91011J1Key = Space U5A74LS04N0VCC1312图 9 十进制可逆计数器 3s 检测图3.电路整体性能测试总电路见附录 I。 （由于十进制计数器计数 4 种状态，38 线译码器，紧急控制开关无法单独显示测试结果所以放在电路的整体性能的测试上）S1 状态：南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮，时间 15s；图 10 S1 状态检测图S2：南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮，时间 3s；9图 11 S2 状态检测图S3：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，时间 l5s；图 12 S3 状态检测图S4：南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，时间 3s图 13 S4
15、状态检测图S5（紧急状态）：如果发生紧急事件，可手动控制四个方向红灯全亮10图 14 紧急状态检测图五、结论经过两周的努力终于完成了关于交通灯控制电路的电子课程设计，通过不断的查资料让我积累了许多实际操作经验，已初步掌握了数电的应用技术。我深刻体会到数字电子技术对当今现代社会的重要作用。经过这次设计，我学会了怎样把计划付诸于实际行动中。同时与社会的不断高速发展的步伐相比，我认识到自己所学的知识和技能还远远不足，缺乏应有的动手解决实际问题的能力，有待在今后的学习实践中进一步提高。经过这次课程设计，我更加认识到要学好自己的专业知识以适应不断发展的社会。参考文献1 阎石主编.，数字电子技术. M北京
16、：高等教育出版社，2006 年2 陈振官等编著.，新颖高效声光报警器. M北京：国防工业出版社，2005 年3 彭介华，电子技术课程设计指导M.北京：高等教育出版社 4 孙梅生，李美莺，徐振英. 电子技术基础课程设计M. 北京：高等教育出版社 5 梁宗善.，电子技术基础课程设计M. 武汉：华中理工大学出版社 6 张玉璞，李庆常. 电子技术课程设计M. 北京：北京理工大学出版社 7 谢自美，电子线路设计实验测试（第二版）M.武汉：华中科技大学出版社11附录 I 总电路图12附录 II 元器件清单序号 编号 名称 型号 数量1 U1 U2 十进制可逆计数器 74LS162N 22 U3 U4 U19 U21 数码管 43 U5 十进制计数器 74LS160N 14 U6 3 线8 线译码器 74LS138N 15 U
