交通灯控制逻辑电路设计(课程设计)

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1、电电工工学学(少少学学时时) 课课程程设设计计 中国人民公安大学 交交通通灯灯控控制制逻逻辑辑电电路路设设计计 设计要求和技术指标设计要求和技术指标 1、技术指标：、技术指标：设计一个十字路口的交通灯控制电路,每条道路上 各配有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该道路禁 止通行；黄灯亮表示该道路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；绿灯表示该道路允许通行。该电路自动 控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，实现十字路口 自动化。 2.、设计任务与要求、设计任务与要求 一一.基本功能基本功能 1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

2、辆交替运行，每次通行时间都设为 25 秒； 2要求黄灯先亮 5 秒，才能变换运行车道； 3黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次 。 二基本扩展功能 1.信号灯的倒计时 2.进行数字显示 三特色扩展功能 1.定时控制信号周期。 实际应用：我们灯控路口的每天都存在着低峰时段（如夜间 ） ，不需要设置信号灯的周期，以便节省能源。 我们设计在一个周期的某一时间段内，将交通信号灯自动关 闭。 （第 8 个周期运行，第 1-7 个周期停止运行） 实现手动对关闭周期的时间控制。 （周期在 20 和 40 之间通 过开关控制） 2.定时控制信号周期，实现在一个时段内的不对称周期。 实际应用：我们灯控路口的每天都存在着

3、某时段（如两个车 道中的一个车道需要长周期） ，便于交通。 我们设计在一个周期的某一时间段内，将交通信号灯变为不 对称的信号（A 车道为 70 秒，B 车道为 30 秒） 。暂时设置为（第 8 个的半个周期（30 秒） （自动设置为半个周期）运行，加第 7 个的 上半周期（70 秒） ，形成一个不对称周期。第 7 个下半周期和 1-6 个 周期正常运行） 目录目录 一、交通灯的组成4 二、单元电路的设计7 1、秒脉冲发生器7 2、定时器.8 3、控制信号发发生器10 4.控制绿灯显示器.13 5.控制器.14 6、附加功能 （1）.1 7 7、附加功能 （2）.1 8 三、体会总结14 四、鸣

4、谢16 五、参考文献17 一交通灯的组成一交通灯的组成 交通灯控制系统的原理框图如图 12、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，T Y=0。 ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状

5、态转换信号。 由它控制定时器开始下个工作状态的定时。 图 12、1 交通灯控制系统的原理框图 两方向车道的交通灯的运行状态共有 4 4 种，如图 1-2 所示 状态 0 支干道 绿灯亮 状态 1 支干道 黄灯亮 状态 2 主干道 绿灯亮 状态 3 主干道 黄灯亮 图 1-2 一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下： （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。绿灯亮足规定的时间隔 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。

6、黄 灯亮足规定时间间隔 TY 时，控制器发出状态转换信号 ST，转到下 一工作状态。 （3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车 道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔 TL 时，控制器发出 状态转换信号 ST，转到下一工作状态。 （4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车 道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行， 已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔 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器进行控制的。设控 制器的四种状态编码为 00、01、11、1

7、0，并分别用 S0、S1、S3、S2 表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示。 控制器状态信号灯状态车道运行状态 S0（00） S1（01） S2（11） S3（10） 甲绿，乙红 甲黄，乙红 甲红，乙绿 甲红，乙黄 甲车道通行，乙车道禁止通行 甲车道缓行，乙车道禁止通行 甲车道禁止通行，乙车道通行 甲车禁止道通行，乙车道缓行 12-3 控制器工作状态及其功能 控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起 见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定： 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； A R=1：甲车道红

8、灯亮； BR=1：乙车道红灯亮；（A 代表甲车道，B 代表乙车道，G 为 绿灯，Y 为黄灯，R 为红灯） 由此得到交通灯的 ASM 图，如 图 12-2 所示。设控制器的初始状态 为 S0（用状态框表示 S0），当 S0 的持续时间小于 25 秒时，TL=0 （用判断框表示 TL），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（用条件输出框 表示 ST），并转换到下一个工作状态。依此类推可以弄懂 ASM 图 所 表达的含义。 12-2画出交通灯控制器的 ASM （Algorithmic State Machine，算法状态机） 二单

9、元电路的设计二单元电路的设计 （1 1）秒脉冲发生器）秒脉冲发生器 脉冲信号发生器直接由集成元件。 （2 2）定时器）定时器 定时器由与系统秒脉冲（由上面时钟脉冲产生器提供）同步 的计数器构成，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两个 74LS190D 进行设计。74LS190 是 10 位二进制同步计数器，它具有清零、置数的功能。74LS190D 的 外引线排列图和时序波形图如图 12、4 所示，其功能表如表 12、2 所示。190

10、 的预置是异步的。当置入控制端（ LD ）为低电平时， 不管时钟 CP 的状态如何，输出端（Q0Q3）即可预置成与数据输 入端（D0D3）相一致的状态。190 的计数是同步的，靠 CP 加在 4 个触发器上而实现。当计数控制端（CT ）为低电平时，在 CP 上升沿作用下 Q0Q3 同时变化，从而消除了异步计数器中出现的 计数尖峰。当计数方式控制（U /D）为低电平时进行加计数，当计 数方式控制 U /D）为高电平时进行减计数。只有在 CP 为高电平时 CT 和 U /D 才可以跳变。 190 有超前进位功能。当计数溢出时，进位/错位输出端 （CO/BO）输出一个低电平脉冲，其宽度为 CP 脉冲

11、周期的高电平 脉冲；行波时钟输出端（ RC ）输出一个宽度等于 CP 低电平部分 的低电平脉冲。CTp、CTT 是计 图 12、2 交通灯的 ASM 图数控制 端，CO 是进位输出端，D0D3 是并行数据输入端，Q0Q 3 是数 据输出端。由两片 74LS163 级联组成的定时器电路如图 12、4 所示。 74LS190D 的外引线排列图 74LS190 时序波形图 输入输出 CLKU/DLOA D ABCDRCOQAQBQCQD 000000100001 101000100010 011000100001 表 12、2 74LS190D 功能表 图为计时器的构成（两个 74ls190D） 通

12、过对个位和十位的或门的 0，输入给 load,实现初始状态的置数，之后将 u/d 接高电平，从而实现倒数计时。之后由 30 倒数至 0 时，或门得 0，又实现置数 功能。如此循环下去，实现计数功能。 （2 2）控制信号发生装置控制信号发生装置 1.TL 信号发生原理 2.TY 信号发生原理 TY 信号即为 00 的置位信号，即只需将 load 的接口引出即可。 （3 3）控制绿灯显示器控制绿灯显示器 通过主控定时器控制绿灯显示器，通过对绿灯计时器 25 位置产生信号与主 计时器 5 位置产生的信号及时冲脉冲进行与运算，输出信号来控制输出信号。 对时冲脉冲进行操作。从而实现绿灯显示在红灯运行 2

13、5 秒后，从而实现使其脉 冲信号中断 5 秒，从而实现准确计时。 主控计时器时间段25 位置信号5 位置信号输出信号 30-250失效没有锁定 5-011锁定 000解锁 （4 4）控制器）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 12、3 所示。选用两个 JK 触发器 jk-ff 接入或门电路做为时序寄 存器产生 4 种状态，J、K 端由高电平控制。使用其计数功能。 JK-FF 外接引线表 表 12、3 控制器状态转换表 J、J1K、K1TYTLQ Q1ARAGAYBRBGBY 1110101000

14、10 110111100001 111001010100 110100001100 根据表 12、3、可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将 Q、Q1 和 AG为 1 的项所对应的输人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： 1 1 11 1 1 11 QQBY QQBG QQQQBR QQAY QQAG QQQQAR 根据以上方程，对其化简得 AR=Q、 BRQ ,实现每个 D 触发 器的输入函数，将触发器的现态值（Q1、Q0）加到 D 触发器输入 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 12、5 所

15、示。 黄灯闪烁可由时钟脉冲来解决，当信号为 1 的时候，采用或门电 路，从而使信号灯失去作用，实现锁定。当信号为 0 的时候将会解 除锁定。同时信号的 1、0 变换，使黄灯实现闪烁。 图 12、5 控制器逻辑图 (5(5）附加功能（）附加功能（1 1） 信号周期定时关闭的实现信号周期定时关闭的实现 当信号周期传达到给计时器时，计时器进行倒计时，当倒计时 到 8 时，输出信号 QA、QB、QC 的值为 1、1、1，经过与门之后输 出 KL=1,再与时冲脉冲经过与门后，将信号灯锁住。其原理图如下。 图为信号周期发生图 图为输出信号发生装置 图为对交通灯的锁定示意图 (6(6）附加功能（）附加功能（2 2） 定时控制信号周期，实现在一个时段内的不对称周期定时控制信号周期，实现在一个时段内的不对称周期 通过 jk 触发器的输出端 Q 进行计时，输入到下图所示的计数 器，当 QA、QB、QC 同为 1 时，计数器显示为 7 从而通过或非门 电路输出信号 1.如下图所示 通过信号 1 来控制两个 74L190D 中的 C 端的电位，实现对周 期的同时改变。当信号为 0 时则不发生作用，周期不变。如下图所 示 三体会总结 通过这次课程设计，加强了我们小组的思考和解决问 题的能力。电路原理和连接，和芯片上的选择。巩固数字 逻辑电路的理论知识， 实现第一种附加功能方案用了 36 个