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〔凤亮，表示该条路禁止通行；黄灯〔丫〕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( EW)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：
图1交通灯顺序工作流程图，
3.十字路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
器件介绍：
1.74LS164
74LS164是8位移位寄存器，其逻辑功能表如下表:
74LS164功能表
Clear Ck A B QA QB …OH
0X X X00 *•* 0
10X X OAO QBO …OHO
11111QAn * * * QGn
10X0QAn * *♦QGn
1X00QAn • • *QGn
Vfcr Q7 Q» QS CM CK E
U1
其逻辑符号与管脚图如下图:
ABCDEFGH
74LS1 14 13 12 11 10 9 8 )
74LS164
74LS164管脚图
74LS164为上升沿触发，串行输入，并行输出，具有异步清零功能，当
「=o 时,
QA-QH 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所示:
反相器功能表 输入A 输出丫 1
0 0
1
74LS04
|J LU U [±J UJ L±J Ld
1A 1¥ 2A 2Y 3A 3Y GND
74LS04管廊團
74LS04内部原理图
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。

—— 非门逻辑符号
非门的逻辑表达式为：丫= 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:
I CLK
9 8
6
其内部原理图与管脚图为下图:
纸 6A 6Y 5A
同而m 应~| m in
RI RI RI rn Hoi rn
GNO
74LS08逻辑功能表 A B Y 0 0 0 0
1 0 1 0 0 1
1
1
74LS08的逻辑表达式为：Y=A ・B
4.74LS11
回 l£
3 E
p[
p
[
厂
r
£
L
二 LJ LiJ LJ [
Ld Ld
74LS11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 A B C Z 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1
1
1
1
其管脚图和内部原理图为:
其逻辑符号如下图：
3输人与门逻辑符号
5.74LS32
74LS08内部原理图
Ph IC IV iC 3B 3A 3Y
LJ □ □ LD □ □ □
1A IB 2A 2E 2C 2Y GOT
3输人与门管脚图 g 1C IT 3C 33 SA 3V
1A IB 2A IB 2C 2Y GXD
3输人与门内部原理图
32>-
74LS86逻辑符号其逻辑功能表如下图:
Vi 4B 4A 4Y J A SY 回EH回冋EJ [n m
S 74LS86
IU □ Q] [£l □ HI □
1A IB IY, 2A 2B 2Y GND
74LS86管脚图
74LS32是二输入或门，其逻辑符号和管脚图如下图所示
时工4E 4A 4Y 3B 3A SY
CO EH 回回ED ED
Y=MB J 74LS32
—一1 —m由由由由由V
1A IB 1Y 2K 2E 3Y GND
皿S3腿辑符号74LS32管脚图
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”。

6.74LS86
74LS86是二输入异或门。

其逻辑符号与管脚图如下图:
7.74LS160
'士 ECO Q; Qt Q: Q: IT LD Ri IX D ； IX D; BP GND
74LS160为可预置的十进制同步计数器，其管脚图 如右图所示。

在CT74LS16C 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=Q EP=1 时，输出不变，且RCO=0当ET=1时，各输出及RCCtE 保持不变
持不变，但这时进位输出C 等于0。

当RC=LD=EP=ET=1，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 进位输出信号。

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
U1
74LS160N
CP
R D
L D EP ET
工作状态 X
0 X
X X 置零 脉冲
1 0 X
X
预置数 X 1 1 0 1
保持 X
1 1 X 0
保持（RCO=）
脉冲 1
1
1 1
计数
8.555定时器
55定时器是由比较器C i 和C 2,基本RS 触发器和集 电极开路的放电三极管T D 三部分组成。

其逻辑符号如右图：
V H 是比较器C1的输入端，v i2是比较器C 2的输入端。

G 和C 2的参考电压V RI 和V R 2由V Cc 经三个五千欧电阻分 压给出。

在控制电压输入端 V CO 悬空时， V RI =2/3V CC ;V R 2=1/3V CC O 女口果 V co 外接 固 定 电压，则 V R 1=V ；C,V R2=1/2V C O
S 4
7 3
6 555
2 5
GND
R D 是置零输入端。

只要在 2
端加上低电平，输出端 V 0便立即被置成低电平,
不受其他输入端状态的影响 正常工作时必须使F D 处于高电平。

图中的数码1— 8 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
〜
LOAD
〜CLR CLK ABCD
PT
NN
gQBgQD2
74LS160功能表
VCC Rd
555逻辑符号
D
TH TR
UO
CO
555定时器内部原理图
pf 一
1
1$ Of- 2
13 -P0
co-
3
1< —Mfi
4
1J -%
5
\2 -TCy 02 -
6 11 -PL
7 10
ft
4 -pj
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Q 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脚悬空时，比较器 G 和C 2比较电压分别为2/3V C C 和 1/3V CC O
当V II >2/3V CC , V i2>1/3V Cc 时，比较器C i 输出低电平，比较器C 2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V 。

为低电平。

当V II <2/3V CC , V i2<1/3V Cc 时，比较器C i 输出高电平，比较器C 2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V 。

为高电平。

当V ii <2/3V Cc , V i2>1/3V Cc 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（V I1） 触发输入（V I2） 复位（硏
输出（力） 放电管T X
X
0 0 导通
1
1
1 截止 3內
1 0 导通
1
不变
不变
9.74LS192
74LS192的管脚图与逻辑符号如下图:
74LS192逻辑符号
74LS192管脚图
74LS192功能表
MA PL cpy CP D Undo H X
X X Aosat (Asyn.} L L
X X Preset (Asyr .J L H H H Mo Change L H / H Count Up L
H
H
/
Count Down
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 寸实现减法计数。

如下图74LS192的管脚图所示，P0〜 P3为输人，Q （〜Q3为输出，MF 为清零端，并且为高电平有效，MR=1寸产生异步 清零信号，输出为“ 0000”，因此在计数状态下应令 MR=0百1为置数端，当包=0 时计数器置数。

」二、T"分别为借位输出和进位输出。

g LED 发光二极管
LED 是发光二极管Light Emitting Diode 的英文缩写。

发光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12 3 4分别接输出段的Q
°
、Q i 、Q 2、Q
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，其状态转换表如 表1所示
UL4
I>CD_HEX
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 Q5 NSG NSY NSR EWG EWY EWR 0000000100001 1100000100001 2110000100001 3111000100001 4111100100001 511111000001 6111111001100 7011111001100 8001111001100 9000111001100 10000011001100 1100000100100
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
昭=逅（昭=时8一）= Q4Q5 [S-m = Eirf - CPY）
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
2.1Hz 标准脉冲和分频部分
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)C In 2。

选定 C 为 10nF,R1 为 0.901676M Q,则 R2 为 72.1501M Q 。

此模块电路图如图3
2.5 V
0.2 Hz 5 V
HQ
GQ
FQ
KLC
B A
图1灯显模块电路图
Key
12V 4LSO4N
OR4
4 5
6
d
VCC RST OUT
DIS THR TRI CON
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。

t
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_HE 来实现。

采用74LS192的减法计数功能，把减计数脉冲输入接秒脉冲， 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
74LS16 ON
5V
5
4
KLC
TNC )R PNC
ABCD
6MOhm
10nF
555_VI RTUAL
100 Oh m
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_HE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。