十字路口交通信号灯设计 数字电路

毕业设计说明书（论文）
课题名称:十字路口交通信号灯控制电路设计
航空电子设备维修专业 081331班
学生姓名：张林瑶学号 01
指导老师：姚卫华技术职称______________ 2011年 3 月 19 日
毕业设计（论文）任务书
学生姓名：张林瑶班级：081331
1.毕业设计（论文）题目：十字路口交通信号灯控制电路设计
2.毕业设计（论文）使用的原始资料数据及设计技术要求：
1、数字电子技术基础简明教程；
2、集成电子技术基础；
3、电路与数字逻辑设计实践
十字交叉路口分纵、横两组信号灯控制，每组有红、绿、黄三色信号灯显示。

各干道亮灯顺序为：红—>绿—>黄—>红—>绿……，红灯、黄灯、绿灯的亮灯时间分别为35S、5S、30S。

（黄灯5S为闪烁），分别用2位（共4位）LED显示纵、横两路的绿灯亮时间。

3.毕业设计（论文）工作内容及完成时间：
本设计通过对秒信号源产生电路，延时电路，状态控制电路，倒计时计数电路，译码、驱动、显示电路等单元电路的设计完成控制电路的设计。

日期：自2010年12月15日至2011年3月19日
指导老师评语：
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指导老师：_______________ 系主任：____________
城市交通问题越来越引起人们的关注随着我国国民经济的迅速发展，城市街道车辆大幅度增长，给城市交通带来巨大压力，交通拥堵已经成为影响城市可持续发展的一个全局性问题。

已有的许多建立在精确模型基础上的交通系统控制方案都存在着一定的局限性。

研究车辆通行规律，找出提高十字路口车辆通行效率的有效方法，对缓解交通阻塞，提高畅通率具有十分现实的意义。

地面道路是一个庞大的网络，交通状况十分复杂，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。

在现代化的大城市中，十字交叉路口越来越多，在每个交叉路口都需要有一个准确的间间隔和转换顺序，这就需要有一个安全、自动的系统对红、黄、绿灯的转换进行管理。

本次的设计就是基于此目的而设计的。

关键词：交通灯、控制
摘要 (3)
关键词： (3)
一、此设计电路技术指标 (6)
二、交通信号灯工作流程图 (6)
三、总控制电路组成 (6)
四、时序脉冲产生和分频电路 (7)
４.1电路原理图及功能说明 (7)
4.2、芯片引脚图及功能 (8)
五、延时电路 (9)
５.1、74LS161芯片简介 (9)
5.2、延时电路实现及原理 (11)
六、状态控制电路 (12)
6.1、74164芯片简介 (12)
6.2、状态控制电路的实现及原理 (15)
七、倒计时电路 (17)
7.1、74LS193芯片简介 (17)
7.1.1、74LS193引脚图、逻辑符号及功能表： (17)
7.1.2、74LS193状态功能表： (18)
7.2、倒计时电路的实现及原理 (18)
八、译码、驱动、倒计数显示电路 (19)
8.1、74LS249简介 (19)
8.1.1、特点： (19)
8.1.2、引脚功能： (20)
8.1.3、功能表 (21)
8.2、显示电路 (22)
总原理图 (24)
原件清单 (25)
设计总结 (26)
参考文献 (28)
一、此设计电路技术指标
十字交叉路口分纵、横两组信号灯控制，每组有红、绿、黄三色信号灯显示。

各干道亮灯顺序为：红—>绿—>黄—>红—>绿……，红灯、黄灯、绿灯的亮灯时间分别为35S、5S、30S。

（黄灯5S为闪烁）
分别用2位（共4位）LED显示纵、横两路的绿灯亮时间。

二、交通信号灯工作流程图
S0主干道红灯亮，次干道绿灯亮：S1主干道红灯亮，次干道黄灯亮：S2次干道红灯亮，主干道绿灯亮；S3次干道红灯亮，主干道黄灯亮。

四个工作状态不断循环。

流程图如图1所示：
图1
三、总控制电路组成
本控制电路应包含：1、秒信号源产生电路，2延时电路，3、状态控制电路，4、倒计时计数电路，5、译码、驱动、显示电路。

其原理方框图如图2
图2
四、时序脉冲产生和分频电路
４.1电路原理图及功能说明
○1、时序电路是数字系统不可缺少的一个重要组成部分，因为数字电路只有在时钟电路的驱动下才可正常工作。

根据应用场合的不同，不同数字电路选择使用不同类型的时钟发生器。

因为交通灯控制系统的秒信号精度不高，故选用555定时器。

R1、R2和C为定时电阻和电容，其产生信号频率与电路参数关系为：
低电平暂态维持时间：T1=0.7R2C;
高电平暂态维持时间：T2=0.7(R1+R2)C;
周期：T=T1+T2；
占空比：ｑ＝Ｔ2／（Ｔ１＋Ｔ２）＝（Ｒ１＋Ｒ２）／（Ｒ１＋２Ｒ２）；频率f=1／（Ｔ１＋Ｔ２）
据设计要求时钟脉冲频率应为1Hz。

在此占空比取值约为0.5，故T1取值约为0.5，电容C选10uF电解电容；
由:0.5≈0.7×R2×0.00001；
求得:R2≈71KΩ
且根据实际电阻R2取阻值为47kΩ电阻；
T2就取值应约为0.5，
由:0.5≈0.7×（R1+47000）×0.00001；
求得:R1=24.4kΩ，
且根据实际电阻R1取值为22kΩ
故电路实际周期为T=0.7（R1+2R2）C≈0.82s;实际频率为f=1/T≈1.2Hz 故电阻、电容取值为：R1=22kΩ、R2=47kΩ、C=10uF时,产生的时钟信号CP 周期约为1S的矩形波。

电路图如图3所示：
图3
○2、所需器件
555芯片一个；47K、10K电阻各一个；10uF电容器一个
4.2、芯片引脚图及功能
555引脚图如下图4：
图4
1地 GND 2触发
3输出 4复位
5控制电压 6门限(阈值)
7放电 8电源电压Vcc
五、延时电路
５.1、74LS161芯片简介
74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵活的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等很多重要的功能。

其引脚图如下图5;
图5
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)
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。

74LS1 61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。

5.2、延时电路实现及原理
因此设计需要5S和70S两个延时电路，故采用74LS161分别实现一个5进制和一个14进制加法计数器即可。

五秒的延时直接由五进制计数器直接即可实现，而70S延时只需将5秒后的延时脉冲再经14进制计数器即得到70S的延时。

.
○1、五进制计数器采用1片74LS161以及一个与非门和一个非门来实现延时电路，此部分电路相当于将1HZ的时钟信号CP放大5倍，接到状态控制电路的是信号输入端。

利用74LS161的异步清零功能构成一个五进制加法计数器实现延时，
Sn二进制代码: Sn=0101,
归零逻辑：C___R___=P——n=Q___2___Q___1__
电路原理图如下图6所示：
图6
当芯片CP 时钟端接收到五个1Hz 脉冲后Q 3Q 2Q 1Q 0=0101,此时C ___R ___
=0，对计数清零。

同时输出延时5S 的时钟脉冲。

○
2、14进制计数器采用1片74LS161以及两个与非门和一个非门来实现。

此部分电路则是将CP 放大5倍后时钟信号，接到14进制计数器的时钟端，再放大14倍即得到了70S 的延时。

将70S 延时脉冲接到状态控制电路的串行数码输入端（即74164的Ds 端）。

同样，利用74LS161的异步清零功能构成一个14进制加法计数器实现延时
Sn 二进制代码: Sn=1110,
归零逻辑：C ___R ___
=P ——n=Q ___3__Q ___2__Q ___1__
电路原理图如下图7所示：
图7
当芯片CP 时钟端接收到14个CP2脉冲后Q 3Q 2Q 1Q 0=1110,此时输出延时
70S 的时钟脉冲。

同时使C ___R ___
=0，对计数清零。

○
2、所需器件 74LS161芯片两个；非门两个；二输入端与非门三个
六、状态控制电路
6.1、74164芯片简介
74164 为 8 位移位寄存器,其主要电特性的典型值如下：
当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（Q A－Q H）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。

引脚图如图8：
图8
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
Q A－Q H：输出端
其内部逻辑图如下图9：
图9
功能表及时序图：
H－高电平 L－低电平 X－任意电平
↑－低到高电平跳变
Q A0,Q B0,Q H0－规定的稳态条件建立前的电平QAn,QGn －时钟最近的↑前的电平
图10
6.2、状态控制电路的实现及原理
○1、此状态控制电路采用两片74164八位单向移位寄存器级联及若干与非门来实现，其电路原理图如下图11所示：
图11
高位的输出端Q０、Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５相或接绿灯1，Q6接黄灯1；再将绿灯1信号与黄灯1信号相或接红灯2，实现一路交通灯的控制。

将高位Q7与低位Q0、Q1、Q2、Q3、Q4相或接绿灯2和黄灯2，再将绿灯2与黄灯2相或接红灯1，实现另一路交通灯的控制。

高位的DsaDsb输入70S 延时时钟脉冲CP3，低位的DsaDsb端则接高位的Q7。

高、低位CP时钟端接5S延时时钟CP3，C___R___端接高电平。

○2、其工作原理，当高位芯片74164的DsaDsb串行数据输入端接收到第一个时钟脉冲CP3(70S延时脉冲)时，Q0输出端输出1。

并在时钟信号接收的CP端接收到5S延时时钟脉冲CP2的情况下一位一位的右移移位，当移位到低位芯片的Q5即黄灯2闪烁5S后，共用时70S,完成了一个循环。

此时高位芯片的DsaDsb串行数据输入端又接收到一个时钟脉冲CP3(70S延时脉冲)，Q0输出端又输出1。

同样在时钟信号接收的CP端接收到5S延时时钟脉冲CP2的情况下一位一位的右移移位……由此不断循环。

从而实现各种状态对应灯的亮灭。

将黄灯控制信号与1Hz时序脉冲通过与非门再接到黄
灯即可实现黄灯的闪烁。

○3、所需器件
74164芯片两个
二输入端与非门二个、二输入端或门四个、三输入端或门四个
七、倒计时电路
7.1、74LS193芯片简介
74LS193同步可逆递增/递减四位二进制计数器
特点：电路可进行反馈，而很容易的被级联。

即把借位输出端和进位输出端分别反馈到后级计数器的减计数输入端和加计数输入端上即可。

芯片内部有级联电路；同步操作；每触发器有单独的预置端；完全独立的清零输入端
7.1.1、74LS193引脚图、逻辑符号及功能表：
引脚图：
图12
逻辑符号：
图13
引脚功能表：
7.1.2、74LS193状态功能表：
H=高电平 L=低电平 X=不定（高或低电平）↑=由“低”→“高”电平的跃变
7.2、倒计时电路的实现及原理
倒计时计数电路原理图如下图14所示：
图14
○1、功能说明：倒计时计数电路主要由计数器构成，它在整个系统设计中的作用是实现计时计数，在此选用减法计数器，因为本设计说明计时时间可预设，所以需要可预置数的计数器，综合以上要求，采用74LS193。

当交通灯控制系统开始工作时，该部分电路将实现各种状态的转换功能。

首先，将数码管显示两路绿灯都预值为30秒，预值：0011 0000；当其减到0时，计数器产生借位，此时绿灯灭。

直到此绿灯再次亮时，重复上述转换功能，实现倒计时计数。

将两路绿灯的输出信号先通过或门再通过非门接到两芯片的L———D——端，实现倒计时计数，CR端置0；CPD接1HZ的脉冲信号。

Q3、Q2、Q1、Q0端分别接显示74LS249的A3、A2、A1、A0端。

○2、所需器件
74LS193芯片两个
非门一个、二输入端或门一个
八、译码、驱动、倒计数显示电路
8.1、74LS249简介
8.1.1、特点：
开路集电极输出、有试灯输入、有前、后沿的灭零控制。

74LS249 是由与非门、输入缓冲器和7个与或非门组成的B CD-7 段译码器/驱动器。

输出是高电平有效，可驱动灯缓冲器。

7 个与非门和一个驱动器成对连接，以产生可用的B CD 数据及其补码至7个与或非译码门。

剩下的与非门和3个输入缓冲器作为试灯输入()端、灭灯输入/动态灭
灯输出()端及动态灭灯输入()端。

该电路接受4位二进制编码—十进制数（BCD）输入，并根据辅助输入的状态，将这些数据译成驱动其它元件的码。

该电路有前、后沿自动灭零控制（和）。

当端处于高电平
时，试灯可以在任何时刻去进行。

电路并有灭灯输入（），可用来控制
灯亮度或禁止输出。

同54/74LS49 不同之处在于6和9 的显示图形有尾巴。

74LS249 在应用中可以驱动共阴极的发光二极管或灯缓冲器。

8.1.2、引脚功能：
引脚图：
图15
引脚功能：
A,B,C,D：译码输入端
/BI，/RBO：消隐输入（低电平有效）
脉冲消隐输出
（低电平有效）
/LT：灯测试输入端（低电平有效）
/RBI：脉冲消隐输入端（低电平有效）
a~g：段输出（低电平有效）
8.1.3、功能表
H=高电平、L=低电平、×=不定
注：1、要求0 到15 的输出时，灭灯输入（）必须为开路或保持高逻辑电平，若不要灭掉十进制零，则动态灭灯输入（）必须开路或处
于高逻辑电平。

2、当低逻辑电平直接加到灭灯输入（）时，不管其它任何输入端的
电平如何，所有段的输出端都为低电平。

3、当动态灭灯输入（）和输入端A、B、C、D 都处于低电平及试灯
输入() 为高电平时，所有段的输出都为低电平并且动态灭灯输出（）
处于低电平（响应条件）。

4、当灭灯输入/动态灭灯输出（）开路或保持在电平，而试灯输入()为低电平时，则所有各段的输出都为低电平。

*是线与逻辑，用作灭灯输入（）或动态灭灯输出（）之用，
或兼作两者之用。

8.2、显示电路
电路原理图如下图16所示：
图16
74LS249芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器。

可以直接驱动共阴极数码管。

因此，我选用74LS249来实现此部分功能。

○1、将74LS249的4个输入端A3、A2、A1、A0分别与计数器74LS192的输出端Q3、Q2、Q1、Q0相接，再将它的7个输出端接到数码管对应的引脚上，用来控制七段LED显示器的7个发光段。

通过各芯片的综合使用，来实现显示功能。

计时器显示从20秒到00秒，当绿灯不亮时，为了将LED显示的是20（初态）灭掉，将74LS249的RI/IRBO引脚接到绿灯，即可将绿灯不亮时的LED显示灭掉。

○2、所需器件
74LS249芯片两个
共阴极LED数码显示器四个
原件清单
*注：为节约芯片状态控制电路中一个三输入或门可改用两个或门实现
设计总结
随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。

经过几周的奋战我的毕业设计终于完成了。

在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。

毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。

通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。

自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。

通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学，还有授予我知识的老师们！
总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。

最后终于做完了有种如释重负的感觉。

此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

在此要感谢姚卫华老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。

在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。

在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

而且大大提高了我对知识的应用能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。

虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

参考文献
《数字电子技术基础简明教程》，于孟尝，高等教育出版社，2006
《电路与数字逻辑设计实践》，王尧，东南大学出版社，2000
《集成电子技术基础》郑家龙、王小海、章安远主编东北大学出版社 2002。