交通灯控制电路原理及其设计

目录
一、设计目的及意义 (2)
二、设计方案原理与解析 (2)
1、解析系统的逻辑功能及其框图 (2)
2、交通灯控制器的工作流程 (3)
3、整体设计思路 (4)
三、模块说明 (4)
1、秒脉冲发生器 (5)
2、准时器 (5)
3、控制器 (6)
4、译码电路 (8)
四、总系统电路图 (8)
五、主要元件管脚及其功能介绍 (9)
1、555 芯片 (9)
2、74LS163 (10)
3、74LS153 (11)
4、74LS74 (11)
5、 74LS00 (12)
6、 7 段数码管 (12)
六、心得领悟及解析 (13)
七、附录（参照文件） (14)
大纲：交通信号灯常用于交织路口，用来控制车辆的流量，提高交织路口车辆
的通行能力，减少交通事故。

本交通灯设计主要由秒脉冲发生器、准时器、控制器、译码显示电路组成。

秒脉冲发生器由 555 组成的多谐振荡器产生秒脉冲，准时器由 74LS163实现，控制器由 74LS153四选一数据选择器和 74LS74 双 D 触发器组成，译码电路采用 74LS48和七段数码管来显示，红黄绿灯显示电路由逻辑组合电路组成。

控制器经过 ST信号瞄准时器进行控制，从而显示红黄绿灯的变换。

要点字：交通灯控制器秒脉冲发生器准时器译码器
一、设计目的及意义
交通信号灯常用于交织路口，用来控制车辆的流量，提高交织路口车辆的通行能力，减少交通事故。

交通灯的颜色有红、黄、绿三种，当红灯亮时，表示该
方向道路上的车辆或行人禁止通行；黄灯亮时，表示该方向道路上的行人禁止通行以及未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆连续通行；绿灯亮时，表示该方向道路上的车辆或行人赞同通行；交通灯控制电路自动控制十字交织路口
两组红、黄、绿交通灯的状态变换，有序的指挥各种车辆和行人安全通行。

二、设计方案原理与解析
1、解析系统的逻辑功能及其框图
交通灯控制系统的原理框图以下列图。

它主要由控制器、准时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。

秒脉冲信号发生器是系统中准时器的标准时钟信
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，控制器是系统的的主要部分，由它控拟定时器和译码器的工作。

2
图中的 TL：表示骨干道或支干道绿灯亮时的时间为 25 秒，即车辆正常通行的
时间间隔。

在设定的时间内， TL=0，设定的时间到， TL=1。

TY：表示黄灯亮的时间为 5 秒，在设定的时间内 TY=0，设定的时间到， TY=1。

ST：表示准时器到了
规定的时间后，由控制器发出的状态变换信号。

由它控拟定时器开始下一个工作
状态的准时。

2、交通灯控制器的工作流程
准时控制就是准时器按要求设置，并发出的时间初步和终了信号来进行控
制，下面为其详尽工作流程：
①骨干道绿灯亮时，支干道红灯亮。

（Z0 状态）
此时骨干道上的车辆赞同通行，支干道禁止通行。

绿灯亮足规准时间TL 后，控制器发出状态变换信号ST，转到下一工作状态。

②骨干道黄灯亮时，支干道红灯亮。

（Z1 状态）
此时支干道上的车辆禁止通行，骨干道上已过停车线的车辆赞同通行，未过停车线的车辆禁止通行。

黄灯亮足规准时间TY 后，控制器发出状态变换信号ST，转到下一工作状态。

③骨干道红灯亮时，支干道绿灯亮。

（Z2 状态）
支干道上的车辆赞同通行，骨干道禁止通行。

绿灯亮足规准时间TL 后，控制器发出状态变换信号ST，转到下一工作状态。

④骨干道红灯亮时，支干道黄灯亮。

（Z3 状态）
此时骨干道上的车辆禁止通行，支干道上已过停车线的车辆赞同通行，未过停车线的车辆禁止通行。

黄灯亮足规准时间TY 后，控制器发出状态变换信号ST，转到第⑴种工作状态。

由控制器对这四种状态的编码为 00、 01、11、10，并用 Z0、Z1、 Z2、Z3 表示这四种状态，则控制器的工作状态以下表：
3
为了简略起见，将骨干道和支干道上的红、黄、绿三色灯的控制信号分为灯的代号和灯的驱动信号。

把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，记为：
AG=1：骨干道绿灯亮；BG =1 ：支干道绿灯亮；
AY=1：骨干道黄灯亮；BY =1 ：支干道黄灯亮；
AR=1：骨干道红灯亮；BR =1 ：支干道红灯亮；
则可以表示出整个电路的工作状态流程图：
设控制器的初始状态为Z0，当 Z0 的连续时间小于25 秒时， TL=0, 控制器保持 Z0 状态不变。

只有当 Z0 的连续时间等于 25 秒时， TL=1，控制器发出状态变换信号 ST，并变换到下一个状态 Z1。

当 Z1 连续时间小于 5 秒时， TY=0，控制器保持 Z1 状态不变；当 Z1 连续状态等于 5 秒时， TY=1，控制器发出状态变换信号ST，并变换到下一个状态Z2。

依次类推，将实现这四种状态的变换无量循环。

3、整体设计思路
整个电路图设计主若是由秒脉冲发生器、准时器、控制器和译码电路四个部分组成。

其中秒脉冲发生器是由 555 多谐振荡器产生的脉冲信号，准时器是由
74LS163 实现的，控制器是由 74LS74 完成，译码器是由组合逻辑实现。

总的控制电路是由 74LS153产生的状态变换信号控拟定时器来实现红、黄、绿灯的变换
功能。

三、模块说明
4
交通灯控制电路1、秒脉冲发生器VCC
5V
由 555 多谐振荡器组成，其参数为：
R1R2 51k ,C110 F
则其振荡周期为：
T0.7 R1 2 R 2C 1 .071 s 周在即似为 1s,组成了秒脉冲发生器。

R3
A2
VCC
51k Ω
RST OUT
DIS
R4THR
51k ΩTRI
CON
C4GND
555_VIRTUAL 10μ F C3
0.01 μ F
2、准时器
准时器由系统秒脉冲和同步计数器组成，计数器在状态变换信号ST 作用下第一清零，尔后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行加 1 计数，向控制器供应 5 秒的黄灯准时信号TY和 25 秒的红灯或绿灯准时信号TL
VCC
U10C VCC
5V&
5V
U174LS00D
U3
3A VCC16CK
16
4B VCC
5C QA147A OA13
6D QB131B OB12
U5
QC122C OC11
7ENP QD116D OD10
10ENT OE9
RCO153~LT OF15 A B CDEFG
2~LOAD5~RBI OG14
1~CLR4~BI/RBO
9
8GND CLK
8
GND VCC74LS48D
74LS163D
U10B5V
74LS00D
&
VCC
5V U10A VCC
外接控制信号
&74LS00D
U25V
3
A 16U4CK
4
VCC
16 B VCC
5C QA147A OA13
6D QB131B OB12
U6 QC122C OC11
7ENP QD116D OD10
10ENT OE9
RCO153~LT OF15ABCDEFG
2~LOAD5~RBI OG14
1~CLR4~BI/RBO
9
8GND CLK
V18GND74LS48D
100 Hz74LS163D
VCC
5 V
5V
由两片 74LS163组成，第一将单片的 74LS163由 16 进制计数器变换为十进制计数器，即取反响信号 Q3Q0输入到置位LOAD端，同季节 D 3D 2D 1D 0 0000 即
将 A、B、C、D 端都接地。

同时将两片 74LS163 进行串行扩展，马上低位片的信
号Q
31
Q
01 输入到高位片的使能端，实现每当低位片计数到1001时，产生一个进
5
位信号，使高位片进行加 1 计数，完成了将 16 进制变换为十进制计数功能。

实现了以下状态变换：
Q 3Q 2Q 1Q 0
：
在计数器的输出端取状态变换信号 TL 、 TY 。

即 TL Q 12Q 21、 TY Q 21 实现当绿灯或红灯亮够 25 秒后， TL=1发出状态变换信号，进入下一个状态；黄灯亮够 5 秒后 TY=1,进入下一个状态。

3、控制器
依照交通灯的工作状态流程图，可以列出控制器的状态变换表以下：
依照状态变换表，推出状态方程和变换信号方程
：
Q 0
n 1
Q 1n Q 0n T L Q 1n Q 0
n
Q 1n Q 0n
T L Q n 1
Q n Q n T Q n Q n
Q n Q n T
1
1 0 Y
1 0
10 Y
S T Q 1n Q 0n T L Q 1n Q 0n T Y Q 1n Q 0n T L Q 1n Q 0n T Y
n
n
将 74LS74双 D 触发器初始状态值 Q 1 、
Q 0 加到 74LS153 数据端作为地址信号即可实现控制功能。

则对 74LS153数据输入端有：
对于： Q 0n 1 Q 1n Q 0n T L Q 1n Q 0n Q 1n Q 0n T L
6
令： D0T L , D11, D20, D3T L即可实现
对于：Q1n 1Q1n Q0n T Y Q1n Q0n Q1n Q0n T Y
令： D
00,D T ,D T , D
3
1 1Y2Y
对于： S Q n Q n T Q n Q n T Q n Q n T Q n Q n T T 1 0 L 1 0 Y 1 0 L10 Y
令： D0T L,D1T Y,D2T Y,D3T L
控制电路图：
VCC
5V
U7
TL非
VCC16 67 1C01Y
51C1
41C2
31C3
TY 非
TL 102C02Y9
112C1
122C2
132C3
14A
2B
1
~1G
15
~2G
8
GND
VCC
5V
U9
74LS153D1~1CLR VCC14
213
3
1D~2CLR
12
1CLK2D
4~1PR2CLK11
510
1Q~2PR
6~1Q2Q9
7GND~2Q8
TY
74LS74D
U8
16
VCC
VCC
67
1C01Y
51C15V
41C2
3U11C
1C3ST
非102C02Y
9
&
112C1
122C2
74LS00D
132C3
14A
2B
1
~1G
15
~2G
8
GND
74LS153D
7
交通灯控制电路4、译码电路
发光二级管模拟红绿灯电路跟控制器的输出信号有关，依照交通灯的工作状态流程图，可以列出红绿灯与控制器输出信号的关系以下表：
骨干道：
AG Q1n Q0n AY Q1n Q0n AR Q1n Q0n Q1n Q0n Q1n 支干道：
BG Q1n Q0n BYQ 1n Q 0n BR Q1n Q 0n Q1n Q 0n Q1n
则译码显示电路为：
主干道
U21C U22C
R1LED1
&&
74LS00D74LS00D
100Ω
Q1 非U23C U25C
R2LED2 &
&
100Ω
74LS00D
74LS00D
Q0 非R3LED3
100ΩQ0
Q1
U10B
支干道
U10C LED4
&R4
&
74LS00D
74LS00D
100Ω
U17B
U20B
LED5
&R5
&
74LS00D
74LS00D
100Ω
R6LED6
100Ω
四、总系统电路图
8
VCC
U10D
VCC
VCC
5V
&
5V
U4
5V
74LS00D
3 A VCC 16
U3
CK
16 U1
4 B
QA
14
7 VCC
骨干 道
5
C A
OA
13
6 D
QB 13
1 B OB 12
U5
6 1C0 VCC 16
U21C
U22C
QC 12
2 C OC 11
1Y 7
R1
LED1
7
ENP
QD
11
6
D
OD 10
5
1C1
&
&
10
ENT
OE 9
4
1C2 RCO
15
3 ~LT 15 3
2 ~LOAD OF ABCDEFG
1C3
100 Ω
5 ~RBI OG
14
10 2C0 2Y 9
74LS00D
74LS00D
1 ~CLR
4 ~BI/RBO
9 CLK
8
GND
11 2C1
U25C
74LS48D
12 2C2
U23C
R2
LED2
8
GND
VCC
13 2C3
VCC
&
74LS163D
14 A
&
100 Ω
2
B
5V
74LS00D
5V
1 74LS00D
~1G 15 ~2G
R3
LED3
8
U2
GND
U11C
U11D
74LS153D
1
~1CLR VCC 14
TL
2
13 100 Ω
U11A
&
&
3 1D~2CLR 12
1CLK 2D
& 74LS00D
4 ~1PR 2CLK 11 74LS00D
74LS00D
5 1Q ~2PR 10
6 ~1Q 2Q 9
7
8
GND
~2Q
74LS74D
TY
U17A
VCC
VCC
&
U16
6
VCC 16
74LS00D
1C0 1Y
7
5V
5
5V
支干 道
U10A
1C1 VCC
4
U10B
3
1C2
U11B
U10C
VCC
& 74LS00D
1C3
&
R4
LED4
U6
5V
10 2C0 2Y
9
&
&
11 2C1
74LS00D
100 Ω
5V
3 A VCC 16
U8
CK 12 2C2 74LS00D
74LS00D
秒脉冲发生电路
VCC 16
13
2C3
4 B
5 C QA 14
7 A
OA 13
14 A
6
D
QB 13 1 B OB 12 2 B
U17B
QC 12
2 C OC 11
U9
U20B
7 ENP
QD
11
6
D
OD 10
1 ~1G
&
R5
LED5
R7
10 ENT
OE 9
15
~2G
&
A2
RCO 15
3 ~LT OF 15 ABCDEFG
8
GND
51k Ω
2
~LOAD
5
~RBI
OG
14
74LS00D
100 Ω
VCC
1
~CLR 4
~BI/RBO 74LS153D
74LS00D
8
RST
OUT
9 CLK
GND
8
GND
74LS48D
R6
LED6
DIS
74LS163D
R8
THR
VCC
100 Ω
51k Ω
TRI
ST 取反信号
CON
5V
C4 C3
GND
555_VIRTUAL
10μF
0.01 μF
整个电路图，第一由 555 组成的多谐振荡器产生一个秒脉冲，作为 74LS153
和 74LS74的时钟信号。

开始仿真时，骨干道上绿灯亮支干道上红灯亮，处于Z0 状态，当计数器记到 24 秒时，在时钟信号的下一个上升沿到来时 TL=1，74LS74
输出状态变换信号
ST=1，计数器清零，重新开始开始下一轮计数，电路变换到
Z1 状态，即骨干道上黄灯亮，支干道上红灯亮，同时 ST 马上跳变为 0；当计数
器记到 4 秒时，在时钟信号的下一个上升沿到来时
TY =1，74LS74输出状态变换
信号 ST=1，计数器清零，重新开始开始下一轮计数，电路变换到
Z2 状态，即主
干道上红灯亮， 支干道上绿灯亮， 同时 ST 马上跳变为 0；当计数器记到 24 秒时， 在时钟信号的下一个上升沿到来时 TL=1，74LS74输出状态变换信号 ST=1，计数 器清零，重新开始开始下一轮计数，电路变换到
Z3 状态，即骨干道上红灯亮，
支干道上黄灯亮，同时 ST 马上跳变为 0；在记满 5 秒后，电路又由 Z3 状态跳变 回 Z0 状态，开始下一轮的循环。

这样循环往复下去，电路素来在
Z0、Z1、 Z2、
Z3 这四种工作状态之间切换。

五、主要元件管脚及其功能介绍
1、555 芯片
9
555 集成电路是 8 脚封装，双列直插型，如
图所示，其中 6 脚称阈值端 (TH) ，是上比较
器的输入； 2 脚称触发端 (TR) ，是下比较器的
输入；3 脚是输出端 (Vo) ，它有 O和 1 两种状
态，由输入端所加的电平决定； 7 脚是放电端
(DIS) ，它是内部放电管的输出，有悬空和接
地两种状态，也是由输入端的状态决定；4
脚是复位端 (MR)，加上低电平时可使输出为低电平； 5 脚是控制电压端 (Vc), 可用它改变上下触发电平值； 8 脚是电源端， 1 脚是地端。

2、74LS163
74LS163是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器，他可以灵便的运用在各种数字电路，以及单片机系统种实现分频器等好多重要的功能，：
<74ls163 引脚图 >
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)
10
交通灯控制电路
输入输出
CR CP LD EP ET D3D2D1D0Q3Q2Q1Q0
0↑x x x x x x x0000
1↑0x x D C B A DC B A
1↑10x x x x xQ3Q2Q1 Q0
1↑1x0x x x xQ3Q2Q1 Q0
1↑111x x x x状态码加 1
3、74LS153
74ls153 是常用的双 4 选 1 数据选择器
/多路选择器，所谓双4 选1 数据选择器就
是在一块集成芯片上有两个 4 选 1 数据选择
器， 74ls153 引脚图如右图。

74153 里面有
两个地址码共用的 4 选 1 数据选择器。

经过
输入不同样的地址
码A1，A0，可以控制输出 Y
选择 4 个输入数据 D0～ D3中的一个。

74LS153功能表
选择输入数据输入选通输入输出
B A C0C1C2C3G Y
L L L×××L L ××××××H L L L H×××L H L H×L××L L L H×H××L H
H L××L×L L
H L××H×L H
H H×××L L L
H H×××H L H
4、74LS74
74LS74内含两个独立的 D上升沿双 D 触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（）复位输入（）时钟输入（ CP）和数据输出（ Q）。

、的低电平使输出预置或除去，而与其他输入端的电平没关。

当、均无效（高
11
电平）时，吻合成马上间要求的 D 数据在 CP上升沿作用下传达到输出端。

74ls74 功能表
输入输出
SD RD CP D Qn＋1Qn＋1
01××10
10××01
00××φφ
11↑110
11↑001
11↓×Qn Qn
74ls74引脚图
5、74LS00
74LS00是常用的 2 输入四与非门集
成电路，其内部集成有四个 2 输入与非
门，右图为其管脚图，其中3、6、8、11
管脚分别为四个与非门的输出。

6、7 段数码管
7 段数码管一般由 8 个发光二极管组成，其中由 7 个修长的发光二极管组成数字显示，别的一个圆形的发光二极管显示小数点。

当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发光。

控制相应的二极管导通，就能显示出各种字符，尽管显示的字符形状有些失真，能显示的数符数量也有限，但其控制简单，使有也方便。

发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极数码管，阴极连在一起的称为共阴极数码管，以以下列图所示。

12
共阴极
7 段数码管内部字段LED 和引脚分布
六、心得领悟及解析
经过这两周的电子课程设计，我学到了好多。

在理论解析设计阶段，由于老师将整个系统电路的原理讲解得很透彻，并且给了好多提示及参照电路，我认为理论设计不算太复杂。

在整个电路中，我认为最难设计的就是如何实现信号灯状态的变换，也就是控制电路的设计。

这个部分老师已给了参照提示电路，巧妙的利用了 Z0、Z1、Z2、Z3 来表示灯亮的四种状态，且用 74ls153 数据选择器、 74LS74 双Ｄ触发器来实现四种状态之间的变换，这点很不简单想到。

同时控制电路也是整个电路的要点所在。

大概用了一节气间，将各个模块电路设计完成，并且将其组合起来，完成了整体电路的功能。

但是，在焊接电路板时，才真切认识到理论与实践的差距原来这么大， multisim 仿真中一个简单的计时电路，在焊接时都出了问题，并且电
路板上的线太多，让人看得头晕眼花，这是对我的耐心与毅力很好的考验。

一旦测试功能时出了问题，我就要在这乱糟糟的线中按元件管脚一根一根的查找问题。

可以说，焊接是一个需要认真与耐心的技术活。

在焊接电路板的过程中，我们也是分模块焊接的，第一焊接的是555 准时器组成的秒脉冲发生电路，这个模块比较简单，我们一次焊接就成功了，当调试出结果后，我们特别有信心能将整个电路全部焊接完成并实现功能。

但是在接下来的计数模块焊接中出了问题，低位计数器能正常工作，数码管显示从0 到9 尔后又变 0，是正确的，而显示高位的数码管直接不工作，显示的数字是乱码的。

我
13
立故意识到可能是数码管的管脚焊接错了，经过和仿真图的认真比对，果然不出我所料，原来是数码管的 9 管脚和 10 管脚上的导线焊接反了，我们马上换了过来，再测试，功能正确了，能正常计数，我们欣喜若狂。

在接下来的焊接过程中，我们更加认真，更加小心了，后边的控制电路和译码显示电路都焊接得很成功，
基本上都是一步到位，最后电路全部功能均已实现，但唯一有一点小瑕疵的是，
我们的一个 7 段数码管，有两段坏了，不亮，但是不影响电路的整体功能。

经过3天的焊接，我们终于完成了全部工作，实现了电路功能。

总的来说，此次电子课程设计是对我们理论知识与实践环节的测试。

要完成这项测试，不但需要扎实的理论基础与娴熟的焊接技术，更需要认真、认真、耐心的优异质量。

此次实践同时也锻炼了我们的创新思想与实践着手能力。

最后感谢老师的悉心指导与勤奋付出，感谢老师给我们供应了此次实践的机遇，让我们学到了好多，收获了好多。

七、附录（参照文件）
唐治德《数字电子技术基础》
14。