交通信号灯控制系统-数电课程设计

交通信号灯控制系统-数电课程设计
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⼭东农业⼤学
电⼦技术综合训练
交通信号灯控制系统
院部 jxydzgcxy
专业班级 dqgcjqzdh
学⽣姓名 vtmcjq 学号 20160000 指导教师侯加林、张观⼭
装订线 ……………….……. …………. …………. ………
⽬录
摘要 (2)
关键字 (2)
设计要求 (2)
系统概述 (3)
交通灯逻辑分析 (3)
（1）系统组成 (3)
（2）逻辑分析 (4)
⽅案设计 (6)
（1）定时器的设计 (6)
（2）控制器的设计 (7)
电路图 (9)
交通灯控制系统
曹俊强
摘要：交通信号灯常⽤于交叉路⼝，⽤来控制车的流量，提⾼交叉⼝车辆的通⾏能⼒，减少交通事故。

交通灯控制器主要由控制器、秒脉冲发⽣器、定时器、译码显⽰电路及信号灯组成。

控制器由74LS153与74LS74来实现，脉冲发⽣器⽤晶体震荡器产⽣，计数器采⽤两个74161来实现，显⽰电路经过74LS192的倒计数、七段显⽰译码器7447及七段数码显⽰器连接起来实现。

控制器通过R T对定时器进⾏控制，从⽽实现数字的显⽰及绿、黄、红灯的转换。

关键字：交通灯、控制器、脉冲发⽣器、定时器、译码显⽰、状态转换、主⽀⼲道。

设计要求：
设计⼀个主⼲道和⽀⼲道⼗字路⼝的交通信号灯控制电路，其技术要求如下：
1.⼀般情况下，保持主⼲道畅通，主⼲道绿灯亮、⽀⼲道红灯亮，并且主⼲道绿灯亮的时间不得少于60秒；
2.当主⼲道绿灯亮超过60秒且⽀⼲道有车时，主⼲道红灯亮、⽀⼲道绿灯亮，但⽀⼲道绿灯亮的时间不得超过30秒；
3.每次主⼲道或⽀⼲道绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒。

i.系统概述：
本设计通过采⽤数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路⽤数字信号⾃动控制⼗字路⼝两组红、黄、绿交通灯的状态转换的⽅法,指挥各种车辆和⾏⼈安全通⾏,实现⼗字路⼝交通管理的⾃动化。

因此，在本次课程设计⾥，将以传统的设计⽅法为基础来实现设计交通控制信号灯。

本实验设计⽬的是培养数字电路的能⼒，掌握交通信号灯控制电路的设计⽅法。

系统由秒脉冲信号发⽣器、定时器、控制器、译码显⽰器、信号灯显⽰器五⼤部分组成。

其中秒脉冲信号发⽣器⽤于给各个组成部分提供脉冲信号，通过定时器向控制器发出三种定时信号，使相应的发光⼆极管发光。

译码显⽰器在控制器的控制下，改变交通灯信号，分别产⽣三种倒计时时间显⽰，控制器根据定时器的信号，进⾏状态间的转换，使显⽰器的显⽰发⽣相应转变。

ii.交通灯逻辑分析
（1）系统组成：
系统由控制单元和处理单元组成，控制单元接收外部系统时钟和传感器信号。

处理单元由定时器和译码器组成。

定时器能向控制单元发出60s、30s或5s 定时信号，译码显⽰电路在控制单元的控制下，改变交通灯信号。

HG、HY、HR分别表⽰主⼲道绿、黄、红三⾊灯。

FG、FY、FR分别表⽰⽀⼲道绿、黄、红三⾊灯。

交通灯系统⼯作有三个不同的时间段，TL，TS和TY
交通灯系统框图
上图表⽰位于主⼲道和⽀⼲道的⼗字路⼝交通灯控制系统，每条道路设⼀组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，绿灯表⽰允许车辆通⾏，红灯表⽰禁⽌通⾏，黄灯为过渡灯，表⽰该车道上已过停车线的车辆继续通⾏，未过停车线的车辆禁⽌通⾏。

系统主要由秒脉冲信号发⽣器、定时器、控制器、译码器、信号灯显⽰器组成。

其中控制器是核⼼部分，由它控制定时器和译码器的⼯作，秒脉冲信号发⽣器产⽣定时器和控制器所需的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。

（2）逻辑分析：
图中T
L 、T
S
、T
Y
为定时器的输出信号，S
T
为控制器的输出信号。

HG、
HY、HR分别表⽰主⼲道绿、黄、红三⾊灯，FG、FY、FR分别表⽰⽀⼲道绿、黄、红三⾊灯。

当某车道绿灯亮时，允许车辆通⾏，同时定时器开始计时，当达到
指定时间时，T
L 输出为１，否则T
L
输出为０；
当某车道黄灯亮后，定时器开始计时，当计时到５秒时，T
Y
输出为１，
否则T
Y
＝０；
当某车道红灯亮时，定时器开始计时，当计时到指定时间时，T
S
输出
为１，否则T
S
＝０。

因此，⽤定时器分别产⽣三个时间间隔后，向控制器发出“时间已
到”的信号，控制器根据定时器的信号，决定是否进⾏状态转换。

如果肯定，则控制器发出状态转换信号S
T
，定时器开始清零，准备重新计时。

交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，
分别⽤S
0、S
1
、S
2
、S
3
表⽰。

S
状态：主⼲道绿灯亮，⽀⼲道红灯亮，此时主⼲道允许车辆通⾏，
主⼲道禁⽌车辆通⾏。

当主⼲道绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进⼊下⼀个状态。

S
1
状态：主⼲道黄灯亮，主⼲道红灯亮，此时主⼲道允许超过停车线的车辆继续通⾏，⽽未超过停车线的车辆禁⽌通⾏，⽀⼲道禁⽌车辆通⾏。

当主⼲道黄灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进⼊下⼀个状态。

S
2
状态：主⼲道红灯亮，⽀⼲道绿灯亮。

此时主⼲道禁⽌车辆通⾏，⽀⼲道允许车辆通⾏，当⽀⼲道绿灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进⼊下⼀个状态。

S
3
状态：⽀⼲道红灯亮，⽀⼲道黄灯亮。

此时主⼲道禁⽌车辆通⾏，⽀⼲道允许超过停车线的车辆通⾏，⽽未超过停车线的车辆禁⽌通⾏。

当⽀⼲道红灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进⼊
下⼀个状态------S
1
、S
2
、S
3
状态分别分配状态编码为00、01、11、10，由此得到控制器的状态，如表1，表2所⽰。

状
态
主⼲道⽀⼲道时间（s）
S
绿灯亮，允许
通⾏红灯亮，禁⽌
通⾏
60
S
1
黄灯亮，停车红灯亮，禁⽌
通⾏
5
S
2
红灯亮，禁⽌
通⾏绿灯亮，允许
通⾏
30
S
3
红灯亮，禁⽌
通⾏
黄灯亮，，停车 5
画出控制器的状态转换图，其中T
Y
为控制器的输⼊信号，
S
T
为控制器的输出信号。

iii.⽅案设计：
本设计中由于⽤秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度会影响计数器的精度，进⽽影响控制系统的精度，因此要求秒脉冲信号具有⽐较⾼的精度，为提⾼精度可先做⼀个频率⽐较⾼的矩形波振荡器，然后将其输出信号分频，就可以得到频率较低⽽精度⽐较⾼的脉冲信号发⽣器。

⽤⽯英晶体构成秒脉冲信号发⽣器不需要外加输⼊信号，⽽且其脉冲频率很稳定，起振快、时基精度⾼，它的⼯作频率仅决定于⽯英晶体的振荡频率，⽽与电路中的R、C的数值⽆关。

综上考虑，在实际应⽤中秒脉冲信号发⽣器的设计选⽤⽯英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发⽣器。

定时器的设计：
定时器由计数器构成。

该计数器与系统时钟同步（由时钟脉冲产⽣器提供）同步，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号S
T
作⽤下，计数器
从零开始计数。

并向控制单元提供模M5、M30和M60信号，即T
Y ，T
S
和
T
L
三个不同的持续时间信号。

计数器⼯作在M60状态，并且当计数到4
和29时，也给出T
Y 和T
S
信号。

但此时系统处于S
状态，控制单元只检
测T
L 信号⽽不响应T
Y
、T
S
当系统处于S
状态，为满⾜主⼲道绿灯亮，⽀⼲道红灯亮的持续时
间T
L
>=60s,所以要将M60的输出端反馈到计数器的使能端EN，使它计数到59时停⽌计数，并保持在M=60的状态直到⽀⼲道有车要通过时，才
转换到S
1状态。

要求定时器在状态转换信号S
T
的作⽤下，⾸先清零，然
后开始计数。

控制器的设计：
列出状态转换表，如下表所⽰。

表 2控制器的状态转换表
输⼊输出
现态符号现态状态转换条件次态状态转换信
号
Q
1
n Q
n T
L.
S T
Y S
T S
Q1n+1Q0n+1S T
S
000 ××00 0
S
00 1 ××01 1
S
1
01×0 ×01 0
S
1
01× 1 ×11 1
S
2
11××0 11 0
S
2
11×× 1 10 1
S
3
10×0 ×10 0
S
3
10× 1 ×00 1
选⽤两个触发器作为时序寄存器产⽣四种状态，控制器的转换条件为T L 、T Y 及T S ，当控制器处于Q 1n Q 0n = 00 状态时，如果T L =0，则控制器保持在00状态；如果T L =1，则控制器转换到Q 1n+1Q 0n+1=01状态。

这两种情况与条件T Y 和T S ⽆关，所以⽆关项⽤“×”表⽰。

其余情况依次类推，同时列出状态转换信号S T 。

根据表2，将Q 1n+1、Q 0n+1和S T 为1的项所对应的输⼊和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，可以推出状态⽅程和转换⽅程如下：
11101010
1n n n 0
1
01
1
0s
n n T 1
1
01
01
.+Q Q T +S
S =Q Q .(+S)
n n n n n n n Y Y n n n n L
n n n n n n Y
Y
s Q Q Q T Q Q T Q Q
Q
Q Q T S Q Q S Q Q T Q Q T Q Q T ++=++=++++
⽤四选⼀数据选择器和D 触发器实现，设A 1A 0 = Q 1n Q 0n ，其他变量通过数据输⼊端输⼊。

数据选择器⽤74LS153，触发器⽤74LS74。

设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将T L 、 T S 、T Y 看作输⼊信号，按照由数据选择器实现逻辑函数的⽅法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输⼊端信号可以根据状态⽅程和转换图得出。

交通灯控制电路图。