简易交通灯的设计

目录

一、设计任务和基本要求 (3)

二、实验原理 (3)

三、交通灯电路设计 (5)

四、交通灯的仿真结果图 (14)

五、交通灯的仿真总电路图 (15)

六、元器件清单 (16)

七、收获与体会 (17)

八、参考文献 (17)

一．设计任务和基本要求

（一）设计任务

设计一个十字路口交通灯信号控制器。

（二）基本要求

由一条主干道和一条支干道的汇合点形成十字交叉路口，为确保车辆安全迅速地通行，在交叉路口的每个入口处设置了红绿黄三色信号灯。红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮提醒司机将行驶中的车辆停靠在禁止线之外。

①定周控制：主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒

②每次由绿灯变红灯时，应有5秒黄灯作为过渡

③分别用红黄绿色发光二极管表示信号灯

④设计计时显示电路

二．实验原理

交通信号灯自动定时控制器用中小规模数字集成电路实现非常方便，而且便于在multisim内进行仿真实验。利用计算机和Multisim仿真软件将使系统的分析过程大大简化，而且更加直观。

设系统工作的十字路口由主、支两条干道构成，4路口均设红、黄、绿三色信号灯和用于计时的2位由数码管显示的十进制计数器，其示意图如图1所示。

图1 十字路口交通信号灯控制示意图

根据交通规则，交通信号灯自动定时控制器所需实现的功能如下：

(1)主、支干道交替通行。

(2)每次绿灯换红灯前，黄灯先亮较短时间用以等待十字路口内滞留车辆通过。

(3)主支干道通行时间和黄灯亮的时间均可由同一计数器按减计数方式计数(零状态瞬间进行状态的转换，视为无效态)。

(4)在减计数器回零瞬间完成十字路口通行状态的转换(换灯)。

(5)计数器的状态由Multisim显示器件库中的带译码器七段数码管显示，红、黄、绿三色信号灯由Multisim显示器件库中的指示灯模拟。

1．系统工作流程图

设主干道通行时间为45S，支干道通行时间为25S，主、支干道黄灯亮的时间均为5S。系统工作流程图如图2所示。

图2 系统工作流程

2．系统硬件框图

硬件结构框图如图5－3所示。

图3硬件结构框图

三．交通灯电路设计

1.控制器的设计：

控制电路部分由74LS164组成环形计数器，然后经译码后，输出十字路口主干道、支干道两个方向的控制信号。即利用74LS164串行输入并行输出移位寄存器构成计数器和附加其他基本门信号组成。

图4（a）74LS164逻辑符号（b）74LS164引脚图

根据交通灯控制要求和原理规则，可将控制器的真值表表示如下：

表（1）

（注：“G”“Y”“R”分别表示绿、黄、红信号灯；对于信号灯的状态，“1”表示信号灯亮，“0”表示信号灯灭。）

设74LS164的初始状态为Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 =00000000，则在第一个CP脉冲到来之前，74LS164的输入端1、2为高电平，CP脉冲到来之后Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 =10000000，G1、、R2 为高电平，即主干道绿灯亮和支干道红灯亮，在第二个CP脉冲到来之后，74LS164得输出为Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7=11000000，依此类推。由真值表表（1），容易得到主干道、支干道方向上的控制信号逻辑表达式：

G1=Q0+, Y1=Q1 , R1=Q7 , G2=Q6 , Y2=Q7 , R2=Q1+

根据上述逻辑表达式可画出电路图。电路中信号灯用发光二极管来模拟，另外在电路中加入保护电阻，避免流入发光二极管的电流过大。由于电路工作时高电平约为5V，所以选用100Ω的保护电阻即可。(注：电路图中Q A——Q H分别对应上述Q0——Q7)

图5 控制器的仿真图

2,显示电路的设计

方案一：支干道红灯R2为高电平时，将此高电平引入主干道减法计数器的CP输入端，

打开与门，使减法计数器对到来的CP脉冲计数，实现倒计时。同理利用主干道红灯R1高电平信号打开非门，使支干道减法计数器倒计时计数。

另外当支干道黄灯Y2为高电平时，利用非门将高电平翻转为低电平接入主干道减法计数器的置数端，置入绿灯倒计时数据。同理利用主干道的黄灯Y1高电平对支干道减法计数器置数。

此方案的不足之处在于只有绿灯亮时有倒计时显示，而其它灯亮时没有，不能很好的满足课题要求，所以放弃该方案。

方案二：只要信号灯状态发生改变，便将其信号引出到减法计数器的置数端，实现每次状态改变时的预置数，再对预置数据减法计数，实现倒计时功能。本电路采用此种方案。具体过程如下：

由于主干道红绿黄灯维持的时间分别为30、45、5秒，支干道三者维持时间分别为50、25、5秒，所以可以采用两片十进制可逆计数器74LS190级联对主、支干道分别进行减计数，后续采用两片7447七段显示译码器对倒计时数字进行译码，并将结果输入到两个数码管由此显示出来。

下表（2）表示各干道信号灯状态转换情况：

倒计时显示利用两个数码管分别作为十进制两位数的十位和个位显示。这里须将表（1）中各干道每种灯亮的时间表示为二进制数，结果如下表（3）。

表（3）

由上表容易得到主、支干道中74LS190各输入端应当接入的信号，见下表：

秒脉冲信号经分频器（5分频）输入给74LS164，为每5秒向前移一位。当主干道方向绿灯亮，而次干道方向红灯亮时，使主干道的74LS190以减法计数方式工作，从数字4 5开始往下减，当减到0时，主干道方向绿灯灭，黄灯亮，并且主干道计数器重新置数，倒计时5秒，为黄灯持续时间；当黄灯倒计时为0时，主干道红灯亮次干道绿灯亮，主次干道计数器重新置数，分别为30秒，25秒，开始倒计时，以此类推。

图中用或门连接主次干道74LS190的各输入端，引入LD端，实现倒计时为零时的重新置数。

下面附上4位同步二进制可逆计数器74LS190的详细说明：

图（6）中（a）是单时钟十进制可逆计数器74LS190的逻辑符号，（b）是其引脚排