交通灯设计报告

一．设计要求

（1）在十字路口的两个方向上各设一组红灯、绿灯、黄灯，显示顺序为：其中一个方向是绿灯、黄灯、红灯，另一个方向是红灯、黄灯、绿灯。

（2）设置一组数码管，以倒计时的方式显示允许通行或禁止通行的时间，其中绿灯、黄灯、红灯的持续时间分别为20s、5s、25s。

（3）当各条路中任意一条上出现特殊情况，例如有消防车、救护车或其他需要优先放行的车辆时，各方向上均是红灯亮，倒计时停止，且显示数字在闪烁。当特殊运行状态结束后，控制器恢复原来状态，继续正常运行。

二．设计原理及框图

交通灯控制系统的原理框图如图1所示，它主要由秒脉冲发生器，时间显示器，倒计时计数器，计数控制器，交通灯控制器，交通显示灯，紧急开关构成。秒脉冲发生器是该系统中定时器的标准时钟信号源，同时控制着正常工作时黄灯与特殊情况下数码管数字的闪烁，倒计时计数器控制器控制倒计时计数器，倒计时计数器输出的数字经过时间显示器显示在数码管上。交通控制器控制交通显示灯的亮灭，交通控制灯的输入信号由紧急开关和倒计时计数器共同提供。

图一：交通灯控制系统的原理框图

两方向车道的交通灯的运行状态共有4种，如图2所示，它们转换到数字状态如下图。

TF: 表示甲车道或乙车道红灯亮的时间间隔为25秒，当TF=0时，甲车道为红灯，25秒倒计时；当TF=1时，乙车道为红灯，25秒倒计时。 TS ：表示倒计时到5秒和20秒。TY=0倒计时20秒，否则，TY=1倒计时5秒

一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：

（1）甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止

通行。此时TF=0,TS=0；绿灯亮足规定的时间隔20s ，倒计时计数器发出状态转换信号使TS=1，使计数控制器使TS=1转到下一工作状态。

（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔5s 时，倒计时计数器发出状态转换信号使TF=1，TS=0，使控制器控制译码器转到下一工作状态。

（3）甲车道红灯亮，乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行，绿灯亮足规定的时间间隔20s 时，倒计时计数器发出状态转换信号使TS=1，使控制器控制译码器转到下一工作状态。

（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔5s 时，倒计时计数器发出状态转换信号使

TF=0,TS=0，使计数控制器转到下一工作状态，即系统又转换到第（1）种工作状态。

因为在上述转换过程中灯的转换只在计数器为零的时候发生且不存在竞争冒险的问题，所以可设计为当计数器为00时即发生信号灯的转换，当信号灯1为00时，交通灯控制器向交通显示灯发出转换信号，交通显示灯由红灯变为绿灯；当信号灯1再次为00时，交通灯控制器向交通显示灯发出转换信号，交通显示灯由绿灯变为黄灯；当信号灯1再次为00时，交通灯控制器向交通显示灯发出转换信号，交通显示灯由黄灯变为红灯。信号灯2与信号灯1转换过程相同，只不过信号灯2是由绿灯到黄灯再到红灯的。

三．器件说明

1.元件清单：

(1) 集成元件 74LS161四片 N555一片

74LS192四片 7447N两片

74LS21四片（与门） 74LS04（非门）三片

74LS32五片(或门) 74ls27四片（或非门）

(2)数码管共阳极七段数码管四个

红色LED两个，黄色LED两个，绿色LED两个

(3)电阻 51KΩ一只， 39KΩ一只

(4)电容 10μF 一只，10nF 一只

(5)开关三刀双掷开关一只

2.主要器件的引脚排列图和功能表

（1）N555引脚图：

（2）74ls161

引脚图：

功能表：

（3）74ls192 引脚图：

波形图：

（4）7447n 引脚图：

四．设计过程

4.1.秒脉冲信号发生器的设计：

方案一：

本实验采用555定时器组成秒脉冲信号发生器。因为该电路的输出脉

冲的周期T≈0.7(R

1+2R

2

)·C,若T=1s，令C=10μf，R

1

=39KΩ,那么

R

2≈51KΩ。取一固定电阻47KΩ与一个5KΩ的电位器想串联代替电阻R

2

。在调试电路时，调节电位器R

P ,使输出脉冲周期为1s。如图3.1所示

图3.1秒脉冲信号发生器

方案二：

用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器,如图3.2。

先用石英晶体振荡器和若干电阻电容组成频率为32768Hz的信号发生器，再用十四位二进制计数器CD4060 14进行14分频使其成为2Hz的信号，最后用D触发器进行2分频，使其成为频率为1Hz的秒脉冲信号。

图3.2 石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器

方案选择：

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。但由于本次设计是基于multisim11软件的，，所以在仿真过程中可以使用时钟脉冲电源（1HZ，5V）代替。在仿真精度不高的前提下，也可以使用RC多谐振荡器构成的电路来提供秒脉冲。

4.2 倒计时计数器和时间显示器的设计

倒计时计数器直接控制时间显示器所显示的容，因为交通灯都是倒计时的数字，所以采用可加可减的74ls192，采用俩片74ls192分别对25s，20s，5s进行倒计时，采用异步计数置数法，当两片74ls192的BO为0时置数，即两片

74ls192的QA,QB,QC,QD都为零时置数，不需要再加入脉冲即可实现置数。因

为74ls192的BO引脚不工作时是高电平，所以加非门后连入第二片74ls192，实现十位的倒计时。两片74ls192的QA,QB,QC,QD分别与两片7447N的输入端A,B,C,D相连接；7447N的输出分别与七段共阳数码管的A,B,C,D,E,F,G相连接，两个七段共阳极数码管的CA引脚连接在一起接入紧急开关，以实现数字的闪烁功能。

倒计时计数器和时间显示器如下图：