十字路口交通灯控制系统

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摘要
本设计是在掌握了单片机及其仿真系统使用方法基础上，综合应用数字电子技术原理、微机原理等课程方面的知识，设计一个采用74LS系列器件来控制的交通灯控制电路。

该设计结合实际情况给出了一种简单，低成本城市交通灯控制系统的硬件及软件设计方案、各个路口交通灯的状态循环显示。

硬件的设计采用74LS系列器件为核心器件。

它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。

十字路口的交通灯在工作时应具有如下特点:红灯表示该条道路禁止通行；黄灯表示该条道路上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯亮表示该条道路允许通行。

本设计利用单片机控制可以实现以下功能：
（1）当东西方向为红灯，此道车辆禁止通行，东西道行人可通过；南北道为绿灯，此道车辆通过，行人禁止通行。

时间为25秒。

（2）黄灯闪烁5秒，警示车辆和行人红、绿灯的状态即将切换。

（3）当东西方向为绿灯，此道车辆通行，行人禁止；南北方向为红灯，车辆禁止通过，行人通行。

时间为20秒。

来实现整个交通次序。

关键字:交通灯红.黄.绿.灯74LS系列器件、555定时器
目录
引言 (4)
第一章概述 (5)
第二章系统设计及要求 (6)
2.1设计目的 (6)
2.2 设计要求 (6)
第三章交通灯设计原理 (7)
第四章交通灯的硬件设计 (10)
4.1时序脉冲产生和分频电路设计 (10)
4.1.1 555芯片的引脚说明及工作原理 (10)
4.1.2 74LS04芯片的引脚说明及工作原理 (12)
4.1.3 时序脉冲产生和分频电路原理图 (13)
4.2 交通灯系统倒计时计数电路设计 (13)
4.2.1 74LS192芯片的引脚说明及功能 (13)
4.2.2 倒计时计数电路的原理图 (15)
4.3 交通灯系统状态控制电路设计 (15)
4.3.1 74LS194芯片的引脚说明及功能 (15)
4.3.2 74LS32芯片的引脚说明及功能 (17)
4.4 交通灯系统显示电路设计 (18)
4.4.1 74LS48芯片的引脚说明及功能 (18)
4.4.2 交通灯系统显示电路原理图 (20)
第五章交通灯系统调试 (21)
5.1 整个交通灯控制系统的总电路仿真 (21)
5.2 交通灯控制系统的各部分电路分析 (22)
5.2.1 交通灯系统计时器显示电路仿真 (22)
5.2.2交通灯系统控制电路仿真 (22)
5.2.3交通灯系统定时电路仿真 (23)
5.2.4交通灯系统时序电路仿真 (24)
第六章总结 (25)
参考文献 (26)
引言
当今，红绿灯安装在各个道路口上，已经成为疏导交通车辆最常见和最有效的手段。

但这一技术在19世纪就已出现了。

1858年，在英国伦敦主要街头安装了以燃煤气为光源的红，蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行。

这是世界上最早的交通信号灯。

1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。

它由红绿两以旋转式方形玻璃提灯组成，红色表示“停止”，绿色表示“注意”。

1869年1月2日，煤气灯爆炸，使警察受伤，遂被取消。

电气启动的红绿灯出现在美国，这种红绿灯由红绿黄三色圆形的投光器组成，1914年始安装于纽约市5号大街的一座高塔上。

红灯亮表示“停止”，绿灯亮表示“通行”。

1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。

带控制的红绿灯，一种是把压力探测器安在地下，车辆一接近红灯便变为绿灯；另一种是用扩音器来启动红绿灯，司机遇红灯时按一下嗽叭，就使红灯变为绿灯。

红外线红绿灯当行人踏上对压力敏感的路面时，它就能察觉到有人要过马路。

红外光束能把信号灯的红灯延长一段时间，推迟汽车放行，以免发生交通事故。

信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，减少交通事故有明显效果。

1968年，联合国《道路交通和道路标志信号协定》对各种信号灯的含义作了规定。

绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行，左转弯和右转弯，除非另一种标志禁止某一种转向。

左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通行。

红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。

黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

第一章概述
在最近的几年，随着科技的飞速发展，单片机不断的应用于各个领域，带动了传统控制检测技术，使其日益更新。

在实时检测和自动控制中，单片机通常是作为一个核心部件来使用，在整个系统中，只有单片机是不够的，还需要有相应的硬件和软硬件加以结合，加以完善。

在十字路口，我们都知道从四面八方使来的车辆和行人都要经过这里，那么要通过什么办法来实现车行车道，人行人道，有条不紊呢?这就要通过交通信号灯的自动指挥系统来加以实现。

交通信号灯控制方式很多。

本系统使用4只LED数码显示两个方向的剩余时间。

在信号灯的出现之后，使得交通得到了很好的管理，在车辆多时对于疏导交通有了很大的改善、不但提高道路通行效率，而且也减少了交通事故。

我们人为规定绿灯为通行信号，面对绿灯的车辆可以通行，左转弯和右转弯，红灯是禁行信号，面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。

黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时可以进入交叉路口。

本系统采用555定时器为中心器件来设计交通灯控制器，秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制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，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作，实现了能根据实际车流量来设置红、绿灯燃亮时间的功能。

红绿灯循环点亮，倒计时剩5秒时黄灯闪烁警示，绿灯时间可检测车流量并可通过4
个数码管显示。

本系统实用性强、操作简单、扩展功能强。

第二章系统设计及要求
2.1设计目的
交通灯通过有规律的变换红灯和绿灯的亮与灭控制车辆的通行，这是交通灯的基本功能。

整个系统主要有：南北红灯、南北黄灯、南北绿灯、东西红灯、东西黄灯、东西绿灯，每个灯的燃亮情况由芯片80C51的P1口控制。

东西、南北两干道交于一个十字路口，各干道有一组红、黄、绿三色的指示灯，指挥车辆和行人安全通行。

红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行。

黄灯亮提示人们注意红、绿灯表2-1的状态即将切换，且黄灯燃亮时间为东西、南北两道的公共停车时间。

设南北道比东西道的车流量大，指示灯点亮的方案如表2-1所示：
指示灯燃亮的时间方案表：
交通灯有能看到的实物，这样跟能说明问题，用到所以元件在附录（2）2.2 设计要求
第三章交通灯设计原理
十字路口交通灯控制系统它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。

交通灯原理框图如下图1所示，图中：TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔，即车辆正常通行的时间间隔。

定时时间到，TL=1，否则，TL=0。

TY：表示黄灯亮的时间间隔。

定时时间到，TY=1，否则，TY=0。

ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。

由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

图1 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(因人行道的交通灯和车道的交通灯是同步的,所以不考虑)，如图2所示：
一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：
（1）图甲车道绿灯亮，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。

绿灯亮足规定的时间隔TL 时，控制器发出状态信号ST ，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TY 时，控制器发出状态转换信号ST ，转到下一工作状态。

（3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。

表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL 时，控制器发出状态转换信号ST ，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TY 时，控制器发出状态转换信号ST ，系统又转换到第（1）种工作状态。

交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。

设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用A0、A1、A2、A3表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示。

控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。

为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
AG=1：甲车道绿灯亮；
BG=1：乙车道绿灯亮；
AY=1：甲车道黄灯亮；
BY=1：乙车道黄灯亮；
A R=1：甲车道红灯亮；
BY=1：乙车道红灯亮；
第四章交通灯的硬件设计
4.1时序脉冲产生和分频电路设计
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。

时序电路中包括555芯片一个，51K、39K电阻各一个，10UF、0.01UF电容器各一个，非门芯片74LS04一个。

4.1.1 555芯片的引脚说明及工作原理
（1）555芯片引脚图及引脚描述
1脚为地。

2脚为触发输入端。

3脚为输出端，输出的电平状态受触发器控制，而触发器受上比较器6脚和下比较器2脚的控制。

当触发器接受上比较器A1从R脚输入的高电平时，触发器被置于复位状态，3脚输出低电平，但有一个先决条件，即2脚电位必须大于1Ucc/3时才有效。

3脚在高电位接近电源电压Ucc，输出电流最大可达200mA。

4脚是复位端，当4脚电位小于0.4V时，不管2、6脚状态如何，输出端3脚都输出低电平。

5脚是控制端。

当V c端不接控制电压时，对TH(R)端来讲，>2/3VDD是高电平1,<2/3VDD是低电平0：而对TR(S)端来讲，>1/3VDD是高电平1，<1/3VDD 是低电平0。

如果在控制端(Vc)上接控制电压Vc时，这时上触发电平就变成Vc 值，下触发电平就变成1/2Vc值。

6脚为阈值端，只对高电平起作用，低电平对它不起作用，即输入电压大于2Ucc/3，称高触发端，6脚和2脚是互补的，2脚只对低电平起作用，高电平对它不起作用，即电压小于1Ucc/3，此时3脚输出高电平。

7脚称放电端，与3脚输出同步，输出电平一致，但7脚并不输出电流，所以3脚称为实高（或低）、7脚称为虚高。

7脚又叫放电端(DIS)，我们可以看成是由内部放电开关控制的一个接点，由触发器的Q端控制：Q=1时DIS端接地，Q=0时DIS端悬空
8脚是集成电路工作电压输入端，电压为5～18V，以UCC表示；从分压器上看出，上比较器A1的５脚接在R1和R2之间，所以5脚的电压固定在2UCC/3
上；下比较器A2接在R2与R3之间，A2的同相输入端电位被固定在UCC/3上。

引脚图及电路组成如下图3所示：
图3 555引脚图及电路组成
（2）555的工作原理
它含有两个电压比较器，一个基本RS 触发器，一个放电开关T ，比较器
的参考电压由三只5K Ω的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比
较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为Vcc 32和Vcc 3
1。

C1和C2的
输出端控制RS 触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号输入并超过Vcc 3
2
时，
触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信
号自2脚输入并低于Vcc 3
1
时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，
开关管截止。

D R 是复位端，当其为0时，555输出低电平。

平时该端开路或接Vcc 。

Vco 是控制电压端（5脚），平时输出Vcc 3
2
作为比较器A1的参考电平，当5
脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控
制，在不接外加电压时，通常接一个0.01F 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T 为放电管，当T 导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路.
（3） 555电路的引脚功能
4.1.2 74LS04芯片的引脚说明及工作原理
4.1.3 时序脉冲产生和分频电路原理图
图5 时序脉冲电路原理图
4.2 交通灯系统倒计时计数电路设计
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，在此我选用减法计数器，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74LS192。

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，将数码管显示一路绿灯的预值（20秒），预值：0010，0000；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。

将绿灯的输出接到芯片的LD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74LS48的A3、A2、A1、A0端。

4.2.1 74LS192芯片的引脚说明及功能
（1）74LS192芯片的引脚说明
74LS192是双时钟方式的十进制可逆计数器。

CPU为加计数时钟输入端，CPD为减计数时钟输入端。

LD为预置输入控制端，异步预置。

CR为复位输入端，高电平有效，异步清除。

CO为进位输出：1001状态后负脉冲输出，
BO为借位输出：0000状态后负脉冲输出。

74LS192引脚图如图6所示：
图6 74LS192引脚图（2）74LS192芯片的功能表
表三74LS192芯片的功能表
4.2.2 倒计时计数电路的原理图
图7 倒计时计数电路原理图
4.3 交通灯系统状态控制电路设计
74LS194为双向移位寄存器，当M1M0置为“11”时，首先对其进行置数，将Q0的值置为1，其余的置为0，再将Q0与Q1用或门相接，接到绿灯1，再与Q2相或，送给红灯2，Q2送给黄灯1；同样的，将低位的74LS194的Q0-Q3端接到相应的交通灯。

接着将M1M0置为“01”，实现移位功能，通过与或门芯片74LS32连用，实现交通灯循环亮灯的控制功能。

4.3.1 74LS194芯片的引脚说明及功能
（1）74LS194的引脚说明
D 0~D
3
：并行输入端； Q
~Q
3
：并行输出端；
S 0、S
1
：操作模式控制端；：为直接无条件清零端；
S R ：右移串行输入端 S
L
：左移串行输入端；
CP：时钟脉冲输入端
图8 74LS194移位寄存器的引脚图
（2）74LS194芯片的功能
双向移位寄存器74LS194具有左移、右移、保持、复位和置数等功能，通过对S1和S0的设置可实现不同功能。

D0、D1、D2和D3是数据输入端主要用于置数使用，可接至VCC或GND实现不同的二进制组合；DSR和DSL分别是右移和左移的数据输入端，也可接至VCC或GND输入1或0；Q0、Q1、Q2和Q3接发光小灯泡观察其输出情况。

最后列出74LS194的逻辑功能表。

利用74LS194实现串并互换。

分别进行串行输入/并行输出和并行输入/串行输出的实验，并纪录实验现象。

其功能表如下：
表四74LS194移位寄存器的功能表
4.3.2 74LS32芯片的引脚说明及功能
(1)74LS32芯片的引脚说明
74LS32是通用数字电路：四2输入或门。

Y=A+B 以集成块的一侧有缺口的为左起：左下1--1A，2--1B，3--1Y；4--2A，5--2B，6--2Y；7--GND；右起：右上8--3Y，9--3A，10--3B；11--4Y，12--4A，13--4B；14--VCC 其中A，B为输入端，Y为输出端，GND为电源负极，VCC为电源正极。

如图9所示：
图9 74LS32引脚图
4.3.3 状态控制电路原理图
图9 状态控制原理图
4.4 交通灯系统显示电路设计
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器。

它具有集电极开路输出结构，可以直接驱动共阴极数码管。

因此，我选用74LS48来实现此部分功能。

将74LS48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。

4.4.1 74LS48芯片的引脚说明及功能
74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（Ya～Yg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。

由7448真值表可获知7448所具有的逻辑功能：
（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1）
在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA
经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。

除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平，见表1中1～16行。

（2）消隐功能（BI=0）
此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表1倒数第3行，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。

该功能主要用于多显示器的动态显示。

（3）灯测试功能（LT = 0）
此时BI/RBO端作为输出端，端输入低电平信号时，表1最后一行，与及DCBA 输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。

该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。

（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1）
此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。

DCBA≠0，则对显示无影响。

该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。

图10 74LS48引脚图
4.4.2 交通灯系统显示电路原理图
图11 显示电路原理图
第五章交通灯系统调试5.1 整个交通灯控制系统的总电路仿真
图12 交通控制系统总电路图
5.2 交通灯控制系统的各部分电路分析
5.2.1 交通灯系统计时器显示电路仿真
在本次设计中，甲车道和乙车道的计时显示电路中仅仅用数码管来完成，用于计时状态的显示，甲车道和乙车道的接法相同。

如图13所示：
图13 计时器显示电路连接图
5.2.2交通灯系统控制电路仿真
控制电路是本系统的核心，它的输入信号来自甲车道和乙车道计时系统有进位输出时产生的脉冲，它的输出一方面经显示驱动电路控制甲车道和乙车道信号灯的状态，另一方面控制计时系统的置数，根据信号灯的不同状态，给甲车道和乙车道计时器置入时间信号，让计时器按照预定的时间间隔工作。

如图14所示：
图14 控制电路连线图
5.2.3交通灯系统定时电路仿真
按照设计要求，当甲车道允许通行并亮绿灯时，甲车道计数器需置入20S 信号，20S计完以后输出进位信号和主控脉冲信号，主控电路进入下个状态，给主道计数器置入5S信号，同时甲车道黄灯亮起，开始5S计时，5S计完以后输出进位脉冲和主控脉冲信号，置数端被打开，主控制器接到脉冲切换到下一个状态，给主计数器输入下一个置数信号；在此过程中，次道信号灯一直是红色禁止通行，计时器共计25S时间，因此，在主道开始亮绿灯允许通行时，支道计数器应该被主控器置入25S计数信号，20S后尽管主控器状态发生变化，但次道仍然为红灯，次计数器没有进位输出，置数开关关闭，不允许置数，直到25S后有进位输出而打开置数端开关。

25S后，次道计数器和主道计数器同时送出进位输出，两个置数开关被打开，主控器接受脉冲切换状态，并送出新的置数信号，此时由于次道绿灯亮起允许通行，应该被置入20S计时信号，20S后输出进位信号，置数端打开，同时送出主控器脉冲，使主控器切换到下一个状态，即次道黄灯亮起，接受5S置数信号，并开始计时，直到5S后再次输出进位信号，打开置数开关，接受新的置数，与此同时输出主控脉冲，使主控器状态变化。

在次道这25S的绿黄灯过程中，主道一直是红灯禁止通行，因此主计数器在次道绿灯亮起的时刻应该被置入25S计时信号开始计时，直到25S后与次道同时输出进位信号和主控脉冲信号，进入下一个状态。

至此，主次道以及主控器完成一次状态循环。

如图15所示：
图15 定时电路连接图
5.2.4交通灯系统时序电路仿真
时钟脉冲信号由555定时器与相应大小的电阻和电容连接而成的多谐振荡器来产生。

由于电路中需要的脉冲信号周期为1S，如果选用的电容分别是10UF 和0.01UF，则根据周期计算公式T=(R1+2R2)CLN2，可得到R1+2R2的阻值为144K 欧，因此我们令R1等于39K欧，R2等于51K欧，则连接而成的由555定时器构成的多谐振荡器如图16所示。

图16 555定时器构成的多谐震荡器
第六章总结
在这次做交通灯的毕业设计，自己再次学习了数字电路，并认真复习EDA
技术，查阅和浏览了很多的相关资料。

通过这次学习，发现自己对书本的掌握只是很表层的一部分，离实际应用还有很大一段距离。

真是不用不知道，一用吓一跳。

做课程设计期间，自己进一步学习了数字电子技术书上的例子，而且学习了许多书本之外的东西。

尤其是，和几个同学一起进行编程调试进而运行时期间，发现自己还算比较喜欢编程。

这次做EDA课程设计也对自己以后的学习方向有很大的影响。

通过这次设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。

在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去，此次的交通灯控制设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应于以后的竞争，同时在查找资料的过程中我也学到了许多新的知识，在和同学协作过程中增进同学间的友谊，使我对团队精神的积极性和重要性有了更加充分的理解。

参考文献
1.《EDA技术及实验》.李良荣. 电子科技大学出版社
2.《EDA实习创新设计》.肖飞，陈义钦. 湖北工业大学实验实训中心
3.《EDA技术基础与实验教程》杨旭，刘盾.清华大学出版社
4.《EDA工程实践技术》.付家才. 化学工业出版社
5．《数字电子技术》.杨志忠. 高等教育出版社。