交通灯课程设计说明书

1 选题背景

随着城市和机动车辆的不断增加, 城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者之间关系的协调，已经成了交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测, 交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统。它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部。

近年来, 许多大城市都出现了交通超负荷运行的情况。因此, 一些大城市纷纷修建市区高速公路, 在高速公路建完初期, 它们也曾有效地改善了城市交通状况。然而, 随着交通流量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制, 这

些高速道路并没有充分发挥预期的作用。传统的交通灯只是红绿黄交替，经常有某条路上没车而交通灯又是绿灯亮起，这样就造成有车的不能过，大大浪费了人们的时间，因而设计一个能控制有无车行驶的交通灯能最大限度的缓解城市及周边地区的交通拥堵状况,回受到广大用户的欢迎。

1．1 指导思想

由秒脉冲发生器，控制器，定时器和译码器等部分组成电路。秒脉冲时该系统中控制器与定时器的标准时钟信号源，555定时器输出脉冲信号，通过计数器与数码管设计显示电路，逻辑开关模拟道路有无车辆，计数器主控发光二极管的亮灭。

1．2 方案论证

方案一：用数电电子技术来实现交通灯控制

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。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。即采用正计时计数器，用1个计数器做主控电路，2个计数器计数，1个数据选择器来控制红绿黄亮灯的时间。特点：成本低廉，元器件少，系统运行稳定。

方案二：用单片机技术来实现交通灯控制

用单片机技术来来实现交通灯控制是最容易实现的，而且该电路可靠性也很高，但是这是要求设计者要有单片机编程的基础上才能完成设计。

综合考虑，我选用了数字电子技术来实现交通灯控制，即方案一。

1．3 设计任务

设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯。红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则停止行驶（给行驶中的车辆有时间停在禁行线以外）。具体要求如下：

（1）让主干道处于常允许通行的状态，支干道有车时才交替通行。

（2）可用逻辑开关作主支干道检测车辆是否到来的的信号。主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。

（3）由绿灯亮转换到红灯亮时，黄灯要亮5秒。

注：用红、绿、黄发光二极管作信号指示灯；用逻辑开关作为支干道检测车辆是否到来的信号。

1．4 设计方案

该交通灯定时控制系统的组成由状态控制器（主控电路）、状态译码器、加法计数器（计数电路）、秒脉冲发生等组成。

状态控制器主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，通过状态译码器分别点亮相应状态的信号灯。

秒信号发生器产生整个定时系统的时基脉冲，通过加法计数器实现计数，控制每一种工作状态的持续时间。

加法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态决定计数器下一次加计数的初始值。加法计数器的状态由CD4511译码器译码、数码管显示。

工作原理框图如图1-1所示

图1-1 工作原理框图

2 单元电路设计

2.1 秒脉冲发生器

我设计的秒脉冲发生器是有555电路及外围电路组成的，如图2所示，R 1、R 2和C 是外接定时元件，将555定时器的高电平触发端THR 与低电平触发端TRI 连接在一起，接到

R 2和C1的连接处，将放电端DIS 接到R 1、R 2的连接处，CON 端接有10nF 的滤波电容，以提高电路的稳定性，也可不接。图中R2和C 组成了一个串联的RC 充放电电路，由555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。

该电路输出脉冲的周期为：

T=(R1+2R2)lnC ……………………………………………………………………（1-1） 我选择了R1=R2=47K, C=10nF ，则T=0.987s 电路图如图2-1所示：

图2-1 秒脉冲发生器

2.2控制器

控制器是交通管理的核心部分，它可以按照交通规则控制信号灯的状态转换。我这次设计的交通信号灯由四种不同的状态，分别用S 0（主干道绿灯亮，支干道红灯亮）、S 1（主干道黄灯亮，支干道红灯亮）、S 2（主干道红灯亮，支干道绿灯亮）、S 3（主干道红灯亮，支干道黄灯亮）表示，其状态编码及状态转换图2-2所示：

图2-2 控制器状态转换图

显然这是二进制计数法，用74HC161芯片来实现计数功能，用数据选择器74HC153芯片来实现74HC161芯片传入的信号，将74HC161芯片的信号加到74HC153芯片的数据选择输入端作为控制信号，即可实现控制功能。控制器原理图如图2-3所示：

图2-3 控制器原理图

2.3定时计数系统

根据设计要求，交通灯控制系统的定时器是由与系统秒脉冲发生器同步的计数器构成，系统从0开始进行增1计数来完成45秒、25秒、5秒的定时任务。采用同步十进制加/减计数器74HC160，它具有同步清零，异步置数功能。

（1）其功能如下表2-1：

Key = Space

表2-1 74HC160的功能表

（2）45， 5 ，25， 5，进制循环加法计数电路设计

循环加法计数电路是通过一片74HC153双四选一数据选择器和两片74HC160来实现，电路图如图2-2所示。

图2-4 计数电路图

2.4译码器

译码器的主要功能是将控制器输出的4种工作状态，翻译成主干道，支干道六个发光二极管的工作状态。由秒脉冲发生器产生的周期性变化的CLK 脉冲，一部分送给了定器74HC160芯片，另一部分送给了控制器74HC161芯片。在脉冲ST 同时加到定时器74HC160芯片的情况下，通过芯片74HC10将会输出TY 、TY 非；TL 、TL 非。控制器中的信号在送给74HC139与74HC08芯片组成的译码器后再通过电路中指示灯和220欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果是通过发光二极管的正常工作来实现。控制器的状态与信号灯的关系如下表2-2（A ：主干道 B ：支干道 ；“1”表示灯亮，“0”表示灯灭 ）。

表2-2 控制器状态与信号灯的关系表

根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为： 21212Q Q Q Q Q R =+= 2Q R =

12Q Q Y = 12Q Q Y = 12Q Q G = 12Q Q G =

21212Q Q Q Q Q r =+= 2Q r = 12Q Q y = 12Q Q y =

12Q Q g = 12Q Q g =

电路图设计如下图2-5：