交通信号灯控制器设计

前言
红绿交通灯自动控制系统在城市十字（或丁字）路口有着广泛的应用。

随着社会的进步，人们生活水平的提高，私家车数量会不断增加，对城市交通带来前所为有的压力。

道路建设也将随之发展，错综复杂的道路将不断增多。

为维持稳定的交通秩序，红绿灯自动控制系统将得到更为广泛的应用。

无论在大城市还是中小城市街道的十字路口，每条道路都各有一组红，黄，绿信号灯，用以指挥车辆和行人有序地通过十字路口。

红灯（R）亮表示该道路禁止通过；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通过。

交通灯控制器即交通信号定时控制系统就是用来自动控制十字路口三组红、黄、绿三色交通信号灯，指挥各种车辆和行人安全通信，以实现十字路口交通管理的自动化。

本设计应用基本数字电路知识，采用LED灯作红、绿、黄三交通灯，用数码管作同步倒计时显示，实现两方向通行时间相等的控制并配有倒计时。

目录
第一章．系统概要 (3)
1.1 设计思路 (3)
1.2原理和总体设计方案 (4)
1.2.1原理 (4)
1.2.2总体设计方案构思 (4)
1.3功能的划分及组成 (4)
第二章.总的设计方案 (5)
2.1设计任务及主要技术指标和要求 (5)
2.2工作流程： (5)
2.3工作流程图 (6)
2.4方案设计 (6)
2.4.1方案构思 (6)
2.4.2方案的可行性论证 (6)
第三章．单元电路设计 (7)
3.1秒信号产生电路 (7)
3.2主控电路（交通灯信号状态控制器设计） (8)
3.2.1状态指令和编码 (8)
3.2.2求交通灯控制函数及电路 (9)
3.3定时译码显示系统的设计 (11)
3.3.1定时电路 (11)
3.3.2计数译码显示电路 (12)
第四章元器件选择及介绍 (13)
第五章.电路调试设计总结 (17)
附录1：完整的设计电路图
附录2：元器件清单
参考文献
交通信号灯控制器设计
摘要：分析交通信号灯控制系统应用要求及设计原理，设计出能够满足实际应用要求的交通信号灯控制器。

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。

关键词：控制、计数、译码、显示、时钟信号。

设计要求
1.定时控制：主干道绿灯亮45秒，支干道绿灯亮25秒；
2.每次由绿灯变为红灯时，应有5秒的黄灯亮作为过渡；
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。

第一章.系统概要
1.1设计思路
①系统中要求有45秒，25秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路。

计时顺序用顺计时。

定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入主控电路，并通过主控电路去开启和关闭种交通灯或启动另一种计时电路。

②系统要求定时显示电路的输入信号为秒脉冲信号，设计一个可以实现秒脉冲输出的时基电路。

③主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自45秒，25秒，5秒三个定时信号。

主控电路可以控制各种交通灯的开启和关闭，并反馈信号给计时电路，触发与亮着的信号灯相应的定时电路，使其顺时显示相应时间。

1.2原理和总体设计方案
1.2.1原理
如图1，由一条主道和一条支道的汇合点形成的十字路口，两道上的车辆交替通过，为确保车辆的安全,迅速通行,在交叉路口要求主车道和支车道两条交叉道的每个入口设置了红,绿,黄三色信号灯。

红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯给行驶的车辆有时间停靠到禁行线外
图1 主支道汇成的十字路口示意图
主干道和支道交替允许通行，且主干道绿灯亮放行45秒，支干道绿灯亮放行25秒；每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡。

1.2.2总体设计方案构思
如图2流程图，系统主要由控制器，定时器，显示器，译码器，信号灯和秒脉冲号发生器组成。

其中控制器是核心部分，由它来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；译码器输出两路灯的控制信号；定时器是这个设计方案中的难点，要找到合适的元器件来分别实现三种不同时间的定时功能，并且尽可能的使其电路不过于复杂。

系统可以划分为妙信号产生电路，交通灯信号状态控制器设计和定时译码显示系统的设计来进行讨论。

1.3功能的划分及组成
1．秒信号产生电路
2．交通灯信号状态控制器设计
3．定时译码显示系统的设计
第二章．总的设计方案
2.1设计任务及主要技术指标和要求
如图1示意图，由一条主道和一条支道的汇合点形成的十字路口，两道上的车辆交替通过，为确保车辆的安全,迅速通行,在交叉路口要求主车道和支车道两条交叉道的每个入口设置了红,绿,黄三色信号灯。

红灯亮禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯给行驶的车辆有时间停靠到禁行线外；
○1.用红,绿,黄,三色发光二极管作信号灯,主道红,绿,黄三个信号灯,支道红,绿黄三个信号灯。

○2.主干道和支道交替允许通行，主干道每次放行45秒，支道每次放行25秒。

设计45秒和25秒计时显示器电路。

○3.在每次由绿灯转换为红灯的过程中间，要亮5秒黄灯作为过渡时间，以使本设计应用基本数字电路知识，采用LED灯作红、绿、黄三交通灯，
○4.在丁字路口，每条道路各有一组红、黄、绿灯；用来指挥车辆和行人有序通行。

其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。

2.2工作流程：
主道方向绿灯亮，支道方向红灯亮；主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮；主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮；主道方向红灯亮，支道方向黄灯亮。

如此往复循环。

2.3工作流程图
图2 交通信号灯控制器流程图
2.4方案设计
2.4.1方案构思
用简单的计数译码芯片实现
交通灯控制系统的原理框图如图2所示。

它主要由秒脉冲信号产生电路、定时计数电路、计时显示电路、主控电路、译码驱动电路等组成。

秒脉冲发生器是该系统中定时器的标准时钟信号源，555多谐振荡产生频率为1Hz的秒信号，向计时显示电路提供信号，使计时电路按要求做减法计数。

计时译码显示电路用芯片74LS190来完成。

主控电路是系统的主要部分，也为核心部分，用最简单的JK触发器来实现，从而来控制主，支干道的红、绿、黄灯以及计时电路，从而达到交通控制系统的自动化。

2.4.2方案的可行性论证
此方案采用的是数字电子技术中所学的基本原理与芯片，原理比较简单，便于连线，便于调试，且容易实现与灯控制信号同步的倒计时功能。

所使用器件也是我们在数字电子技术课程中所学过的，其设计思路清晰，只是简单的计数，译码再通过逻辑门电路对其进行控制。

最大的优点是各部分电路是相互独立的，即可以采用分开接线，分开测试的方法，方便检查
线路，当各部分电路检测输出无误后再将各部分连接成整体。

对实际检验校对很有帮助，且此电路能较方便地实现对控制时间的倒计时。

第三章．单元电路设计
3.1秒信号产生电路
产生秒信号的电路有多种形式，这里利用555定时器构成占空比为2/3的多谐振荡器,使其产生需要的方波作为触发器的CP脉冲,其原理电路图如下:
2kΩ
50%
Key=A
图3.1 秒信号产生电路
根据占空比表达式可知：
q=(R1+R2)/(R1+2R2)=2/3
得到，又由振荡周期表达式可知：
T=(R1+2R2)C㏑2=1
若取，则代入上式可得：
3R1C㏑2=1
所以
R1=R2=48
选用两只47ΚΩ与一只2ΚΩ电位器串联就得到如图3.1示的电路
3.2主控电路（交通灯信号状态控制器设计）
交通灯信号状态控制器用来记忆十字路口的工作状态，并且根据工作状态的转移情况来分别点亮和关闭路口的交通灯。

因此这是一个时序电路的设计问题。

在设计中必须考虑路口灯亮的定时关系。

上述的秒信号产生电路整个系统的时基脉冲，该脉冲作用于减法计数器，对秒脉冲值减计数，达到控制每一种工作状态（灯亮、灭）的持续时间。

减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态完成状态间的状态转换，同时将下一工作状态减计数的初始值置入计数器。

3.2.1状态指令和编码
1．交通灯态序分析：
（1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。

表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。

绿灯亮时规定的时间隔45秒时，控制器发出状态信号，转到下一工作状态。

（2）主干道黄灯亮，支干道红灯亮。

表示主干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，支干道禁止通行。

黄灯亮时规定时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。

（3）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。

表示主干道禁止通行，支干道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔25秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态。

根据上述的分析，可以得到十字路口交通灯顺序工作如表1和图3.2（a）所示，为此进行状态指定，依次为S0、S1、S2、S3用来分别记忆交通灯的工作情况。

对这4个状态进行状态状态编码，从而得到交通灯工作状态经过编码后的转换图如图 3.2（b）所示。

显然，这是一个四进制计数器。

可采用双JK触发器74LS112来构成状态装换的控制电路。

并且通过控制74LS112（II）的CP脉冲来进行四个状态间的转化。

CP脉冲可以通过一个四选一电路接到减法计数器的输出端来实现。

如图3.3中的计数器部分所示。

表3.1 车道运行状态表
图3.2（a ） 交通灯顺序工作过程
图3.2（b ） 交通灯工作状态编码装换图
3.2.2求交通灯控制函数及电路
主支干道上的绿、黄、红交通灯的亮、灭状态取决于状态控制变量，它们之间的关系见表3.2，其中交通灯亮用“1”表示，灭用“0”表示
表3.2 交通灯信号真值表
根据真值表，可求出各交通灯的控制函数表达式为：
主干道：
R=Q2Q1+Q2Q1=Q2 R=Q2
Y=Q2Q1 Y=Q2Q1
G=Q2 Q1 G= Q2 Q1
支干道：
r=Q2 Q1+Q2 Q1=Q2 r=Q2
y=Q2Q1 y=Q2Q1
g=Q2Q1 g=Q2Q1
选择半导体发光二极管LED-red、LED-green、LED-yellow来模拟交通信号灯，利用门电路输出低电平工作在灌电流状态时的带负载能力较强的特点来点亮相应的发光二极管，得到交通灯信号状态控制器如图3.3的组合逻辑部分所示。

来接低位的进位
图3.3交通灯状态控制器
3.3定时译码显示系统的设计
3.3.1定时电路
定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成。

由于主干道绿灯持续亮45秒钟，支干道绿灯亮持续25秒钟，黄灯亮持续5秒钟，所以定时译码显示系统必须一个能自动按不同定时时间来定时的定时器，以便完成这3钟不同的持续定时时间。

为此，用两片74LS190级联构成2位十进制可预置减法计数器；预置倒减法计数器的定时常数通过
（Ⅲ）分别提供74LS190 3片8路双向三态门74LS245来完成。

如图5所示，74LS245(Ⅰ)、
（Ⅱ）、
置数值45秒、25秒、5秒，而74LS245芯片的选通信号是由状态控制器的不同控制信号来进行控制。

（1）45秒定时：
45秒定时是由主干道绿灯信号G分别作为74LS245（I）的选通信号。

74LS245（I）芯片的输入高4路置为4，即0100；低4路置为4，即0100.而输出高4路接74LS190(I)的输入端，如图3.4，使74LS190（I）异步置数为4。

输出低4路接74LS190（II）的输入使异步置数位4，异步置数端LD通过接一个开关来控制，使之置为4，此后一直接为高电平保持减法计数。

当低位减为0时向高位74LS190（I）产生借位信号又从9减至0。

减为0时通过
74LS32向主控电路发出信号，从而改变其状态，此时主控电路再通过译码改变亮灯信号，主控电路同时反馈信号给定时电路，至使其进入下一计数状态。

（2）25秒定时：
25秒定时和45秒定时一样，说由支干道绿灯信号g分别作为74LS245（II）的选通信号，工作原理同上45秒定时。

（3）5秒定时：
从表3.2的交通灯信号真值表中可以看出，S1(Q2Q1=01)和S3(Q2Q1=11)两状态是黄灯亮5秒，因此用Q1信号去控制接5秒置数值的74LS245（III）的选通端。

其工作原理如同45秒定时。

LED数码管 LED数码管
G g Q1
图3.4 定时电路原理图
3.3.2计数译码显示电路
根据设计要求计时主支干道都要实现45秒、25秒、5秒交替循环倒记数，为此用74LS42来实现显示电路，74LS42是一个用于驱动共阳极LED（数码管）显示器的8421BCD码—七段显示译码器。

七段显示器主要有荧光数码管和半导体显示器、液晶数码显示器。

半导体（发光二极管）显示器是数字电路中比较方便使用的显示器。

它有共阳极和共阴极两种接法，如图3.5所示。

图3.5 半导体显示电路
U1
74LS245N
A 34A 56A 45A 67A 78A 8
9
D I R 1A 23A 12~G
19
B 118B 217B 316B 415B 514B 613B 712B 811
U2
74LS245N
A 34A 56A 45A 67A 78A 89
D I R 1A 23A 12~G
19
B 118B 217B 316B 415B 514B 613B 712B 8
11
U3
74LS245N
A 34A 56A 45A 67A 78A 89
D I R 1A 23A 12~G
19
B 118B 217B 316B 415B 514B 613B 712B 8
11
U4
74LS190N
A 15
B 1
C 10D
9~U /D 5
Q A 3Q B 2Q C 6Q D 7~C T E N 4~L O A D 11~R C O 13M A X /M I N 12
C L K
14
U5
74LS190N
A 15
B 1
C 10D
9~U /D 5
Q A 3Q B 2Q C 6Q D 7~C T E N 4~L O A D 11~R C O 13M A X /M I N 12
C L K
14
VCC
5V
VCC
5V
VCC 5V VCC
5V
V1
5kHz 10 V
U8A
74LS00N
U6
74LS42N
A 15
B 14
C 13
D 12
O 01O 34O 45O 56O 23O 12O 810O 79O 67O 911
U9
A B C D E F G
CA
U10
A B C D E F G
CA
U7
74LS42N
A 15
B 14
C 13D
12
O 01O 34O 45O 56O 23O 12O 810O 79O 67O 911
J1Key = Space
VCC 5V
图3.5 定时译码显示系统电路图
第四章 元器件选择及介绍
本系统所涉及到的电子元器件主要是集成芯片，在一定程度上是考虑到容易得到的为首
选。

其中只有少数元器件选择需要特别注意，否则无法实现功能。

⒈在555产生秒脉冲信号的电路中，需要先用三个电阻和两个电容，参考555芯片手册及其典型应用电路可知电阻应选两个47ΚΩ和一个2ΚΩ的电阻，电容一个应选0.01uF 的磁片电容，和10uF 的电解电容.
⒉主控制电路中的JK 触发器74LS112，如图4.1所示，LPR 、LCLR 为异步输入控制端，都是低电平有效，LPR 是异步清零、LCLR 是异步置数。

LCLK 脉冲为下降沿。

U1A
74LS112N
1Q
5
~1Q
6
~1P R
4
1K 2
~1C L R
15
1J
3
1C L K
1
图4.1 JK 触发器
⒊三态门74LS245引脚图如图4.2所示，G 为使能端低电平有效，G=1时，输出与输入无关为高阻态，此时也叫禁止态；当G=0时，处于工作状态。

DIR=0时，B 为输入端A 为输出端，即B →A ；当DIR=1时，A 为输入端B 为输出端，即A →B 。

U1
74LS245N
A 34A 56A 45A 67A 78A 8
9
D I R 1A 23A 12~G
19B 118B 217B 316B 415B 514B 613B 712B 8
11
图4.2 74LS245的功能示意图
⒋如下图4.3所示，计数器74LS190芯片即可以做加法计数也可以做减法计数，由U/D 来控制实现，低电平做家计数器，高电平时做减法到计数。

LOAD 为异步置数端，其功能表如图（b ）所示。

U1
74LS190N
A 15
B 1
C 10D
9
~U /D 5Q A 3Q B 2Q C 6Q D
7
~C T E N 4~L O A D 11~R C O 13M A X /M I N 12
C L K
14
图4.3（a ） 74LS190的功能示意图
图4.3(b)
⒌74LS00芯片的引脚图如下4.4图所示，一片芯片是由四个组合逻辑与非门组成。

图4.4 74LS00的引脚图
⒍74LS32芯片的的引脚图如图4.5所示，一片芯片是由四个组合逻辑或门组成。

图4.5 74LS32的引脚图⒎74LS42芯片的的引脚图及功能
图4.6 74LS42的引脚图表4.1 74LS42真值表
⒏四选一选择器，
图4.7
表4.2四选一数据选择器功能表
第五章电路调试与设计总结
本设计的巧妙之处就在于能够分级用Multisim设计模拟电路来仿真调试。

首先，调节电位器使555的输出脉冲信号为1Hz的秒信号，观察得到我们所需要的1秒。

第二步，调试主控电路，用74LS112连接图3.5交通灯控制器的四进制计数器，74LS112（II）的CP脉冲可以用一个双刀开关来模拟手动代替操作，用指示灯连接QQ调试到状态依次转换正确。

第三步，用74LS00连接好组合电路，并接入二极管，调试观察发光二极管的灯灭符合表3.2所示的真值关系。

第四步，按图3.5连接定时译码显示系统，74LS245的选通信号可用双刀开关设置低电平信号调试到LED显示正确为止。

（依次按45秒、25秒、5秒件技术显示）最后，如果各基本门电路组成的分析电路能达到预期的目的，每一个小环节都能正常工作我们就可以将已调试正确的各分电路的对应信号都连接接起来，再观察三个大的部分能否各自正常工作，分级检测，即灯的控制是否和预期一致，显示能否正常进行，观察其是否能达到同步，并用基准秒表进行测试看时间是否有误差。

调试模拟交通信号定时控制系统直至符合课题设计要求。

交通灯控制系统的原理框图如图2所示。

它主要由秒脉冲信号产生电路、定时计数电路、计时显示电路、主控电路、译码驱动电路等组成。

秒脉冲发生器是该系统中定时器的标准时钟信号源，555多谐振荡产生频率为1Hz的秒信号，向计时显示电路提供信号，使计时电路按要求做减法计数。

计时译码显示电路用芯片74LS190来完成。

主控电路是系统的主要部分，也为核心部分，用最简单的JK触发器来实现，从而来控制主，支干道的红、绿、黄灯以及计时电路，从而达到交通控制系统的自动化。

鸣谢
特别感谢老师和老师的指导，以及同学们的帮助，还有同组人员的支持与鼓励。

附录1：完整的设计电路图
图I 总电路图附录2：元器件明细表
参考文献
1.林涛·数字电子技术·清华大学出版社·2009
2.聂典·Multism计算机仿真在电子电路设计中的应用·电子工业出版社·2007
3.李世雄·丁康源·数字集成电子技术教程·高等教育出版社·1993
4.周惠潮·常用电子元件及典型应用·电子工业出版社·2005
5.张庆双等·电子元器件的选用与检测［M］·北京机械工业出版社·2003
6.杨邦文·实用信号产生电路200例［M］·北京电子工业出版·1998
7．赵保经·中国集成电路大全TTL集成电路分册：CMOS集成电路分册·北京：国防工业出版社·1985
心得体会
开始拿到题目的时候，还不知道怎么做，因为自己对这门课的一般设计还未入门，对很多芯片的功能都不是很清楚，还有multisim仿真软件，很多功能都不是很清楚。

通过这次
课程设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。

觉得也挺有意思的。

现在设计已经做好了，虽然花了很多时间，但学到了很多东西。

做课设的时候自己认真查阅各种资料，增强了自己对知识的理解，很多以前不是很懂的问题现在都已经解决。

在课程设计的过程中，我们想了很多种方案，对同一个问题反复论证，运用不同的芯片进行了比较与仿真，最后还是采取了上面的方案进行连接。

在连接过程中，遇到了一些问题，像接错线，无意中删除了一些线等都是些最长有的小失误，使自己感觉有点力不从心。

这次课程设计之后，使我明白了做任何事情都要认真仔细，不然的话，会花更多的时间去完成或是因为快到了截止时间了一紧张也就保证不质量的问题了。

课程设计有利于提高我们的动手能力，能把我们所学的书本知识运用到实际生活中去，同时也丰富了我们的业余生活，提高我们对知识的理解能力。

同时也使我意识到一个良好的设计思路，是电路的生命。

宁愿在思路设计上多花上50%的时间，因为前期看似慢，实际上恰恰给后一个良好的设计思路，是电路的生命。

后期的仿真带来很大的方便，效果往往是更节省了许多时间，同样在仿真过程中，马虎不得，粗心不得，要反复的去试、去比较、去仿真。

一步一步来,要充分利用网上的资料，图书馆的资源，添补课上所学的空白，掌握最先进的知识，使自己的知识系统化，更加完善，更能出色的完成设计题目。

本次设计课题是一个以小组为单位的设计任务，我们小组成员密切配合，努力工作，不但提出问题，解决问题，使我们的作品较好地达到预期要求。

通过这次设计活动，使我们知道以前学的一些专业基础课有什么作用，对以前的几门课程起到了复习与加深的作用，还提高了我们分析问题解决问题的能力。

对电路设计的基本技能也起到了一个很好的锻炼作用。

更重要的是这是一个团队活动，培养了我们团队合作的精神，集合大的智慧，互相讨论，相互辩驳最后找到解决问题的最优方案，分工合作，最后完成老师交待的设计任务
评语
评审人：。