交通灯设计方案

交通灯设计

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学习要求] 掌握交通灯的工作原理及其设计方法。

[重点与难点]

重点：交通灯运行控制功能模块框图。

难点：交通灯运行控制功能模块框图。 [理论内容]

一、设计要求

本文主要设计一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。每个方向的绿黄灯的定时时间可以预设，一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向

顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，分别为：东西方向绿灯亮、东西方向黄灯亮、南北方向绿灯亮和南北方向黄灯亮。在东西方向绿灯和黄灯亮时，南北方向红灯亮，并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。交通灯电路的具体运行状态框图如图1所示：

图1 交通灯运行状态分析 二、电路工作总体框图 交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图2所示，分别为时序脉冲产生和分频电路、绿灯计时电路、绿黄灯初值预置电路、状态控制电路、红灯计时器、显示电路等部分构成。状态控制器是系统的核心部分，由它决定交通灯处于哪一个运行状态。（状态0~状态3）。从而使相应的交通灯点亮，并决定下一个状态的预置电路该预置的绿灯或黄灯的预置值。图中的状态控制器由二位加法器实现，2位加法器输出00～11对应红绿灯的4个状态，绿灯1、黄灯1、绿灯2、黄灯2。当一个状态计时时，数据选择下一个状态的预置值。当前状态计时结束后，计数器置入下

-1-

小强一个状态计数值并计数，循环往复。绿灯1和黄灯1亮时红灯2亮，绿灯2和黄灯2亮时红灯1亮。绿灯亮时，红灯显示值为绿灯的值加黄灯预置值加1，黄灯亮时，红灯显示数据和黄灯同步。 其他单元在状态控制器的状态控制下有序的完成计时和计时转换。假定当前状态如绿灯亮，运行结果分析如下：状态控制器输出接入四选一译码器，选中绿灯1所对应的数码管，此时四位减法计数器输出结果送入绿灯1对应的数码管，显示绿灯计时的时间，其他数码管（黄灯1、绿灯2和黄灯2均不亮），而红灯2同时也被选中，开始显示当前的红灯2时间，红灯2的时间为绿灯1和黄灯1计时之和。当计时递减到0时，状态控制器的状态进入下一个状态，同时四位减法计数器置入黄灯1预置的时间，开始对黄灯计时进行递减，此时红灯2的时间仅为黄灯1的时间，当黄灯1递减到0 ，状态控制器又进入绿灯2亮的时间，分析过程与上面类似。这样周而复始完成交通的显示过程。

三、单元电路的具体设计

1、时序脉冲产生和分频电路 时钟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。因交通灯控制系统的秒信号精度不高，故可选用555定时器，也可选用RC 环行振荡器，考虑到红灯亮的时间与倒计数的时间一致，本系统选用CD4060计数器来得到一个时钟脉冲。 本设计通过CD4060计数器产生的是2Hz 的时钟脉冲，不符合系统要求的1Hz 时针脉冲，所以需要一个分频电路，即把CD4060所产生的信号进行2分频。该分频电路可以用任何一个二进制计数器来实现。本文选用74HC390计数器来实现，74HC390是一个双二-五-十进制加法计数器，其引脚接法及功能如下所示： ① 每个集成块中由2组计数器，每组计数器由两个计数器组成，共有4个计数器。 ② 每组计数器内有1个一位二进制计数器和1个五进制计数器。它们可以单独计数，但清零时同时清零。A ，B 为时钟脉冲的输入，下降沿触发。QA ，QB ，QC ，QD 为计数输出。 ③ 如1位二进制计数器的输出QA 接上五进制计数器的时钟脉冲的输入B ，则构成8421BCD 码十进制的计数器。A 为时钟脉冲的输入，QA ，QB ，QC ，QD 为输出，QD 是最高位；五进制计数器的输出QD 接上二进制计数器时钟脉冲输入A ，则构成5421BCD 码十进制的计数器，B 为时钟脉冲的输入，QA ，QB ，QC ，QD 为输出，QA 是最高位。 ④ 清零RD 为异步清零，高电平有效。 在本电路中，将clka 与CD4060脉冲发生器的时钟输出相连，Qa 即为1Hz 时钟输出。其具体电路如图3所示。

2、倒计时计数电路

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，在此我们选用减法计数器，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，结合以上要求，

本系统采用4516。

小

强

图2 交通灯运行控制功能模块框图

小

强

图3 时钟产生电路原理图 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，即东西南北方向绿灯、黄灯4种工作状态的转换，首先数码管显示东西方向绿灯的预值，当其减到零时，计数器产生借位，状态由之前的“00”转为“01”，此时东西方向绿灯灭，计数器重新置数，即东西方向黄灯预置值，当其减到零时，计数器又产生借位，状态由之前的“01”转为“10”，此时东西方向黄灯灭，计数器又重新置数，即南北方向绿灯预置值，反复循环。其电路原理图如图4所示。 图4 倒计时计数电路以及初值预置电路原理图

小

其中4516是异步可预置四位计数器，其真值表见表1，工作原理如下：

① CP 为计数器时钟输入，上升沿触发。

②

③时，保持。

④1计数；反之，在⑤⑥ C/B 为进位/借位输出，在减法计数时，当Q0-Q3输出“0000”时为低电平；在加法计数时，当当Q0-Q3输出“1111”时为低电平，其余输出高电平。 3、初值预置电路 考虑到控制信号与输入变量的关系，需要用一个数据选择端，同时由于数据是由四位二进制数所组成，所以共选用两个双4选1数据选择器74153。 74153的输出受与4516相连的加法器74390的输出控制。此部分采用74LS153芯片、输入与非门74LS00以及加法器74390构成，其电路原理图见图4和图5。 其中74LS153引脚图内部有2个4选1数据选择器，其真值表为表2。 其中C0-C3为数据输入端，Y 为输出端，A 、B 称为地址输入端。A 、B 的状态起着从4路输入数据中选择哪1路输出的作用。输出状态与输入数据无关。注意A 、B 地址在集成块中由2个4选1共用，高位为B ，低位为A ，BA=01时，Y=C1，BA=10时，Y=C2。

表2 74LS153的真值表 数据输入

数据输出 选通 输出 B A C0 C1 C2 C3 E Y