交通信号控制逻辑电路

数字电子课程设计交通信号控制逻辑电路

一、简述交通灯基本工作原理

交通灯系统原理图：为了确保十字路口的车辆顺利畅通地行驶，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。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。见下图：

图1 交通灯控制器系统框图

二、设计要求

设计中十字路口交通信号灯控制，要求如下：

1．设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR，NSY，NSG；

东西方向的红、黄、绿灯分别为EWR，EWY，EWG，则满足图1交通灯顺序工作流程图并且可以并行工作：NSG（EWR）→ NSR（EWG），黄灯用于闪烁提示绿灯变为红灯。

2．满足两个方向的工作时序：东西方向红灯亮的时间应等于南北方向黄、绿灯亮的时间之和；南北方向红灯亮的时间应等于东西方向黄、绿灯亮的时间之和。时序工作流程见图2所示：

图2 交通灯顺序工作流程图

图3 交通灯时序工作流程图

图2假设每个单位时间为2秒，则南北东西方向的绿，黄，红灯亮的时间分别为12秒，2秒，12秒，一次循环为24秒，其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。

3．十字路口要有数字显示装置，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体要求为：当某方向绿灯亮时，置计数器为某一个数值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，进入另一个方向的工作循环。

例如：当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为12，并使数显计数器开始减“1”计数，当减法计数到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数码管显示的数值应为2，当减法计数到“0”时，黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数码管的显示为12。

4. 可以手动调整脉冲时间，夜间为黄灯闪耀。

三、交通灯基本组成

它主要由控制器、显示控制部分和秒脉冲信号发生器等部分组成。

1.单次手动电路及秒脉冲发生器

单次脉冲是由两个与非门组成的RS触发器产生的；秒脉冲发生器是该系统中显示控制

部分和控制器的标准时钟信号源，可用晶体振荡或RC振荡电路构成。

如图5所示，当按下K1时，有一个冲输出使74LS164移位计数实现手动控制。K2在自动位置时，由秒冲电路经分频后（4分频），输入给74LS164，这样，74LS164为每4秒向前移一位（计数1次）。

图5 单次脉冲电路

1Hz标准脉冲：因十字路口每个方向绿、黄、红灯亮时间比例分别为5：1：6，所以，如果选4秒（也可以任意）为一单位时间，则计数器每计数4秒输出一个脉冲。在此设计中，秒脉冲发生器由晶本振荡电路组成，发生器发出的波形经过整形，分频获得1HZ的秒脉冲。电路图如下：

图6 秒脉冲电路

2.控制器

控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。由波形图可知，计数器每工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。计数可以用单触发器组成，也可以用中规模集成计数器。这里我选用中规模74LS164八位移位寄存器组成扭环型12进制计数器。扭环型计数器的状态表如图4所示，根据状态表，列出东西方向和南北方向绿，黄，红灯的逻辑表达试：

南北方向东西方向

红

黄

绿

图4 扭环型计数器的状态表

图7计数器电路

3.显示控制部分

显示控制部分，实际是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减肥，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用法74LS168BCD码七段译码器，显示器用LC5011—11共阴极LED显示器，计数器采用可预置加、减法计数器，如74LS168、74LS193等。

此设计采用74LS168以减法计数方式工作，当南北方向绿灯亮，而东西方向红亮时，从数字“24”开始往下减，当减到“0”时，南北方向绿灯灭，红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向红灯灭信号（EWB=0）,使与门关断，减法计数器工作结束，而南北方向红灯亮，使另一方向――东西方向减法计数器开始工作。在减法计数开始之前，由黄灯信号使减法计数器先置入数据，图中接入和的信号就是由黄灯亮（为高电平）时，置入数据。黄灯灭（Y=0）而红灯亮（R＝1）开始减计数。电路图如下：

图8数字显示部分

4.汽车模拟运行控制部分

此部分为电路扩展部分，可用LED发光二极管模拟汽车行驶电路当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；当遇到黄灯亮时，移位发光二极管就停止，而过了十字街口的移位发光二极管继续向前移动；红灯亮时，则另一方向转为绿灯亮，那么，这一方向的LED发光二极管就开始移位（表示这一方向的车辆行驶）；用移位寄存器组成汽车模拟控制系统。

如图9所示，黄灯（Y）或红灯（R）亮时，RI这端为高（H）电平，在CP移位脉冲作用下，而向前移位，高电平“H”从QH一直移到QA(图中74LS164－1)由于绿灯在红灯和黄灯为高电平时，它为低电平，所以74LS164－1QA的信号就不能送到74LS164－2移位寄存器的RI端。这样，就模拟了当黄红灯亮时汽车停止的功能而当绿灯亮，黄，红灯灭（G=1,R=0,Y=0）时，74LS164－1和74LS164－2都能在CP移位脉冲作用下向前移位。这就意味着，绿灯亮时汽车向前运行这一功能。

图9汽车模拟控制电路

四、总电路图

综合以上分析，可得出交通灯的总电路图：

L C 5011-11

图10 交通灯电路

五、设计器材

1. NET 系列数字电子技术实验系统

2. 5V直流稳压电源

3. 交通信号灯及汽车模拟装置

4. 集成电路：74LS164，74LS74，74LS168,74LS248及各种门电路

5. 显示：LC5011-11，发光二极管4个。

6. 10K电阻3个

7. 开关3个

六、总结

我运用所学的课本知识，以及查阅相关的资料，对设计过程中所遇到的问题都一一的解决了。经过这次设计证明，将所学的知识和电子设计方法相结合，大大的调动了我的学习积极性，并有利于我系统的科学地培养我的实际动手能力，工程设计能力以及创新设计能了，活跃了我的思维，也激发了我对电子电路设计的兴趣。作为一名电力专业的大学生，我认识到不仅要学好课本上的知识，还要会把学到的知识应用到实际生活中，要做到理论联系实际。

在充实的课程设计期间，我不仅要查阅资料，还要时常复习学习过的知识，通过温习，我很快就有了设计方案。在这次课程设计中，我收获很大，通过这次电子技术课程设计，学会了一些基本的画图技巧，能够设计简单的电子电路，同时也对我再学习理论知识提供了很大的帮助。

参考文献：

《电子技术基础――数字部分》主编：康华光

《电子课程设计指导书》主编：艾永乐付子义

《电子电路实验及仿真》主编：路勇高文焕

《数字电路于逻辑设计》主编：曹国清

《电子线路设计-实验-测试》主编：谢自美(第二版)

《实用电子控制电路》主编：方大千、鲍萧伟