交通信号灯控制器设计.doc

河南科技学院新科学院
电气工程系电子课程设计报告

交通灯控制器的设计

学生姓名： 陈少俊
所学专业： 电气工程及其自动化
所在班级： 129班
完成时间： 2014年5月6日

交通灯控制器的设计

摘 要

随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。
当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调， 多值化方向发展随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注.随着社会的发展,城市规模的不断扩大,城市交通成为制约城市发展的一大因素,因此,有许多设计工作者为改善城市交通环境设计了许多方案,而大多数都为交通指挥灯,本电路也正是基于前人设计的基础上进行改进的.全部有数字电路组成,比较以前的方案更为精确。
关键词：控制器 计数器 信号灯 译码电路
目 录

摘 要 2
关键词 2
一、设计任务和要求 1
二. 系统设计 2
三、单元电路设计 4
3.1主控制器 4
3.1.1 74LS90引脚排列图与逻辑图 4
3.1.2 74LS90的功能表及引脚功能. 5
3.2、计数器 7
3.2.1计数器的作用 7
3.2.2计数器的工作情况 7
3.2.3控制信号灯的译码电路的真值表 8
3.2.4置数电路 9
3.2.5状态译码电路 11
3.3译码显示电路 13
3.3.1共阴极LED七段数码管 13
3.3.2 CD4511译码器 13
3.4555振荡器构成的秒脉冲电路 16
3.4.1 555定时器的引脚 16
3.4.2 555定时器构成的多谐振荡器 17
3.4.3 555定时器工作原理 18
3.5交通灯信号灯控制总体框图 20
四、电路安装、调试与测试 21
五、参 考 文 献 22
六、总结、体会和建议 23

一、设计任务和要求
设计并制作一个十字路口的交通信号灯控制器，控制A、B两条交叉道路上的车辆通行，
基本要求：
1、每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿三个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆停止通行；
2、每条道路上每次通行的时间为25S；
3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5S，才能变换通行车道；
4、黄灯亮时，要求每秒钟闪烁一次。
5、电源：220V/50HZ的工频交流电供电；
（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）
6、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。
发挥部分：
1、按照交通规则设计人行道指示灯
2、其它恰当的功能

二. 系统设计
十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停车线以外的车辆停止运行。

路口交通指挥系统示意图
设南北干道通行时间为N1，东西干道通行时间为N2，南北、东西干道黄灯的时间均为N3，按南北、东西干道通行的时间来看，设置N1=N2﹥N3。系统工作流程图如图所示。
南北干道绿灯亮，东西干道红灯亮计数器由N1到30递增计数
南北干道黄灯亮，东西干道红灯亮计数器由N3到5递增计数

南北干道红灯亮，东西干道绿灯亮计数器由N2到30递增计

南北干道红灯亮，东西干道黄灯亮计数器由N3到5递增计

S1

S2

S3

S0

系统工作流程图
要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路等几部分组成，整机电路的原理框图如图所示。四个路口设有红、黄、绿三色灯和两位8421BCD码的计数、译码显示器。

显示器
译码器
计数器
时钟信号发生器
支干道信号灯
信号灯译码驱动电路
主干道信号灯
主控
电路

交通信号灯控制原理电路框图
十字路口车辆运行情况只有4种可能：1）设开始时南北干道通行，东西干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30s。2）30s后，南北干道停车，东西干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5s。3）5s后，南北干道不通行，东西干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为30s。4）20s后，南北干道仍不通行，东西干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5s。5s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。状态转换图如图所示。
S0
S1
S2
S3
30s后
5s后
30s后
5s后
状态转换图

三、单元电路设计
3.1主控制器
3.1.1 74LS90引脚排列图与逻辑图
十字路口车辆运行情况只有4种可能，实现这4个状态的电路，可用两个触发器构成，也可用一个二-十进制计数器或二进制计数器构成。我采用二-十进制计数器74LS90实现。
采用反馈归零法构成4进制计数器,即可从输出端QBQA得到所要求的4个状态。图4-1 74LS90管脚排列图,逻辑图如图所示。为以后叙述方便，设X1=QB,X0=QA。

74LS90管脚排列图

主控制器的逻辑图

3.1.2 74LS90的功能表及引脚功能.
74LS90功能表

输 入
输 出
功 能
清 0
置 9
时 钟
QD QC QB QA
R0(1)、R0(2)
S9(1)、S9(2)
CP1 CP2
1
1
0
×
×
0
× ×
0
0
0
0
清 0
0
×
×
0
1
1
× ×
1
0
0
1
置 9
0 ×
× 0
0  ×
× 0
↓ 1
QA输出
二进制计数
1 ↓
QDQCQB输出
五进制计数
↓ QA
QDQCQBQA输出 8421BCD 码
十进制计数
QD↓
QAQDQCQB输出 5421BCD 码
十进制计数
1 1
不 变
保 持
如表7 4LS90功能表：7 4LS90逻辑功能为
(1)计数脉冲从CP1输入，QA作为输出端，为二进制计数器。
(2)计数脉冲从CP2输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。
(3)若将CP2和QA相连，计数脉冲由CP1输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，
则构成异步8421码十进制加法计数器。
(4)若将CP1与QD相连，计数脉冲由CP2输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，
则构成异步5421码十进制加法计数器。
(5)清零、置9功能。
a) 异步清零
当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。
b) 置9功能
当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA＝1001。
3.2、计数器
3.2.1计数器的作用
计数器的作用有二：一是根据南北干道和东西干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行30s、20s、5s 3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。
3.2.2计数器的工作情况
计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态S0时开始60s计数；30s后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始5s计数；5s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始20s计数；20s后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S3，计数器又开始5s计数；5s后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0，开始新一轮循环。
根据以上分析，设30s、20s、5s计数的归零信号分别为A、B、C，则计数器的归零信号L为：
L=A+B+C
其中：
A=S0 QC2= QC2
B=S2 QB2 QA2= QB2 QA2
C=S1 QB1 QA1+S3 QB1QA1= X0 QB1 QA1
考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将L取反后送到主控制器的CP端作为主控制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器(74LS90)。图5-1计数器。

图计数器(利用74LS90正计数功能)
3.2.3控制信号灯的译码电路的真值表
主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮为1，灯灭为0，则控制信号灯的译码电路的真值表。
表控制信号灯的译码电路的真值表
主控制器状态
主干道
支干道
X1 X0
红灯R 黄灯Y 绿灯G
红灯r 黄灯y 绿灯g
S0 0 0
S1 0 1
S2 1 0
S3 1 1
0 0 1
0 1 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
0 0 1
0 1 0

由灯控真值表可写出六盏等的逻辑式,经化简获的六盏灯逻辑式为：
由真值表得灯控函数逻辑表达式
—
R=QB r =Q B
＿
Y=QB QA y =QBQA
＿＿ __
G=QBQA g =QBQA
3.2.4置数电路
由真值表可分别写出各灯的逻辑表达式：
R=S2+S3=X1X0+X1X0=X1
Y=S1=X1X0
G=S0=X1X0
r=S0+S1=X1X0+X1X0=X1
y=S3=X1X0
g=S2=X1X0
根据功能要求采用以下逻辑门电路构成：
门电路是数字逻辑电路的基本组成单元，门电路按逻辑功能可分为：与门、或门、非门以及与非门、或非门、异或门、同或门、与或非门。若按电路结构组成的不同，可分为立元件门电路、CMOS集成门电路、TTL集成门电路等。各种集成门电路通常都封装在集成芯片内。此次设计采用的集成电路有74LS04、74LS00、74LS20、74LS12、74LS08引脚排列图如下图所示 这些集成电路的封装形式均为双列直插式。为双列直插式集成电路的右下方通常是地线GND，左上方引脚一般是电源线VCC，其它引脚的用途如图中符号所示，每个集成电路都有自己的代号，与代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途。如74LS00是二输入端四与非门，它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门。74LS04、74LS00、74LS20引脚图如下图所示：

图74LS04六非门内部结构引脚图

图74LS00四入与非门内部结构引脚图

图7420四输出与非门内部结构引脚图

图74LS10三输出与非门内部结构引脚图

3.2.5状态译码电路
根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图所示。将状态控制器，状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，如图所示。

图 态译码电路
3.3译码显示电路
译码显示电路主要是由共阴极LED七段数码管，CD4511译码器组成。
3.3.1共阴极LED七段数码管
数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。
此次设计采用的是共阴极连接如图

图 共阴极数码管引脚图

3.3.2 CD4511译码器

图 CD4511管脚功能排列图
1.以下介绍各引脚的功能：
其功能介绍如下：
BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入 DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。
LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。
a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

2.数码连接译码电路。
CD4511是一种BCD码输入端,其中D是高电位;a、b、c、d、e、f、g是输出端,输出高电平有效,和共阴极半导体发光数码管各发光段的阳极引出线相互连接，下面是七段数码显示器管脚接法，CD4511和数码管的管脚排列图:

图 段数码显示器管脚接法

图 数码管连接电路图
3. 真值表
共阳极数码管的数字显示真值表如下表所示
表 七段显示译码电路真值表

3.4555振荡器构成的秒脉冲电路
555定时器是种中规模集成电路，只要外部配上适当阻容元件，就构成脉冲产生和整形电路。
3.4.1 555定时器的引脚
时器555定时器内部结构和引脚排列图，如内部电路图，引脚排列图。555定时器内部含有一个基本RS触发器，配个电压比较器C1,C2,一个放电三极管T由三个5K的电阻的分配器，555定时器因此而得名一个输出缓冲器G3。比较器C1的参考电压为2VCC/3加在同相输入端C2的参考电压为VCC/3加在反相输入端，两者均由分在器上取得。

图 555的内部电路图

555定时器引脚排列图
555定时器个引线端的用途如下：
1．1端为接地线；
2．2端为低电平触发端，也称为触发输入端。当2端的输入高电压高 于VCC/3时，C2输出为1；当输入电压低于VCC/3时，C2的输出为0，使基本触发器置1；
3．3端U0为输出端；
4．4端是复位端，当=0时，基本触发器直接置0，使Q=0，=1；
5．3端UDD 为电压控制端，如果CO 端另加控制电压，则可以改变C1，C2的参考电压。工作中不使用CO 端时，一般都通过一个0.01uF的电容接地，以防旁路干扰；
6．6端TH 为高电平触发端，当输入电压低于2VCC/3时，C1的输出为1；当输入电压高于2VCC/3时，C1的输出为0，使基本触发器置0，即Q0=0，=1，这时定时器输出U0=0；
7．7端D为放电端。当基本触发器的=1时，放电晶体管T 导通，外接电容元件通过T放电；
8．8端VCC为电源端，可在4.3-1.6V范围内使用，若为CMOS电路，则VCC=3-18V。
表7-1 555定时器功能表，它全面表示了555的基本功能。
55定时器功能表

3.4.2 555定时器构成的多谐振荡器
多谐振荡器产生矩形波的自激振荡电路，由于矩形波包含和高次谐波成分，因此称为多谐振荡器。如图7-3 555定时器图7-4 波形图采用555设计的多谐振荡器及其工作波形，其振荡频率与实际的数字钟频率略有出入，但可以通过校时装置校时。多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用555实现多谐振需要外接电阻R1，R2和电容C，并外接+3V的直流电源。只需在+VCC端接上+3V的电源，就能在3脚产生周期性的方波。

图 本次设计的秒脉冲电路图
3.4.3 555定时器工作原理
接通电后，它经过电阻和对电容C充电，当上升略高于时，比较器C1的输出为“0”，将触发器置“0”，为“0”。这时， ＝1，放电管T导通，电容C通过和T放电，下降。当下降略低于时，比较器C2的输出为“0”，将触发器置“1”，又由“0”变为“1”。由于＝0，放电管T截止，又经过和对电容C充电。如此重复上述过程，为连续的矩形波。
第一个暂稳状态的脉冲宽度，即从充电上升到所需的
（＋）Cln2＝0.7（＋）C

第二个暂稳状态的脉冲宽度，即从放电下降到所需的时间：
Cln2＝0.7C

振荡周期 T=+0.7(＋2)C
   振荡频率

占空比
由式可得,占空比大于总是>%50。若设占空比=%50，又知交通信号灯的振荡周期是1S，可得到本次所需要的元器件阻值：
.R1≈4.7KΩ
R2≈4.7KΩ
C1≈100nF
C2≈10nF

3.5交通灯信号灯控制总体框图
根据设计各部分功能可画出交通信号灯控制系统总体框图：
VCC
OUT
U1
555_TIMER_RATED
GND
DIS
RST
THR
CON
TRI
U2
74LS90N
QA
12
QB
9
QD
11
QC
8
INB
1
R91
6
R92
7
R01
2
INA
14
R02
3
U3
74LS90N
QA
12
QB
9
QD
11
QC
8
INB
1
R91
6
R92
7
R01
2
INA
14
R02
3
U4
74LS90N
QA
12
QB
9
QD
11
QC
8
INB
1
R91
6
R92
7
R01
2
INA
14
R02
3
U5A
74LS04N
U6A
74LS04N
U7A
74LS04N
U8A
74LS04N
U9A
74LS04N
U10A
74LS04N
U11A
74LS04N
U16A
74LS00N
U17A
74LS00N
U18A
74LS00N
U19A
74LS00N
R1
47?
R2
47?
VCC
5V
VCC
5V
VCC
5V
C1
100uF
C2
10uF
U22
4511BD_5V
DA
7
DB
1
DC
2
DD
6
OA
13
OD
10
OE
9
OF
15
OC
11
OB
12
OG
14
~EL
5
~BI
4
~LT
3
U23
4511BD_5V
DA
7
DB
1
DC
2
DD
6
OA
13
OD
10
OE
9
OF
15
OC
11
OB
12
OG
14
~EL
5
~BI
4
~LT
3
R9
390?
R10
390?
R11
390?
R12
390?
R13
390?
R14
390?
R15
390?
R16
390?
R17
390?
R18
390?
R19
390?
R20
390?
R21
390?
R22
390?
U20
A
B
C
D
E
F
G
CK
U21
A
B
C
D
E
F
G
CK
LED1
LED4
LED6
LED7
LED5
LED8
??????????
??
???
??
0305

????
??
??
??
A2
??
? ?
60
57
56
55
54
53
52
51
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
0
0
0
VCC
VCC
27
0
VCC
14
13
12
18
0
59
U14A
74LS12N
U24A
74LS12N
U25A
74LS12N
1
2
3
9
5
U13A
7408N
U15A
7408N
U26A
74LS04N
U27A
74LS04N
U28A
74LS04N
U29A
74LS04N
4
8
10
11
15
16
22
24
61
62
63
64
65
21
6
25
67
20
26
28
29
17
66
0
U12A
74LS20D
7
19
0

图 交通信号灯控制系统总体框图

四、电路安装、调试与测试
在电路板上按整机框图把主控制器、计数器、信号灯译码器、数子显示译码器和秒脉冲信号发生器焊接好然后按以下步骤进行调试：
1．秒脉冲信号发生器的调试，按照数字电子钟的方法逐级调试振荡电路和分频电路，使输出设计符合设计要求。
2．将秒脉冲信号送入主控制器的CP端，观察主控制器的状态是否是按00、01、10、11、00…的规律变化。
3．将秒脉冲信号送入计数器的CP端，接入主控制器的状态信号X0、X1，并把主控制器的状态信号送入主控制器的CP端，观察计说器是否按30秒、5秒、30秒、5秒、30秒…循环计数。
4．把主控制器的状态转换信号X1、X0接至信号灯的译码电路，观察6个发光二极管是否按设计要求发光。
5．整机联调，使交通信号灯控制电路正常工作。
以上是本次设计的全过程，由以上分析知此设计所需材料有：3片74LS90、2片CD4511和2个共阴数码管、1个555定时器、2片74LS04、1片74LS20、1片74LS00、1片74LS10、1片74LS08、14个220 ohm电阻、2个4.7k电阻、1个100nF电容、1个10nF 电容和导线若干。

五、参 考 文 献
[1]康华光 电子技术基础---模拟部分［M］ 北京：高等教育出版社，2000，7
[2]童诗白 模拟电子技术基础［M］ 北京：高等教育出版社，2000，10
[3]成 立 数字电子技术［M］北京：机械工业出版社，2004，1
[4]阎 石 数字电子技术［M］ 北京：高等教育出版社，2000，5
[5]毕满清 电子技术实验与课程设计（第三版）［M］北京：机械工业出版社，2005，7
[6]谢自美 电子线路设计·实验·测试（第4版）［M］北京：高等教育出版社，2000，3
[7]孙肖子 邓建国 陈 男 电子设计指南 ［M］ 北京：高等教育出版社，2006，10
[8]赵曙光 可编程器件原理、开发及应用［M］ 西安：西安电子科技大学出版社，2002,2
[9]潘 松 黄继业 EDA技术实用教程（第二版）［M］ 北京：科学出版社，2006，6

六、总结、体会和建议
经过这个课程设计，我真正体会到了学有所用，同时也让我更加深刻的了解数字逻辑电路的重要性，真正体会到一种共同学习、共同进步的学习气氛，一种大讨论的学习氛围。这次设计对我来说感触最深的是，要做好一个设计，首先要了解每一个部分所涉及的知识点，掌握它的原理；同时要跟同伴们紧密联系、加强合作，体会到一种合作意识。整个设计我都参与其中，这令我的分析设计以及动手能力有了很大的提高，培养了我思考问题的全面性；让我明白，做学问要有一丝不苟的态度，遇到困难要有勇往直前的精神，做事情要有耐心和毅力，工作中要学会与人合作，认真听取他人意见，这样做事情才会顺手、顺心，举得事倍功半的效果。

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