十字路口交通信号灯控制电路的设计.doc

目录
设计内容…………………………………………………... 2
1、电路的工作原理…………………………………………… 3
2、性能简介……………………………………………....…… 5
3、整体电路框图…………………………………………….. 6
4、各部分电路的设………………………………………… 7
4.1、逻辑控制电路的设计…...…………………… 7
4.2、秒脉冲和4S脉冲产生电路的设计 ……...…….. 15
4.3 设计直流稳压电源电路………………........... 17
5、整体电路及工作原理介绍............................................ 18
6、心的体会 ................................................................................ 19
7、材料单.................................................................................... 20
8、参考资料..................................................................... 21

设计内容
在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，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。
设计一个十字路口的交通信号灯控制电路，基本要求如下：
（1）甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒。
（2）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。
（3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。
选做扩展功能：
（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数；
（5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。

1.1 电路的工作原理
交通灯定时控制电路的原理框图如图2所示。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。图中：
TL ：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则TL=0。
TY ：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，TY=1，否则，TY=0。
ST ：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号，由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。
定时器

甲车道信号灯
秒脉冲
发生器
TL TY ST
译码器
控制器

乙车道信号灯

图1 交通灯控制电路原理框图
逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。

1.2 设计逻辑控制电路
1.2.1 信号灯白天工作方式
某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。
交通信号灯白天工作顺序流程图：

南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t
南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t
南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t

南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 1t

图2 交通信号灯白天工作顺序流程图

注：t＝4S，黄灯亮时每秒闪动一次。
南北方向绿、黄、红灯分别用NSG、NSY、NSR表示，东西方向绿、黄、红灯分别用EWG、EWY、EWR表示。
从上述工作方式看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。
就某个方向而言，绿、黄、红灯亮的时间比为5：1：6。选时间单位（即CP）为4秒，则绿灯亮的时间为5×4＝20秒，黄灯亮的时间为1×4＝4秒，红灯亮的时间为6×4＝24秒。
1.2.2 夜间工作方式
南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。
综合上述要求，电路包括：秒脉冲（CP）发生电路、分频器（由秒脉冲得4秒脉冲）、时序逻辑电路、组合逻辑电路。建议用TTL集成电路实现上述各部分电路。
1.3 设计直流稳压电源电路
直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源，故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要。
直流稳压电源电路包括：降压、整流、滤波、稳压四个环节。要求对四个环节进行参数计算和器件选择。

2性能简介
该交通灯控制系统有白天和夜间两种工作模式：选择白天工作方式， 东西（南北）方向绿灯亮20s，黄灯以一秒的频率闪烁4s，与此同时，南北（东西）方向红灯亮24s，切换到另一方向；选择夜间工作方式，东西南北方向黄灯每秒闪动一次，其他灯不亮。

3整体电路框图
整体电路框图如下：
东西信号灯
南北信号灯
组合逻辑电路
十二进制计数器
工作方式控制开关
秒脉冲产生电路
4分频器
图3 电路整体框图

4各部分电路的设计
4.1 逻辑控制电路的设计
4.1.1 白天工作方式逻辑控制电路的设计
①时序逻辑控制电路
Ⅰ.方案论证
由于每个工作循环周期为12，所以可选用12进制计数器作为控制电路的核心。计数器可以用触发器组成，也可以用中规模集成计数器组成。应显示方式的要求建议用中规模移位寄存器组成扭环形12进制计数器。
移位寄存器推荐用TTL类型，8位串入并出一位寄存器74LS164。
Ⅱ.74LS164有关资料
ⅰ.引脚图

图4 74LS164 引脚图
ⅱ功能表

输 入
输 出
清零
时钟
串入

CP
A B
QA QB QC QD QE QF QG QH
L
H
H
H
H
χ
L
↑
↑
↑
χχ
χχ
H H
L χ
χ L
L L L L L L L L
QA0 QB0 QC0 QD0 QE0 QF0 QG0 QH0
H Q An Q Bn Q Cn Q Dn Q En Q Fn Q Gn
L Q An Q Bn Q Cn Q Dn Q En Q Fn Q Gn
L Q An Q Bn Q Cn Q Dn Q En Q Fn Q Gn

QA0 QB0 QC0 QD0 QE0 QF0 QG0 QH0：分别为寄存器输出QA QB QC QD QE QF QG QH在指明稳态输入条件建立之前的电平。
Q An Q Bn Q Cn Q Dn Q En Q Fn Q Gn：分别为寄存器输出QA QB QC QD QE QF QG QH在时钟最近出现上升沿之前的电平。
：异步清零端，低电平有效。
A、B：串行输入端。当两个输入端任何一个或两个为低电平时禁止新数据输入，并在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（QA）置为低电平。当两个均为高电平时，在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（QA）置为高电平。
Ⅲ.应用电路
ⅰ.用74LS164组成的12进制扭环型计数器电路

图5 12进制扭环型计数器电路

ⅱ.12进制扭环型计数器真值表

输 入
计数器输出

CP
QA QB QC QD QE QF
0
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0
1 1 1 0 0 0
1 1 1 1 0 0
1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 1
0 1 1 1 1 1
0 0 1 1 1 1
0 0 0 1 1 1
0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 0
② 组合逻辑电路
Ⅰ.真值表
根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。组合逻辑电路的真值表如下。

计数器输出
南北信号
东西信号
QA QB QC QD QE QF
NSG NSY NSR
EWG EWY EWR
0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 0
1 1 0 0 0 0
1 1 1 0 0 0
1 1 1 1 0 0
1 1 1 1 1 0
1 1 1 1 1 1
0 1 1 1 1 1
0 0 1 1 1 1
0 0 0 1 1 1
0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 0 1
0 0 0 0 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
0 1 0
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
1 0 0
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
1 0 0
0 1 0
0 0 1

Ⅱ.表达式
由上表写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得：
南北方向 东西方向
NSG＝ EWG=QEQF
NSY＝QE EWY＝QF
NSR＝QF EWR＝
利用表达式，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，通过门电路可以实现白天信号灯的逻辑控制电路。由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。建议非门选用TTL集成门74LS04，与门选用TTL集成门74LS08。当然，以上仅是考虑白天工作方式时的情况。下面将介绍白天和夜间综合考虑的情况，综合考虑后，表达式需要修改，则门电路也需要作响应的修改。
黄灯点亮的按秒闪动，将在下面考虑。
4.1.2 白天和夜间综合考虑
按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74LS164停止循环工作，即通过开关将164的接地，使164的所有Q端全部清零。白天为高电平，164循环工作。由74LS164 组成的12进制扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。
在夜间由于＝0使164的所有Q端清零后，会出现下述问题：
① NSG＝，由于Q端均为低电平，则NSG为高电平，即南北绿灯点亮，显然这是不允许的，所以NSG的表达式需要修改；
② EWR＝，由于Q端均为低电平，则EWR为高电平，即东西红灯点亮，显然这是不允许的，所以EWR的表达式需要修改；
③ NSY＝QE、EWY＝QF，由于QE 、QF均为低电平时，则NSY、EWY为低电平，即南北和东西方向的黄灯不能点亮，显然这是不允许的，所以NSY、EWY的表达式需要修改。
上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下：
① 在夜间由于QE＝QF＝0使NSG＝1的解决办法
令NSG＝，即将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间由于＝0，则NSG＝0；在白天由于＝1，则NSG＝＝，即南北绿灯按白天工作方式点亮。
虽然EWG= QEQF，在夜间QE＝QF＝0，则EWG=0，即不点亮。但为了对称，也将其表达式修改为EWG= QEQF。
② 在夜间由于QF＝0，使EWR＝＝1的解决办法
令EWR＝，即将EWR与之间的连线改为两输入与门。那么，在夜间由于＝0，则EWR＝0，即不能点亮；而在白天由于＝1，则EWR＝＝，即东西方向红灯按白天工作方式点亮。
虽然NSR＝QF，在夜间由于QF＝0，则NSR＝0，即不点亮。但为了对称也将其修改为NSR＝QF。
③ 在夜间由于QE＝QF＝0，使NSY＝QE、EWY＝QF均为0的解决办法
使NSY＝＋QE，EWY＝＋QF，即将原来的两输入与门改为在与门之后再增加一级两输入或门，其一个输入端为，即将经过一级非门后作输入，另一个输入端为原来两输入与门的输出（QE的输出或QF的输出）。那么，在夜间由于＝0，＝1，则NSY=EWY=1，即点亮；而在白天由于＝1，＝0，则NSY＝＋QE＝QE，EWY＝＋QF＝QF，即各方向的黄灯按白天工作方式点亮。
4.1.3 黄灯点亮按秒闪动的设计
将上述修改后的黄灯的输出信号送入两输入与门的一个输入端，另一输入端输入秒脉冲信号，就可以实现黄灯点亮时按秒闪动。
4.1.4 逻辑控制原理电路、工作原理、器件选择
① 逻辑控制原理电路
由12进制扭环形计数器和修改后的组合逻辑控制电路的表达式，则
逻辑控制电路如下图所示。

图6 组合逻辑控制电路
夜间
白天

② 工作原理
由逻辑控制电路设计部分可知，在白天工作方式下，＝1，NSG＝，NSR＝QF，NSY＝＋QE＝QE，EWG= QEQF，EWR＝，EWY＝＋QF。其中黄灯还需要通过秒脉冲实现闪烁的效果。在夜间工作方式下，＝0，两个方向的黄灯在秒脉冲作用下闪烁，其它灯不会亮。
③ 器件选择
非门选内有六单元非门74LS04一片，两输入与门选内有四单元芯片74LS08两片，两输入或门选内有四单元芯片74LS32一片，三输入或门选内有三单元芯片74LS11一片。
Ⅰ.74LS04有关资料
ⅰ.引脚图
图7 74LS04引脚图

ⅱ真值表

输入
输出
0
1
1
0

Ⅱ.74LS08有关资料
ⅰ.引脚图
图8 74LS08引脚图

ⅱ真值表

输入
输出
A
B
Y
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1

Ⅲ.74LS11有关资料
ⅰ.引脚图
图9 74LS11引脚图

ⅱ真值表

输入
输出
A
B
C
Y
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
1
1
0
0
1
1
1
1

Ⅳ.74LS32有关资料
ⅰ.引脚图
图10 74LS32引脚图

ⅱ真值表

输入
输出
A
B
Y
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
1
4.2 秒脉冲和4S脉冲产生电路的设计
4.2.1 秒脉冲发生器的设计
① 方案论证
秒脉冲由秒脉冲振荡器产生。秒脉冲可以由高频石英晶体振荡器输出
经分频得出，也可以用与非门多谐振荡器得出，也可以用IC555组成的多谐振荡器得出。由于本设计对秒脉冲准确度要求不高，建议采用IC555多谐振荡器产生。
② 由IC555组成的多谐振荡器电路

图11 多谐振荡器电路

C2为防止干扰信号的交流旁路电容，一般为0.01μF。振荡周期由R1、R2、C1决定，T＝（R1＋2R2）C1ln2。一般选定其中两个元件的数值，另一个的数值通过计算得出。
③ 工作原理介绍
电源通过电阻R1、R2对电容C1充电，充到2/3Vcc后，电容通过555内置电路放电，放到1/3 Vcc后，重复上述过程。
④ 器件选择
集成555定时器引脚图
图12 555定时器引脚图

4.2.2 4S脉冲的产生的设计
① 方案论证
4S脉冲是为74LS164提供的CP脉冲。从理论上讲，4S脉冲可以用
多谐振荡器来产生。为了使整体电路的脉冲协调一致，4S脉冲应将秒脉冲经过4分频器得出。因此，4S脉冲电路的设计实际上就是4分频器的设计。
② 4分频器的设计
建议用74LS74实现4分频器。74LS74是内有两个D触发器的TTL集成电路，将每一触发器接成触发器，两级串联就实现4分频，即输入1S脉冲，输出4S脉冲。
③ 原理电路和工作原理介绍
图13 74LS74原理电路

由上述方案可知，采用74LS74芯片，当秒脉冲输入到两个D触发器中，实现4分频，相应周期变为原来的4倍，产生4s的脉冲。
④ 器件选择
74LS74有关资料
ⅰ.引脚图
图14 74LS74引脚图

ⅱ真值表

4.3 设计直流稳压电源电路
直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要。
直流稳压电源电路包括：降压、整流、滤波、稳压四个环节。
采用对220V交流电降压、整流、电容滤波、集成稳压器稳压的方案。
直流稳压电源电路图如图7所示：

图15 直流稳压电源电路

5整体电路及工作原理介绍
5.1 整体电路图

图16 整体电路图

5.2 工作原理介绍
由集成555定时器连成多谐振荡器，通过电阻电容匹配产生秒脉冲。通过74LS74中的两个D触发器，对秒脉冲进行4分频，生成4s的脉冲。由于各信号灯的时间之比为5:1:6，用74LS164连成十二进制计数器，综合其使能端对各信号灯进行控制，各灯用发光二级管模拟。开关用来切换白天和夜间工作方式。
6 心得体会
对于这一次的收获，自己发现问题解决问题的能力有所提升。还有就是对自己细心程度的提升。
我们从书本上学到的知识应用于实践，再次巩固了我的动手能力，提高了我的思考能力。虽然设计过程中遇到了很多困难，但是在解决这些问题的过程无疑是对自身专业素质的提高。当最终调试成功的时候也是对自己的一种肯定。此次的设计不仅增强了自己在专业设计方面的信息，鼓舞了自己，更是一次兴趣的培养。
通过这次毕业设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。电路原理和连接，和芯片上的选择,也略懂。巩固数字逻辑电路的理论知识还有如何利用555芯片产生秒脉冲.计数器的工作原理。 更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活。我觉得做毕业设计同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完毕业设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，主要是因为没有动手实践过吧！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。故一个小小的毕业设计，对我们的作用是如此之大。

7 材料单

序号
名称
元件编号
参数
备注
1
四位二进制加法计数器
74LS164

1
2
四输入与门
74LS08

2
3
四输入非门
74LS04

1
4
四输入或非门
74LS32

1
5
双D触发器
74LS74

1
6
发光二极管红绿黄

6（各2个）
7
555定时器

1
8
稳压管
7805

1
9
电阻

5k
1
10
电阻

44k
2
11
电容

0.01uF
1
12
电容

10uF
1
13
三位三输入与门
74LS11

1
14
整流桥
8229

1

参考资料
[1] 数字电子技术基础（第五版）————高等教育出版社,2005
[2] 童诗白主编，《模拟电子技术基础》，高等教育出版社，2006
[3] 付家才主编，《电子工程实践技术》，化学工业出版社，2004

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