交通灯控制逻辑电路设计专业课程设计.doc

交通灯控制逻辑电路设计专业课程设计

电工学(少学时)
课程设计

中国人民公安大学

交通灯控制逻辑电路设计
设计要求和技术指标
1、技术指标：设计一个十字路口的交通灯控制电路,每条道路上各配有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该道路禁止通行；黄灯亮表示该道路上未过停车线的车辆禁止通行，已过停车线的车辆继续通行；绿灯表示该道路允许通行。该电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，实现十字路口自动化。
2.、设计任务与要求
一.基本功能
　　 1．设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求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．要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；
　　 3．黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次 。
二．基本扩展功能
1.信号灯的倒计时
2.进行数字显示
三．特色扩展功能
1.定时控制信号周期。
实际应用：我们灯控路口的每天都存在着低峰时段（如夜间），不需要设置信号灯的周期，以便节省能源。
我们设计在一个周期的某一时间段内，将交通信号灯自动关闭。（第8个周期运行，第1-7个周期停止运行）
实现手动对关闭周期的时间控制。（周期在20和40之间通过开关控制）
2.定时控制信号周期，实现在一个时段内的不对称周期。
实际应用：我们灯控路口的每天都存在着某时段（如两个车道中的一个车道需要长周期），便于交通。
我们设计在一个周期的某一时间段内，将交通信号灯变为不对称的信号（A车道为70秒，B车道为30秒）。暂时设置为（第8个的半个周期（30秒）（自动设置为半个周期）运行，加第7个的上半周期（70秒），形成一个不对称周期。第7个下半周期和1-6个周期正常运行）

目录
一、交通灯的组成……………………………………………........4
二、单元电路的设计……………………………………………....7
1、秒脉冲发生器……………………………………………..7
2、定时器………………………………………………….…..8
3、控制信号发发生器..……………………………………..10
4.控制绿灯显示器.………………………………………….13
5.控制器.…………………………………………………….14
6、附加功能（1）…………………………………………...……..17
7、附加功能（2）…………………………………………...……..18

三、体会总结....................................................................................14
四、鸣谢............................................................................................16
五、参考文献....................................................................................17

一．交通灯的组成
 交通灯控制系统的原理框图如图12、1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个工作状态的定时。

图12、1 交通灯控制系统的原理框图

两方向车道的交通灯的运行状态共有4种，如图1-2所示
状态0
支干道
绿灯亮

状态1
支干道
黄灯亮
状态2
主干道
绿灯亮
状态3
主干道
黄灯亮
图1-2

一般十字路口的交通灯控制系统的工作过程如下：
 （1）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。
   （2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车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，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
   （3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。
   （4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车
道上位过县停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。
    交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如下表所示。

控制器状态
信号灯状态
车道运行状态
S0（00）
S1（01）
S2（11）
S3（10）
甲绿，乙红
甲黄，乙红
甲红，乙绿
甲红，乙黄
甲车道通行，乙车道禁止通行
甲车道缓行，乙车道禁止通行
甲车道禁止通行，乙车道通行
甲车禁止道通行，乙车道缓行

12-3 控制器工作状态及其功能
控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：
      AG=1：甲车道绿灯亮；
      BG=1：乙车道绿灯亮；
      AY=1：甲车道黄灯亮；
      BY=1：乙车道黄灯亮；
     A R=1：甲车道红灯亮；
    BR=1：乙车道红灯亮；（A代表甲车道，B代表乙车道，G为绿灯，Y为黄灯，R为红灯）
由此得到交通灯的ASM图，如 图12-2所示。设控制器的初始状态为S0（用状态框表示S0），当S0的持续时间小于25秒时，TL=0
（用判断框表示TL），控制器保持S0不变。只有当S0的持续时间等于25秒时，TL=1，控制器发出状态转换信号ST（用条件输出框表示ST），并转换到下一个工作状态。依此类推可以弄懂ASM图所
表达的含义。

12-2．画出交通灯控制器的ASM
（Algorithmic State Machine，算法状态机）

二．单元电路的设计
（1）秒脉冲发生器
脉冲信号发生器直接由集成元件。

（2）定时器
定时器由与系统秒脉冲（由上面时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。
计数器选用集成电路两个74LS190D进行设计。74LS190是10位二进制同步计数器，它具有清零、置数的功能。74LS190D的外引线排列图和时序波形图如图12、4所示，其功能表如表12、2所示。190 的预置是异步的。当置入控制端（ LD ）为低电平时，不管时钟CP 的状态如何，输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（D0～D3）相一致的状态。190 的计数是同步的，靠CP 加在4 个触发器上而实现。当计数控制端（CT ）为低电平时，在CP 上升沿作用下Q0～Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。当计数方式控制（U /D）为低电平时进行加计数，当计数方式控制U /D）为高电平时进行减计数。只有在CP 为高电平时CT 和U /D 才可以跳变。
190 有超前进位功能。当计数溢出时，进位/错位输出端（CO/BO）输出一个低电平脉冲，其宽度为CP 脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端（ RC ）输出一个宽度等于CP 低电平部分的低电平脉冲。CTp、CTT是计 图12、2 交通灯的ASM图数控制端，CO是进位输出端，D0～D3是并行数据输入端，Q0～Q 3是数据输出端。由两片74LS163级联组成的定时器电路如图12、4所示。
74LS190D的外引线排列图

74LS190时序波形图

输入
输出
CLK
U/D
LOAD
A
B
C
D
RCO
QA
QB
QC
QD
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
表12、2 74LS190D功能表

图为计时器的构成（两个74ls190D）
通过对个位和十位的或门的0，输入给load,实现初始状态的置数，之后将u/d接高电平，从而实现倒数计时。之后由30倒数至0时，或门得0，又实现置数功能。如此循环下去，实现计数功能。

（2） 控制信号发生装置
1.TL信号发生原理

2.TY信号发生原理
TY信号即为00的置位信号，即只需将load的接口引出即可。
（3） 控制绿灯显示器

通过主控定时器控制绿灯显示器，通过对绿灯计时器25位置产生信号与主计时器5位置产生的信号及时冲脉冲进行与运算，输出信号来控制输出信号。对时冲脉冲进行操作。从而实现绿灯显示在红灯运行25秒后，从而实现使其脉冲信号中断5秒，从而实现准确计时。
主控计时器时间段
25位置信号
5位置信号
输出信号
30-25
0
失效
没有锁定
5-0
1
1
锁定
0
0
0
解锁

（4）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。从ASM图可以列出控制器的状态转换表，如表12、3所示。选用两个JK触发器jk-ff接入或门电路做为时序寄存器产生 4种状态，J、K端由高电平控制。使用其计数功能。
JK-FF外接引线表

表12、3 控制器状态转换表
J、J1
K、K1
TY
TL
Q
Q1
AR
AG
AY
BR
BG
BY
1
1
1
0
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
0
0
0
1
1
0
0
根据表12、3、可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q、Q1和AG…为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中"1"用原变量表示，"0"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：

    根据以上方程，对其化简得AR=Q、,实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（Q1、Q0）加到D触发器输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。控制器的逻辑图如图12、5所示。
黄灯闪烁可由时钟脉冲来解决，当信号为1的时候，采用或门电路，从而使信号灯失去作用，实现锁定。当信号为0的时候将会解除锁定。同时信号的1、0变换，使黄灯实现闪烁。

图 12、5控制器逻辑图
(5）附加功能（1）
信号周期定时关闭的实现
当信号周期传达到给计时器时，计时器进行倒计时，当倒计时到8时，输出信号QA、QB、QC的值为1、1、1，经过与门之后输出KL=1,再与时冲脉冲经过与门后，将信号灯锁住。其原理图如下。

图为信号周期发生图

图为输出信号发生装置
图为对交通灯的锁定示意图
(6）附加功能（2）
定时控制信号周期，实现在一个时段内的不对称周期
通过jk触发器的输出端Q进行计时，输入到下图所示的计数器，当QA、QB、QC同为1时，计数器显示为7从而通过或非门电路输出信号1.如下图所示

通过信号1来控制两个74L190D中的C端的电位，实现对周期的同时改变。当信号为0时则不发生作用，周期不变。如下图所示

三．体会总结
通过这次课程设计，加强了我们小组的思考和解决问题的能力。电路原理和连接，和芯片上的选择。巩固数字逻辑电路的理论知识， 实现第一种附加功能方案用了36个芯片，实现第二种附加功能方案用了29个芯片。对190计数器更加了解，懂得它的功能与其它芯片替换等.使D触发器从书本上的理论知识联系到实际,让我更加了解它的功能. 更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活。
我觉得做课程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，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些触发器的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，做了课程设计后就完全了解其作用。
虽然我们小组的交稿时间较晚，但是我们独立的实现了扩展功能。并在别人的基础上实现了基本功能的改进。从刚开始什么都不懂，到最后请教别人做到了基本功能，然后又改进别人的基本功能，进而自己独立做出扩展功能。
突然觉得得到一个好的分数不是一件重要的事情。真正重要的是在这次设计中学到了一些东西。不仅仅是电路上的知识，更是一种科研能力、独立思考的能力、对知识的热爱。正如老师您所说，若干年之后，可能所学的知识都忘掉了，但是这件事永存在我们的记忆中，再次回忆起当初一起讨论、半夜两点醒来画下逻辑电路…

四.鸣谢
本次关于简易交通灯的设计与制作是在交管一区王泓然的电路上做出的改进，经过同学的指导下，和同组内其他成员的共同交流下才得以顺利完成。经过本次设计把我们组把在学习数电以来所学的理论知识转化为实际应用，既锻炼了我们的实际操作能力，又使理论知识得以加强和升华，激发了创新意识

五．参考文献

1．《电工学课件》 吴昌明
2.《电工学（少学时）》 高等教育出版社
3．《555集成电路实用电路集》 高等教育出版社
4 《TTL集成电路应用》 机械工业出版社
5 《CMOS集成电路》 国防工业出版社