信号灯控制电路综述.docx

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信号灯控制电路综述

电子课程设计

——交通灯控制电路

学院：

电子信息工程学院

专业、班级：

自动化12级姓名：

学号：

指导老师：

任青莲

2014年12月

一、设计任务与要求.........................................3

1.1、设计任务..........................................3

1.2、设计目的..........................................3

二、总体框图...............................................3

2.1、设计思想..........................................3

2.2、设计方案及分析....................................4

三、选择器件..............................................5

3.1、实验所需器件......................................5

3.2、器件说明..........................................7

四、功能模块...............................................8

4.1、控制器与信号灯的关系..............................8

4.2、状态译码器........................................8

4.3、信号灯计时显示逻辑模块...........................10

4.4、信号灯顺序定时置数模块...........................10

4.5、秒脉冲发生器.....................................11五、总体设计电路图........................................14

5.1、总体设计原理.....................................14

5.2、总体设计电路图...................................15

5.3、仿真结果.........................................16

5.4、硬件实验.........................................19

六、心得体会..............................................21

交通灯控制电路

1、设计任务与要求

1.1、设计任务

设计一个十字路口的交通信号灯控制器，控制主干道、副干道两条交叉道路上的车辆通行，具体要求如下：

1）、每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3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通过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆停止通行。

2）、主干道通25S，副干道25S，每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮时，才能改变换车道。

3）、黄灯亮时每秒闪一次

1.2、设计目的

通过本设计熟悉用中规模集成电路进行时序逻辑电路和组合逻辑电路设计的方法，掌握简单数字控制器的设计方法。

2、总体框图

2.1、设计思想

设系统工作的十字路口由主、支两条干道构成，4路口均设红、黄、绿三色信号灯和用于计时的2位由数码管显示的十进制计数器，其示意图如图5—1所示。

图1十字路口交通信号灯控制示意图

根据交通规则，交通信号灯自动定时控制器所需实现的功能如下：

（1）主、支干道交替通行

（2）每次绿灯换红灯前，黄灯先亮较短时间，以等待十字路口内滞留车辆通过。

（3）主支干道通行时间和黄灯亮的时间均可由同一计数器按减计数方式计数（零状态瞬间进行状态的转换，视为无效态）。

（4）在减计数器回零瞬间完成十字路口通行状态的转换（换灯）。

（5）计数器的状态由EWB显示器件库中的带译码器七段数码管显示，红、黄、绿三色信号灯由EWB显示器件库中的指示灯模拟

2.2、方案设计与分析

设主干道通行时间为N1，支干道通行时间为N2，主、支干道黄灯亮的时间均为N3，通常设置为N1>N2>N3。

系统工作流程图如图5-2所示。

交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图2.2所示，有电源电路，脉冲电路，分频电路，倒计时电路，（交通灯）状态控制电路，灯显示电路电路。

从交通灯控制电路功能模块框图可知在倒计时电路，状态控制电路，灯显示电路三块电路产生设计分歧。

所以实现交通灯控制电路可以有2种方案：

（1）先设计出让交通灯按4种状态循环变换的灯显示电路，再通过灯的状态控制倒计时显示器的显示的功能；

（2）先设计让倒计时显示器按规律运行的电路，再通过倒计时电路的信号来控制交通灯按4种状态循环变换；方案1，2均符合设计的要求，但通过具体实践和分析方案1显示电路需要比较多的芯片，其电路不是太复杂，但是过程比较繁琐。

而方案2让显示电路来控制灯的发亮，这样显示电路就不受其他信号的影响，并且通过显示电路来控制交通灯的状态变换比较容易。

综上所述，选择方案2来设计具体的电路。

3、选择器件

3.1、实验所需器件：

3.2、器件说明：

1）、电路中芯片的管脚图：

图474LS190芯片管脚图

图574LS465n芯片管脚图

2）、电路里芯片的真值表

表674LS00真值表表774LS04真值表

表874LS163真值表

表974LS190真值表

4、功能模块

4.1、控制器与信号灯的关系

状态控制器:

由流程图可见,系统有4种不同的工作状态（S0～S3），4位二进制递增集成计数器74163作状态控制器，74163的功能表如图所示，电路符号在图中可见，取底两位输出QB、QA作状态控制器的输出。

状态编码S0、S1、S2、S3分别为00、01、10、11.

4.2、状态译码器：

以状态控制器输出（QB、QA）作为译码器的输入变量，根据四个不同通行状态对主、支干道三色信号灯的控制要求，列出灯的控制要求，列出灯控函数真值表，如表X所示。

表10灯控函数真值表

由灯控函数真值表可写出六盏灯的逻辑表达式，经化简获得六盏灯的逻辑式为

R=QBr=Q`B

Y=Q`BQAy=QBQA

G=Q`BQ`Ag=QBQ`A

根据灯控函数逻辑表达式，可写出由与门和非门组成的状态译码器电路，如图3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4所示。

需要特别指出的是，上述获得状态译码电路的过程完全可以借助EWB自动进行，在EWB主界面下，打开仪器库，调出逻辑转换仪。

在逻辑转换仪面板上的真值表内填入某灯的输入变量和输出函数值，按下“真值表→简化逻辑函数”按钮，即可得到简化的灯控逻辑函数。

再按下“简化逻辑函数→逻辑图”按钮，即可得到某灯的逻辑图。

图11三色信号灯逻辑显示电路

黄灯闪烁控制：

要求黄灯每秒闪一次，故一个秒脉冲脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接进来再接到黄灯就可以实现

4.3、信号灯计时显示逻辑电路

选用两片74190十进制可逆计数器构成2位十进制可预置数的减法计数器。

74190具有异步并行置数功能、保持功能，虽然没有专用的清零输入端，但可以借助QA、QB、QC、QD的输出数据间接实现清零功能。

两片计数器之间采用异步连接方式，利用个位计数器的借位输出脉冲（RCO`）直接作为十位计数器的计数脉冲（CLK），个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。

选用两片只带译码器功能的七段显示数码管实现两位十进制数显示。

D1、C1、B1、A1和D0、CO、B0、A0是十位和个位计数器的8421码置数输入端。

由74190功能表可知，该计数器在零状态时RCO`端输出低电平。

将个位与十位计数器的RCO`端通过或门控制两片计数器的置数控制端LOAD`（低电平有效），从而实现了计数器减计数至“00”状态瞬间完成置数的要求。

将数据输入端的8421BCD码置入计数器。

可以选择100以内的预置数值，实现0～100s内的计时显示要求。

图12信号灯计时显示逻辑电路

4.4、信号灯顺序定时置数模块

为使系统简化，如上所述，用同一减法计数器分时显示主、支干道通行时间（即主、支干道绿灯亮的时间）和主支干道通行转换中黄灯亮的时间，为此，必须解决好按顺序定时置数问题。

选用三片74465可组成按顺序定时置数的控制电路。

三片74465输入端分别以8421BCD码形式设定主、支干道路通行时间和黄灯亮的时间，输出端分别按高、底位对应关系并联后按D7~D0由高位到低位排列后，接到递减计数器的置数输入端。

三片74465的选通控制端G2`分别命名为AG`、Ag和AY`，分别表示主干道的绿灯、支干道的绿灯和黄灯选通（低电平有效）、并完成对递减计数器的预置数。

三片74465任何时刻只能有一篇选通，其他两片输出端均处于高阻态。

图13递减计数器的分时置数控制电路

4.5、秒脉冲发生器

秒脉冲发生器可由555多谐振荡器构成，为简化电路，可直接选用秒脉冲信号源代替秒脉冲发生器。

555定时器（又称时基电路）是一个模拟与数字混合型的集成电路。

按其工艺分双极型和CMOS型两类，其应用非常广泛。

1．555定时器的组成和功能

图13是555定时器内部组成框图。

它主要由两个高精度电压比较器A1、A2，一个RS触发器，一个放电三极管和三个5KΩ电阻的分压器而构成。

图14555定时器内部组成框图

它的各个引脚功能如下：

1脚：

外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。

8脚：

外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。

一般用5V。

3脚：

输出端Vo

2脚：

低触发端

6脚：

TH高触发端

4脚：

是直接清零端。

当

端接低电平，则时基电路不工作，此时不论

、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。

5脚：

VC为控制电压端。

若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。

7脚：

放电端。

该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。

在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为

的情况下，555时基电路的功能表如表所示：

表15555时基电路功能表

图16秒脉冲发生器原理

如图所示，R6、C2组成一个串联RC充放电电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C2上得到一个三角波。

此三角波送到NE555的2脚输入端。

由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。

根据555定时器的功能表可知到由555定时器构成的多谐振荡器接通电源后，电容C被充电，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，同时发电BJTT导通，此时VO为低电压，电容C通过R2和T放电，使VC下降。

当VC下降到（1/3）VCC时，触发器又被置位，VO翻转为高电平。

电容器C放电所需的时间为：

tPL=R2Cln2可近似看成tPL=0.7R2C

当C放电结束时，T截止，VCC将通过R1、R2向电容器C充电，VC由（1/3）VCC上升到（2/3）VCC所需的时间为：

tPH=（R1+R2）Cln2可近似看成tPH=0.7（R1+R2）C

而当VC上升到（2/3）VCC时，触发器又周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：

f=1/（tPL+tPH）可近似看成f=1.43/[（R1+2R2）C

5、总体设计电路图

5.1、总体设计原理

5.2、总体设计电路图

图16总体设计电路图

5.3、仿真结果

1）、副干道红灯亮时，主干道黄灯亮，副干道禁止通行，主干道缓慢通行，黄灯闪烁5s：

图17状态1

2）、主干道红灯亮时，副干道绿灯亮，主干道禁止通行，副干道允许通行，红灯亮25s：

图18状态2

3）、主干道红灯亮时，副干道黄灯亮，主干道禁止通行，副干道缓慢通行，黄灯闪烁5s：

图19状态3

4）、副干道红灯亮时，主干道绿灯亮，主干道允许通行，副干道禁止通行，红灯亮25s：

图20状态4

5.4、硬件实验

1）硬件总体电路图

图21副干道红灯亮，主干道黄灯亮

图22主干道红灯亮，副干道黄灯亮

六、心得体会

通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。

在整个设计过程中，我总共想过两个方案，另一个弄了两天，结果总是实现不了题目的要求。

所以又花了两天的时间做出这个方案，这个方案相对比较简单，包括电路原理和连接，和芯片上的选择，这个方案总共用了6个芯片，分别为1个74163，2个74190，3个74465芯片。

在设计过程中，经常会遇到这样的情况，就是心里老想着这样的解法可以行的通，但实际接上电路，总实现不了。

所以这几天不管做什么，脑子里总是想着如何解决这些问题，如何想出更好的连接方法。

功夫不负有心人，经过几天的思考，总算得到了想要的结果。

我懂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，哪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！

知识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，时间是检验真理的唯一标准，故一个小小的课程设计，对我们的作用是如此之大。