太原理工大学交通信号灯控制器课程设计.docx
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太原理工大学信息工程学院数电课程设计
一、设计摘要
摘要：
随着社会的发展，交通有了巨大的改善，马路上的车流量也逐渐增加，经常出现堵车现象，对人们的出行造成了极大地影响，合理的交通控制显得更加重要。
其中，交通信号灯的智能控制越来越受到广泛的关注和应用。
本设计采用74LS系列集成电路进行模拟，实验性的实现了交通信号灯控制器的基本功能。
关键字：
信号灯智能控制交通
二、设计目的
通过本次课题设计，应该掌握以下内容
（1）学习数字逻辑电路设计的一般方法。
（2）要求学会用理论知识解决实际问题。
（3）灵活掌握部分74LS系列集成电路的使用。
（4）掌握Multisim仿真软件的应用。
（5）掌握常用元器件的识别与测量。
（6）了解实际电路调试和解决问题的基本方法。
三、设计要求
由一条主干道和一条支干道的汇合点形成交叉十字路口，为确保车辆安全、迅速地通行，在交叉道口的每个入口处设置了红、绿、黄3色灯。
红灯禁止通行；绿灯亮允许通行；黄灯亮则使行驶中的车辆有时间停靠到禁止线外。
用红、绿、黄3色发光二极管作信号灯，用传感器或用逻辑开关代替传感器作为检测车辆是否到来的信号，设计制作一个交通灯控制器。
①在主干道和支干道均设有车辆检测传感器，用以检测道路是否有车辆，用开关模拟。
②当某一道路有车而另一道路无车时，则该车道处于长允许通行的状态。
③当主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行45s，支干道每次放行25s，设立45s和25s计时显示电路。
④当主干道允许通行绿灯亮时，支干道亮红灯。
而只感到允许通行亮绿灯时，主干道红灯亮。
在每次由亮绿灯变成亮红灯的转换中间，要亮5s的黄灯作为过渡，以使行驶中的车辆有时间停到禁止线外，设置5s计时显示电路。
四、设计原理
4.1交通路口模拟图
主干道
支干道
G1
Y1
R1
G2
Y2
R2
倒计时显示
图1交通路口模拟图
4.2交通灯状态转移表
态序
主干道
支干道
时间
1
绿灯亮，允许通行
红灯亮，不许通行
45s
2
黄灯亮，停车
红灯亮，不许通行
5s
3
红灯亮，不许通行
绿灯亮，允许通行
25s
4
红灯亮，不许通行
黄灯亮，停车
5s
表1交通灯状态表
4.3交通信号灯控制器系统框图
图2交通信号灯控制器系统框图
计数器构成的不同模值的计数电路
45s定时
25s定时
5s定时
传感器
主干道
红黄绿
R1Y1G1
支干道
红黄绿
R2Y2G2
移位寄存器构成的控制电路
4.4交通信号灯控制器状态转移图
图3交通信号灯控制器状态转移图图
状态S0=1
状态S1=1
状态S2=1
状态S3=1
持续45S
持续25S
持续5S
持续5S
主干道
支干道
时间到，若支干道有车，主干道无车，则交通灯保持
时间到，若主干道有车，支干道无车，则交通灯保持
4.5主要集成电路芯片的功能
（1）移位寄存器74LS194
移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存储的代码能够在移位脉冲的作用下一次左移或右移。
既能左移又能右移的称位双向移位寄存器，只需要改变左、右移的控制信号便可实现双向移位要求。
根据移位寄存器存取信息的方式不同分为：
串入串出、串入并出、并入串出、并入并出4种形式。
本设计选用4为双向通用移位寄存器74LS194，其逻辑符号如图所所示。
图474LS194逻辑符号
其中，D0、D1、D2、D3为并行输入端；Q0、Q1、Q2、Q3为并行输出端；SR为右移串行输入端；SL为左移串行输入端；S0、S1为操作模式控制端；CLR为直接无条件清零端；CP为时钟脉冲输入端。
74LS194有5种不同操作模式：
即并行送数寄存；右移（方向由Q3→Q0）；左移（方向由Q0→Q3）；保持及清零。
控制端S0、S1的状态决定移位寄存器的操作。
表2移位寄存器74LS194功能表
（2）集成计数器74LS192
集成计数器74LS192是双时钟触发4位二进制同步加/减计数器。
其中，CR为清除信号，高电平有效；LD位置入控制信号，低电平有效；CPU为加法计数脉冲；CPD为减法计数脉冲。
图574LS192逻辑符号
表3集成计数器74LS192功能表
五、单元电路设计
5.1循环及控制电路的设计
T45、T25、T5=0代表时间未到，T45、T25、T5=1代表时间已到；A=1代表主干道有车，A=0代表主干道无车；B=1代表支干道有车，B=0代表支干道无车。
T5=1
T25=1
且A=1
T5=1
T5=0
T25=0
或A=0
S2
S3
S0
S1
T45=0
或B=0
T5=0
T45=1
且B=1
图6循环状态转移图
B
A
S0
S1
S2
S3
G1
Y1
R1
G2
Y2
R2
说明
1
×
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
当T45=1且B=1时，S0→S1
×
×
0
1
0
0
0
1
0
0
0
1
当T5=1时，S1→S2
×
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
0
当T25=1且A=1时，S2→S3
×
×
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
当T5=1时，S3→S0
表4循环状态转移表
用移位寄存器及附加控制电路控制状态的循环，移位寄存器的时钟控制信号（CLK）：
控制移位寄存器的移位，即状态转移。
T=0代表计时器时间回到0，T=1代表计时器时间未到0。
用开关模拟传感器检测是否有车的信号A、B分别代表主、支干道的车流量状况，A=1代表主干道有车，B=1代表支干道有车。
T=0且B=1且S0=1
或
T=0且A=1且S2=1
或
T=0且A⊙B
或
T=0且A⊕B且（S1或S3）
移位寄存器时钟控制信号
图7循环电路
图8循环控制电路
5.2计数电路的设计
用两片74LS192构成计数电路，通过移位寄存器控制计数器的置数，并通过循环控制电路控制计数器的计数状态。
图9计数器时钟控制电路
计数器（74LS192）时钟控制信号:
CP=T•CP0（外部1HZ时钟）
图10计数器电路
5.3显示电路的设计
用六个彩灯，其中红灯两个、黄灯两个、绿灯两个，用来表示主干道、支干道的交通灯，用数码管显示倒计时电路。
图11显示电路
六、器件及参数选择
6.1元器件列表
元件
个数
数字电路实验箱
1
74LS194
1
74LS192
2
74LS32
3
74LS11
1
74LS86
1
74LS27
1
74LS08
1
74LS04
1
表5元器件列表
图12元器件图
6.2元器件引脚功能图
型号
引脚图
功能表
74LS194
74LS192
74LS32
74LS11
74LS86
74LS27
74LS08
74LS04
表6元件引脚及功能列表
七、仿真分析及结果
7.1仿真过程
（1）在Multisim中按照设计好的电路图连线；
（2）分模块进行仿真，观察状态是否正确；
（3）整合所有模块进行整体仿真，观察状态；
（4）切换开关的高低电平，查看状态是否正确；
（5）完成仿真。
7.2仿真中遇到的问题
（1）不清楚个别引脚功能问题；
（2）相互之间的控制问题；
（3）用开关控制状态的问题；
（4）连线过程中的布局问题。
7.3Multisim仿真图
（1）图13为交通信号灯完整仿真原理图
（2）图14为交通信号灯仿真功能状态图
倒计时及置数电路
A、B分别代表主干道、支干道的传感器，A=0代表主干道无车，A=1时有车；B=0代表支干道无车，B=1时有车
倒计时置数、循环控制电路
倒计时时钟控制电路
移位寄存器时钟控制、循环控制电路及倒计时置数控制
主干道信号灯
支干道信号灯
计时显示电路
倒计时到零时的信号
图13交通信号灯完整仿真原理图
主干道信号灯
支干道信号灯
计时显示电路
倒计时到零时的信号
图14交通信号灯仿真功能状态
主干道、支干道有车或都无车，或支干道有车时正常循环
正常循环
主干道、支干道有车或都无车，或主干道有车时正常循环
正常循环
当处于S0状态时，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，进行45s倒计时。
当主干道时间到，而此时主干道有车，支干道无车，因此主干道绿灯保持常亮。
当处于S4状态时，支干道黄灯亮，主干道红灯亮，进行5s倒计时。
当处于S3状态时，主干道红灯亮，支干道红绿亮，进行25s倒计时。
当处于S1状态时，主干道黄灯亮，支干道红灯亮，进行5s倒计时。
当支干道时间到，而此时支干道有车，主干道无车，因此支干道绿灯保持常亮。
A=1，B=0时
B=1，A=0时
A=1时
B=1时
八、实验室实际操作
8.1实验室实验操作步骤
（1）交元件清单，领取元器件。
（2）测试元器件功能是否正确。
（3）按仿真原理图进行连线。
（4）测试测试电路的功能是否正确，若不正确，检查错误；若功能状态正确，记录实验状态。
8.2操作中的问题
（1）连接线及芯片的测试问题。
（2）由于连线过多，连线时需仔细而耐心。
（3）实际测试功能状态的问题等
8.3实验室实际状态图
以下为实验室部分实际图，图15-图20分别为实际连接电路图、主干道绿灯倒计时状态图、主干道黄灯倒计时状态、支干道绿灯倒计时状态、支干道黄灯倒计时状态、支干道绿灯保持状态。
图15实际连接电路图
图16主干道绿灯倒计时状态
图17主干道黄灯倒计时状态
图18支干道绿灯倒计时状态
图19支干道黄灯倒计时状态
图20支干道绿灯保持状态
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