交通灯控制逻辑电路设计

交通灯控制逻辑电路设计

一、简述

为了确保十字路口的车辆顺利畅通地行驶，往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。

交通灯控制器的系统框.图如图4.1 所示。

二、设计任务和要求

设计一个十字路口交通信号灯控制器，其要求如下：

1.设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR，NSY，NSG；东西方向的红、黄、绿灯

分别为EWR，EWY，EWG，则满足图4.1 的工作

流程并且可以并行工作：

NSG（EWR）→ NSR（EWG），黄灯用

于闪烁提示绿灯变为红灯。

2.满足两个方向的工作时序：东西方向红灯亮的时间应等于南北方

向黄、绿灯亮的时间之和；南北方向红灯亮的时间应等于东西方

向黄、绿灯亮的时间之和。时序工作流程见图4.2所示：

图4.3中，假设每个单位时间为2秒，则南北、东西方向的绿、黄、红灯亮的时间分别为12秒、2秒、12秒，一次循环为24秒。

其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的时间之和，黄灯是间歇闪耀。

3.十字路口要有数字显示装置，作为时间提示，以便人们更直观地

把握时间。具体要求为：当某方向绿灯亮时，置计数器为某一个

数值，然后以每秒减1的计数方式工作，直至减到数为“0”，十

字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，进入另一个方向的工

作循环。

例如：当南北方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为

12，并使数显计数器开始减“1”计数，当减法计数到绿灯灭而黄

灯亮（闪耀）时，数码管显示的数值应为2，当减法计数到“0”

时，黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯

亮，并置东西方向的数码管的显示为12。

4.可以手动调整脉冲时间，夜间为黄灯闪耀。

三、设计方案提示

根据设计任务和要求，参考交通灯控制器的逻辑电路主要框图4.1，设计方案可以从以下几部分进行考虑。

1.1Hz标准脉冲和分频器

因十字路口每个方向绿、黄、红灯亮时间比例分别为

5：1：6，所以，如果选4秒（也可以任意）为一单

位时间，则计数器每计数4秒输出一个脉冲。这一

电路用D触发器（或由其他触发器构成的D类型触

发器）即可实现。

2.交通灯控制器

由波形图可知，计数器每工作循环周期为12，所以

可以选用12进制计数器。计数可以用单触发器组成，

也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模

74LS164 八位移位寄存器组成扭环形12进制计数

器。扭环形计数器的状态表如表1.1所示。根据状态

表，我们不难列出东西方向和南北方向绿、黄、红灯

的逻辑表达式：

南北方向东西方向

红

黄

绿

由于黄灯要求闪耀几次，所以用1Hz的标准脉冲和

EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。

表4.1 状态表

3. 显示控制部分

显示控制部分实际上是一个定时控制电路。当绿灯亮

时，使减法计数器开始工作（用对方的红灯信号控

制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器

为“0”停止。译码显示可用74LS47 驱动BCD码

七段译码器，计数器采用可预制加、减计数器，如

74LS168、74LS190、74LS193等。

4. 脉冲选择控制，夜间控制

这部分可用一个可调脉冲进行。调节脉冲频率的高

低，可以使计数器的周期增大或减小，用来控制某个

方向上车流量的大小变化；夜间时，将夜间开关接通，

黄灯将一直闪耀，提醒过往行人注意。

四、参考电路

根据设计任务和要求，交通信号灯控制器参考电路如图4.4所示。

五、参考电路简要说明

1. 脉冲选择及控制电路

可调脉冲用实验箱上的可调脉冲输出即可，脉冲电路

经分频后，（4分频）输入给74LS164，这样，74LS164

为每4秒向前移一位（计数一次）。

2. 控制器部分

它由74LS164组成扭环行计数器，经过译码后，输

出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。其中黄

灯信号必须满足间歇闪耀；在夜间时黄灯一直闪耀，

而绿、红灯灭。

3. 数字显示部分

当南北方向绿灯亮，而东西方向红灯亮时，使南北方

向的74LS190以减法计数方式工作，从数字“24”

开始往下减，当减法计数到“4”时，南北方向绿灯

灭，黄灯闪耀，当计数到“0”时，南北方向绿灯灭，

红灯亮，而东西方向红灯灭，绿灯亮。由于东西方向

红灯灭的信号（EWR=0），使与门关断，减法计数

器工作结束，而南北方向红灯亮，使东西方向的减法

计数器开始工作。

在减法计数开始之前，有黄灯亮信号使减法计数器先

置入数据，图中接入U/D和LD的信号就是有黄灯亮

（为高电平）时，置入数据。黄灯灭（Y = 0），而

红灯亮（R = 1）开始减计数。

4. 补充说明

与非门2C、3A 即是为了制造一个延时，从而使南

北向的计数器（74LS190）有足够的时间置入“24”。

六、电路的扩展

1. 扩展内容

在完成上述任务后，可以对电路进行以下几个方面的改进或扩展。

（1）设某个方向（如南北）为十字路口主干道，另一方向（如东西）为次干道；主干道由于车辆、行人多，所以主干道绿灯亮的时间可选定为次干道绿灯的时间2倍

或3倍。

（2）用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。当某一方向绿灯亮时，这一方向的发光二极管接通，并一个一个向前移动，表示汽车在行驶；当遇到黄灯亮时，移位发

光二极管就停止，而过了十字路口的移位发光二极管继续向前移动；红灯亮时，

则另一方向转为绿灯亮，那么这一方向的LED发光二极管就开始移位（表示这

一方向的车辆行驶）。

2. 设计方案

（1）对于主干道和次干道的问题，只要参照表4.1，修改各方向逻辑表达式，即可改变红、绿灯的时间比，达到主干道车流量大，从而通行时间长的要求。详细电

路请同学们自己设计，这里不在一一说明。

（2）若同学们完成以上的实验后，在学有余力的情况下，还想完成汽车模拟运行电路，请参照图4.5。当黄灯（Y）或红灯（R）亮时，RI这端为高电平，在移位

脉冲CP作用下而向前移位，高电平从QH一直移到QA（图中74LS164——1）

由于绿灯在红灯和黄灯为高电平时，它为低电平，所以74LS164——1 QA的

信号就不能送到74LS164——2移位寄存器的RI端。这样，就模拟了当黄、红

灯亮时汽车停止的功能。而当绿灯亮，黄、红灯灭（G=1，R=0，Y=0）时，74LS164

——1、74LS164——2都能在CP移位脉冲作用下向前移位。这就意味着绿灯亮

时汽车向前运行这一功能。

注：需要做扩展电路则要增加移位寄存器74LS164以及相应门电路得数目。

附：实验仪器及器件