数字电路交通信号灯设计

目录

一、摘要 (2)

二、设计任务及要求 (2)

三、系统设计 (3)

四、单元电路设计

1、状态控制电路 (4)

2、时钟脉冲产生电路 (5)

3、信号灯显示电路 (5)

4、时间显示控制电路 (7)

5、总体电路 (11)

五、结论

六、参考文献

七、总结体会

八、附录

一、摘要

随着社会经济的快速发展，人们的生活水平快速提升，在城市中车水马龙的场景愈加明显，因此完备的交通是必不可少的，而良好的交通控制灯又是其核心。而国民的实践创新能力又是一个国家的发展所必须具备的。通过对数字电路、模拟电路的学习，我们可以做一些简单的实物来提高我们的动手能力，培养我们的创新能力。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。

设计制作一个十字路口交通指示灯简易控制电路，红灯亮表示停止，绿灯亮表示通行，通行时间为60秒，停止时间为45秒，黄灯亮的时间都是5秒。通行和停止时间用数码管显示，采用倒计时方式。脉冲信号用555定时器构成的多谐振荡电路来产生的。

二、设计任务及要求

设计一个十字路口的交通信号灯控制器

基本要求：

1.能显示十字路口东西、南北两个方向的红、黄、绿的指示状态

用两组红、黄、绿三色灯作为两个方向的红、黄、绿灯。

2.能实现正常的倒计时功能

用两组数码管作为东西和南北方向的倒计时显示，主干道每次放行（绿灯）60秒，支干道每次放行（绿灯）45秒，在每次由绿灯变成红灯的转换过程中，要亮黄灯5秒作为过渡。

3.能实现特殊状态的功能（选作）

（1）按S1键后，能实现特殊状态功能；

（2）显示倒计时的两组数码管闪烁；

（3）计数器停止计数并保持在原来的状态；

（4）东西、南北、路口均显示红灯状态；

（5）特殊状态解除后能继续计数；

4.能实现总体清零功能：按下该键后，系统实现总清零，计数器

由初始状态计数，对应状态的指示灯亮。

5.电源：220V/50HZ的工频交流电供电。

6.按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用

Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，撰写设计报告。

二．系统的设计

总体的设计思路如下图:

交通灯控制系统框图

工作原理说明：

TL: 表示绿灯亮的时间间隔为主道秒60、支道45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。

系统主要由控制器、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。

三．单元电路设计：

1.交通灯的控制逻辑如下：

状态主道支路时间

00 绿灯亮，允许通行红灯亮，禁止通行60 S

01 黄灯亮，停车红灯亮，禁止通行 5 S

11 红灯亮，禁止通行绿灯亮，允许通行45 S

10 红灯亮，禁止通行黄灯亮，停车 5 S

交通灯的这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工作流程如下所示：

60秒未到，S0状态（主道绿灯亮，支道红灯亮）；

60秒到转入S1状态（主道黄灯亮，支道红灯亮）；

5秒后，进入S2状态（主道红灯亮，支道绿灯亮）；

45秒后，进入S3状态（主到红灯亮，支道黄灯亮）；

5秒后，回到S0状态，进入下一循环状态。

控制器应送出主道（R、Y、G）和支道（r、y、g）红黄绿灯的控制信号。

使用74LS161芯片做主控制电路，电路图如下

2.时钟脉冲电路

通过555定时器按一定的线路接上不同的电阻和电容就可产生期不同的方波脉冲，即不同的频率脉冲。课程设计需要秒脉冲，

经分析，因为当电容充电时，暂稳态持续时间 T1=0。7（R1+R2）C

当电容放电时，暂稳态持续时间 T2=0。7R2 C；

经计算，选择合适的电阻和电容，则脉冲产生电路图如下：

3.信号灯显示电路

红绿灯显示也是表示电路所处状态，其必然与主控电路的状态一一对应，受到主控电路控制，即主控电路的输出（Q1—A 和Q2—B ）决定了主干道和支干道的红绿灯的亮灭情况。

如亮用1表示，灭用0表示，则有： B A 主红(R) 主黄(Y) 主绿(G) 支红(r) 支黄(y) 支绿(g) 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1

1

1

所以，

R=B A B A Y=B A G=B A

R =R y=AB g=B A

这部分电路选用74LS139（双2线——4线译码器），G接地时实现所需功能，其中A接74LS139芯片的Q1，B

接Q2；又因为74LS161芯片的D2=A！B+AB！，所以红灯G可直接接

D2，r接D2！；以上两个表对比可得：

G=Y1！Y=Y2！g =Y3！y =Y0！

则红绿灯显示电路图如下：

4. 时间显示器控制电路

A）计数器

设计要求对不同的状态维持的时间不同，而且要以十进制倒计时显示出

限于实验室器材本人采用两个74LS161（同步计数器）完成计时器状态

产生模块设计。其功能状态表如下：

要以十进制输出，而又有一些状态维持时间超过10秒，则必须用两个74LS161分别产生个位和十位的数字信号。计数器能够完成计时功能，我们可以用74LS161设计，并把它的时钟cp接秒脉冲，CR接高位，以便实现计数和保持功能。74LS161计数器是采用加法计数，要想倒计时，则在74LS161输出的信号必须经过部分处理后，然后接入数码管的驱动74LS48，而在显示是最好以人们习惯的数字0---9显示计时，故在设计不同模值计数器确定有效状态时，我以0000，0001，0010-----1111这些状态中靠后的状态为有效状态。例如：有效状态1100—1101—1110—1111

取非 0011—0010—0001—0000

即 3 2 1 0

实现模4的倒计时。

要把74LS161改装成其他模值时既可以采用同步清零法，也可采用异步置数法，但0000不可能为有效状态，所以采用异步置数法完成不同模值转化的实现。

1）对控制个位输出的74LS161设计

按要求对系统的状态不同，即红绿灯的状态不同，个位的进制也就要求不同。我利用系统的状态量A,B控制74LS161的置数端D0 D1 D2 D3。当系统处在Gr 或Rg状态时，个位的进制是十（模10），即逢十进一，为了方便起见当系统

处在Yr或Ry状态时，个位的进制也是10，即逢十进一，模10时，有效状态为0110，0111，1000，-----1111，置D3 D2 D1 D0为0110，由此有：

A B D3 D2 D1 D0

0 0 0 1 1 0

0 1 1 0 1 1

1 0 0 1 1 0

1 1 1 0 1 1

由上表可得：

D1接高位，D0=D3=A！，所以接74LS161芯片的输出Q1，D2=D0！，可接Q1！；同时为了正常计数，ENT和ENP都接高电位；

当状态为1111时，74LS161的状态必须跳到进入下一个循环，此时进位输出为1，我们可以把它的RCO非接入置数端LOAD。

2）对控制十位输出的74LS161设计

同设计控制个位输出的74LS161基本类似，经分析其状态表如下：

A B D3 D2 D1 D0

0 0 1 1 0 1

0 1 1 1 1 1

1 0 1 1 1 0

1 1 1 1 1 1

则有 D3和D2均接高电位，经分析计算D1=A！+B！，D0=A！+B；

这样给加法器接入输入，从二进制数表示的十进制数6依次增加到15，经过

非门后则可对应实现十进制数的9到0的倒计时。

3）对两个161芯片级联的处理

当计数超过10秒时，个位需向十位进位，此时十位计数，其它时间其保持

不变，我通过控制十位的LOAD端实现这一功能，把个位的ENT和ENP的非

接入十位的LOAD；当个位需进位，即完成一次循环，RCO为1，则CTt2=CTp2=1,

十位开始计数，其他时刻CO1=0,则CTt2=0,CTp2=1，十位保持；当灯亮的状

态转入下一状态时，个位和十位都必须清零，重新开始计数，这一功能我们

通过个位的LOAD端来实现，LOAD=（RCO高RCO低）！

设计时把个位的LOAD的非（即两个RCO的与门）连入主控电路74LS74的CP，当完成一次计时，个位和十位同时完成循环，此时CO1=CO2=0,（其它时刻为1）cp出现一下降沿，触发器计时，即系统跳到下一个状态，红绿灯转换，计时

器开始下一次计时。

B）译码器和数字显示管

我们选用74LS48七段译码器来实现次项功能，由其功能状态表可知，LT 和RBI

及BI/RBO都接高时，才能实现正常的七段数字输出功能，其输入端A B C D 分别接74LS48的输出QO Q1 Q2 Q3的非门输出；输出FE ABCD 分别接入对应的数字显示管的各个管脚；

数字显示管的3管脚和8管脚都接地，5管脚悬空；

将74LS48的LT接高时，可用来检测显示管是否损坏，若此时显示数字8则为完好电路，否则有故障，应检查修复。

这样将电路连好，就可实现59-00-04-00-44-00-04-59的数字倒计时显示循环。这部分倒计时数字显示电路图如下：

5.总体电路图

四．结论

仿真结果分析得，当整个系统在第一状态时主干道绿灯亮，支干道红灯亮，此时给两个计数器置数，绿灯60S，红灯45S。当主干道计数结束时，给主干道的控制器一个脉冲，使它进入第二状态，即黄灯亮，并给计数器置数，当黄灯计数结束时，支干道的红灯也计数结束。则主干道进入第三状态，即红灯亮。而支干道即绿灯亮。支干道计数结束后，进入第四状态，即黄灯亮。当黄灯计数结束后，主、支干道同时又进入第一状态，即主干道绿灯亮，支干道红灯亮，便进入了下一循环。此结果与预期设计结

果完全吻合，即达到了要求。

五．参考文献

[1]康华光.《电子技术基础模拟部分》.第 5 版.北京：高等教育出版社，2006 .485-500

[2]康华光.《电子技术基础数字部分》.第 5 版.北京：高等教育出版社，2006.1-430

[3]刘明丹. 《基于数字电路对交通灯控制的研究与设计》. 实验技术与管理.2005，22(6)：03-06

[4]任中民. 《交通灯数字控制系统的电路设计》.辽宁省交通高等专科学校学报.2005，7(2)：45-46

[5]陈宗梅. 《交通灯控制系统电路设计》. 重庆职业技术学院学报.2005，14(2)：124-125

六．总结体会

这次为期两个星期的电子课程设计，让我受益匪浅。不仅让我更好的熟悉和使用Multisim软件，更加深了我对数字电路原理的理解。另外，我更切身体验到做事与做学问的区别，团队团结一致共同克服困难的氛围和做实验要严谨的准则让我对以后的工作学习有了新的展望。这次课程设计我深刻意识到细心的重要性。也许是第一次做数电课程设计，难免会遇到各种各样的问题，而且我深刻的认识到在设

计的过程中自己的不足之处，对以前所学过的知识认识得不够深刻，掌握得不够牢固，理解的不够透彻。总体来说,这次实习使我受益匪浅。在摸索该如何设计程序使之实现所需功能的过程,培养了我的设计思维, 增强了实际操作能力。如果不能认真谨慎的工作，我们的设计不会达到预期的效果。还有不论遇到什么困难，不要对自己失去信心。在以后我要更加努力学习，培养自己独立思考的能力，弥补自身的不足，提高自己的综合素质。

虽然关于这些器件的知识很简单，但能真正的将它应用起来却很难。学习数电，我们不仅学习各个器件的用途，更要学习的是逻辑思维方式。根据设计的功能要求，循序渐进，最终找到答案。严谨的工作态度是完成本次课程设计所必要的。而借鉴各种参考文献也是解决个别专业问题的方法。

最后，我想说的是，通过本次课程设计让我对各个器件也有了更深刻的了解，而且对于课程设计所使用的软件，我们也应该在课程设计前多做了解，因为熟练地掌握各种课程设计中所要使用的软件，能够显著提高我们课程设计的工作效率，达到事半功倍的效果。

这次设计过程中我要感谢刘老师的耐心指导以及在设计中给出的宝贵建议和意见以及搭档在设计原理图中所做的帮助，我再次表示深深的感谢！

七．附录

1. 555定时器的引脚图及功能表介绍

555定时器的引脚图如下：

555定时器的状态表如下图：

2. 74LS161的引脚图如图及功能表如表

输入输出

清零预

置

使能时

钟

预置数输入端Q3 Q2 Q1 Q0 进

位

CR(低)

PE

（

低）

CEP CE

T

CP D3 D2 D1 D0

L X X X X X X X X L L L L L H L X X D3 D2 D1 D0 D3 D2 D1 D0 ＃H H L X X X X X X 保持＃H H X L X X X X X 保持L H H H H X X X X 计数＃