十字路口交通信号灯控制电路的设计

目录

设计内容…………………………………………………... 2 1、电路的工作原理…………………………………………… 3 2、性能简介……………………………………………....…… 5 3、整体电路框图…………………………………………….. 4、各部分电路的设………………………………………… 4.1、逻辑控制电路的设计…...…………………… 4.2、秒脉冲和4S脉冲产生电路的设计 ……...…….. 4.3 设计直流稳压电源电路………………........... 5、整体电路及工作原理介绍............................................ 6、心的体会 ................................................................................ 7、材料单.................................................................................... 8、参考资料.....................................................................

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设计内容

在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，表示该条道路禁止通行；黄灯亮表示该条道路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；绿灯亮表示该条道路允许通行。交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。

设计一个十字路口的交通信号灯控制电路，基本要求如下：

（1）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）每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5秒钟，才能变换运行车道。 （3）黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。 选做扩展功能：

（4）十字路口有数字显示灯亮时间，要求灯亮时间以秒为单位作减计数； （5）要求通行时间和黄灯亮的时间均可在0~99s内任意设定。

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1.1 电路的工作原理

交通灯定时控制电路的原理框图如图2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一个工作状态的定时。

定时器 甲车道信号灯 译码器 乙车道信号灯 TL TY ST 秒脉 控制器 冲

图1 交通灯控制电路原理框图 逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。

1.2 设计逻辑控制电路

1.2.1 信号灯白天工作方式

某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。 交通信号灯白天工作顺序流程图：

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南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t 南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t 南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t 南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 1t 图2 交通信号灯白天工作顺序流程图

注：t＝4S，黄灯亮时每秒闪动一次。

南北方向绿、黄、红灯分别用NSG、NSY、NSR表示，东西方向绿、黄、红灯分别用EWG、EWY、EWR表示。

从上述工作方式看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。

就某个方向而言，绿、黄、红灯亮的时间比为5：1：6。选时间单位（即CP）为4秒，则绿灯亮的时间为5×4＝20秒，黄灯亮的时间为1×4＝4秒，红灯亮的时间为6×4＝24秒。

1.2.2 夜间工作方式

南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。

综合上述要求，电路包括：秒脉冲（CP）发生电路、分频器（由秒脉冲得4秒脉冲）、时序逻辑电路、组合逻辑电路。建议用TTL集成电路实现上述各部分电路。

1.3 设计直流稳压电源电路

直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源，故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要。

直流稳压电源电路包括：降压、整流、滤波、稳压四个环节。要求对四个环节进行参数计算和器件选择。

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2性能简介

该交通灯控制系统有白天和夜间两种工作模式：选择白天工作方式， 东西（南北）方向绿灯亮20s，黄灯以一秒的频率闪烁4s，与此同时，南北（东西）方向红灯亮24s，切换到另一方向；选择夜间工作方式，东西南北方向黄灯每秒闪动一次，其他灯不亮。

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3整体电路框图

整体电路框图如下：

东西信号灯 南北信号灯 组合逻辑电路 十二进制计数器 工作方式控制开关 4分频器 秒脉冲产生电路 图3 电路整体框图

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4各部分电路的设计

4.1 逻辑控制电路的设计

4.1.1 白天工作方式逻辑控制电路的设计

①时序逻辑控制电路 Ⅰ.方案论证

由于每个工作循环周期为12，所以可选用12进制计数器作为控制电路的核心。计数器可以用触发器组成，也可以用中规模集成计数器组成。应显示方式的要求建议用中规模移位寄存器组成扭环形12进制计数器。 移位寄存器推荐用TTL类型，8位串入并出一位寄存器74LS1。 Ⅱ.74LS1有关资料 ⅰ.引脚图

图4 74LS1 引脚图

ⅱ功能表

输 入 清零 RD L H H H H 时钟 CP χ L ↑ ↑ ↑ 串入 A B χχ χχ H H L χ χ L 输 出 QA QB QC QD QE QF QG QH L L L L L L L L QA0 QB0 QC0 QD0 QE0 QF0 QG0 QH0 H Q An Q Bn Q Cn Q Dn Q En Q Fn Q Gn L Q An Q Bn Q Cn Q Dn Q En Q Fn Q Gn L Q An Q Bn Q Cn Q Dn Q En Q Fn Q Gn QA0 QB0 QC0 QD0 QE0 QF0 QG0 QH0：分别为寄存器输出QA QB QC QD QE QF QG QH在指明稳态输入条件建立之前的电平。

Q An Q Bn Q Cn Q Dn Q En Q Fn Q Gn：分别为寄存器输出QA QB QC QD

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QE QF QG QH在时钟最近出现上升沿之前的电平。

RD：异步清零端，低电平有效。

A、B：串行输入端。当两个输入端任何一个或两个为低电平时禁止新数据输入，并在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（QA）置为低电平。当两个均为高电平时，在下一个时钟的上升沿输出移位，并将第一级（QA）置为高电平。

Ⅲ.应用电路

ⅰ.用74LS1组成的12进制扭环型计数器电路

图5 12进制扭环型计数器电路

ⅱ.12进制扭环型计数器真值表 输 入 RD 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 CP 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 计数器输出 QA QB QC QD QE QF 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 8

② 组合逻辑电路

Ⅰ.真值表

根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。组合逻辑电路的真值表如下。

计数器输出 QA QB QC QD QE QF 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0

南北信号 NSG NSY NSR 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 东西信号 EWG EWY EWR 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 Ⅱ.表达式

由上表写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得：

南北方向 东西方向 NSG＝QEQF EWG=QEQF NSY＝QEQF EWY＝QEQF NSR＝QF EWR＝QF

利用表达式，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，通过门电路可以实现白天信号灯的逻辑控制电路。由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。建议非门选用TTL集成门74LS04，与门选用TTL集成门74LS08。当然，以上仅是考虑白天工作方式时的情况。下面将介绍白天和夜间综合考虑的情况，综合考虑后，表达式需要修改，则门电路也需要作响应的修改。

黄灯点亮的按秒闪动，将在下面考虑。

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4.1.2 白天和夜间综合考虑

按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74LS1停止循环工作，即通过开关将1的RD接地，使1的所有Q端全部清零。白天RD为高电平，1循环工作。由74LS1 组成的12进制扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。

在夜间由于RD＝0使1的所有Q端清零后，会出现下述问题： ① NSG＝QEQF，由于Q端均为低电平，则NSG为高电平，即南北绿灯点亮，显然这是不允许的，所以NSG的表达式需要修改；

② EWR＝QF，由于Q端均为低电平，则EWR为高电平，即东西红灯点亮，显然这是不允许的，所以EWR的表达式需要修改；

③ NSY＝QEQF、EWY＝QEQF，由于QE 、QF均为低电平时，则NSY、EWY为低电平，即南北和东西方向的黄灯不能点亮，显然这是不允许的，所以NSY、EWY的表达式需要修改。

上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下： ① 在夜间由于QE＝QF＝0使NSG＝1的解决办法

令NSG＝RDQEQF，即将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间由于

RD＝0，则NSG＝0；在白天由于RD＝1，则NSG＝RDQEQF＝QEQF，即南北绿灯按白天工作方式点亮。

虽然EWG= QEQF，在夜间QE＝QF＝0，则EWG=0，即不点亮。但为了对称，也将其表达式修改为EWG= RDQEQF。

② 在夜间由于QF＝0，使EWR＝QF＝1的解决办法

令EWR＝RDQF，即将EWR与QF之间的连线改为两输入与门。那么，在夜间由于RD＝0，则EWR＝0，即不能点亮；而在白天由于RD＝1，则EWR＝

RDQF＝QF，即东西方向红灯按白天工作方式点亮。

虽然NSR＝QF，在夜间由于QF＝0，则NSR＝0，即不点亮。但为了对称也

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将其修改为NSR＝RDQF。

③ 在夜间由于QE＝QF＝0，使NSY＝QEQF、EWY＝QEQF均为0的解决办法

使NSY＝RD＋QEQF，EWY＝RD＋QEQF，即将原来的两输入与门改为在与门之后再增加一级两输入或门，其一个输入端为RD，即将RD经过一级非门后作输入，另一个输入端为原来两输入与门的输出（QEQF的输出或QEQF的输出）。那么，在夜间由于RD＝0，RD＝1，则NSY=EWY=1，即点亮；而在白天由于RD＝1，RD＝0，则NSY＝RD＋QEQF＝QEQF，EWY＝RD＋QEQF＝QEQF，即各方向的黄灯按白天工作方式点亮。

4.1.3 黄灯点亮按秒闪动的设计

将上述修改后的黄灯的输出信号送入两输入与门的一个输入端，另一输入端输入秒脉冲信号，就可以实现黄灯点亮时按秒闪动。

4.1.4 逻辑控制原理电路、工作原理、器件选择

① 逻辑控制原理电路

由12进制扭环形计数器和修改后的组合逻辑控制电路的表达式，则 逻辑控制电路如下图所示。

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白天

夜间 图6 组合逻辑控制电路

② 工作原理

由逻辑控制电路设计部分可知，在白天工作方式下，RD＝1，NSG＝NSR＝RDQF，NSY＝RD＋QEQF＝QEQF，EWG= RDQEQF，RDQEQF，

EWR＝RDQF，EWY＝RD＋QEQF。其中黄灯还需要通过秒脉冲实现闪烁两个方向的黄灯在秒脉冲作用下闪烁，的效果。在夜间工作方式下，RD＝0，其它灯不会亮。 ③ 器件选择

非门选内有六单元非门74LS04一片，两输入与门选内有四单元芯片74LS08两片，两输入或门选内有四单元芯片74LS32一片，三输入或门选内有三单元芯片74LS11一片。

Ⅰ.74LS04有关资料 ⅰ.引脚图

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ⅱ真值表

图7 74LS04引脚图

输入 0 1

Ⅱ.74LS08有关资料 ⅰ.引脚图

输出 1 0

图8 74LS08引脚图

ⅱ真值表

输入 A 0 0 1 1

Ⅲ.74LS11有关资料

B 0 1 0 1 输出 Y 0 0 0 1 13

ⅰ.引脚图

ⅱ真值表

输入 A 0 0 0 0 1 1 1 1

Ⅳ.74LS32有关资料 ⅰ.引脚图

B 0 0 1 1 0 0 1 1 C 0 1 0 1 0 1 0 1 输出 Y 0 0 0 0 0 0 0 1 图9 74LS11引脚图

ⅱ真值表

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图10 74LS32引脚图

输入 A 0 0 1 1 B 0 1 0 1 输出 Y 0 1 1 1 4.2 秒脉冲和4S脉冲产生电路的设计

4.2.1 秒脉冲发生器的设计

① 方案论证

秒脉冲由秒脉冲振荡器产生。秒脉冲可以由高频石英晶体振荡器输出 经分频得出，也可以用与非门多谐振荡器得出，也可以用IC555组成的多谐振荡器得出。由于本设计对秒脉冲准确度要求不高，建议采用IC555多谐振荡器产生。

② 由IC555组成的多谐振荡器电路

图11 多谐振荡器电路

C2为防止干扰信号的交流旁路电容，一般为0.01μF。振荡周期由R1、R2、C1决定，T＝（R1＋2R2）C1ln2。一般选定其中两个元件的数值，另一个的数值通过计算得出。

③ 工作原理介绍

电源通过电阻R1、R2对电容C1充电，充到2/3Vcc后，电容通过555内置电路放电，放到1/3 Vcc后，重复上述过程。 ④ 器件选择

集成555定时器引脚图

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图12 555定时器引脚图

4.2.2 4S脉冲的产生的设计

① 方案论证

4S脉冲是为74LS1提供的CP脉冲。从理论上讲，4S脉冲可以用 多谐振荡器来产生。为了使整体电路的脉冲协调一致，4S脉冲应将秒脉冲经过4分频器得出。因此，4S脉冲电路的设计实际上就是4分频器的设计。 ② 4分频器的设计

建议用74LS74实现4分频器。74LS74是内有两个D触发器的TTL集成电路，将每一触发器接成T触发器，两级串联就实现4分频，即输入1S脉冲，输出4S脉冲。

③ 原理电路和工作原理介绍

图13 74LS74原理电路

由上述方案可知，采用74LS74芯片，当秒脉冲输入到两个D触发器中，实现4分频，相应周期变为原来的4倍，产生4s的脉冲。

④ 器件选择 74LS74有关资料 ⅰ.引脚图

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ⅱ真值表

图14 74LS74引脚图

4.3 设计直流稳压电源电路

直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要。

直流稳压电源电路包括：降压、整流、滤波、稳压四个环节。 采用对220V交流电降压、整流、电容滤波、集成稳压器稳压的方案。 直流稳压电源电路图如图7所示：

图15 直流稳压电源电路

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5整体电路及工作原理介绍

5.1 整体电路图

图16 整体电路图

5.2 工作原理介绍

由集成555定时器连成多谐振荡器，通过电阻电容匹配产生秒脉冲。通过74LS74中的两个D触发器，对秒脉冲进行4分频，生成4s的脉冲。由于各信号灯的时间之比为5:1:6，用74LS1连成十二进制计数器，综合其使能端对各信号灯进行控制，各灯用发光二级管模拟。开关用来切换白天和夜间工作方式。

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6 心得体会

对于这一次的收获，自己发现问题解决问题的能力有所提升。还

有就是对自己细心程度的提升。

我们从书本上学到的知识应用于实践，再次巩固了我的动手能力，提高了我的思考能力。虽然设计过程中遇到了很多困难，但是在解决这些问题的过程无疑是对自身专业素质的提高。当最终调试成功的时候也是对自己的一种肯定。此次的设计不仅增强了自己在专业设计方面的信息，鼓舞了自己，更是一次兴趣的培养。

通过这次毕业设计，加强了我动手、思考和解决问题的能力。电路原理和连接，和芯片上的选择,也略懂。巩固数字逻辑电路的理论知识还有如何利用555芯片产生秒脉冲.计数器的工作原理。 更重要的是如何将逻辑电路灵活运用于实际生活。我觉得做毕业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，做完毕业设计，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！认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。故一个小小的毕业设计，对我们的作用是如此之大。

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7 材料单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

名称 法计数器 四输入与门 四输入非门 双D触发器 绿黄 555定时器 稳压管 电阻 电阻 电容 电容 门 整流桥 元件编号 参数 5k 44k 0.01uF 10uF 备注 1 2 1 1 1 6（各2个） 1 1 1 2 1 1 1 1 四位二进制加74LS1 74LS08 74LS04 74LS74 四输入或非门 74LS32 发光二极管红 7805 三位三输入与74LS11 8229 20

参考资料

[1] 数字电子技术基础（第五版）————高等教育出版社,2005 [2] 童诗白主编，《模拟电子技术基础》，高等教育出版社，2006 [3] 付家才主编，《电子工程实践技术》，化学工业出版社，2004

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