交通信号灯控制器

1．通过分析系统的逻辑功能，画出其机构框图。 交通灯控制系统的原理框图如图1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：TL1 表示主干道绿灯亮的时间间隔为45秒，TL2表示支干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个工作状态的定时。1.实现红绿灯的交通管制功能；2.在红绿灯交换的前五秒种，有常亮的黄灯提示司机注意，此时绿灯已灭；3.可适应主支干道不同的车流量的需要，拟设计主干道的车量通行时间为45秒，支干道的车量通行时间为25秒；4.另有数字倒计时装置，提示司机剩余时间。45秒、25秒、5秒定时信号用倒计时，计时起始信号由主控电路给出，定时结束信号也输入到主控电路，由主控电路启、闭三色信号灯或启动另一计时电路。主控电路是核心。其状态表1为：

状态 s0 s1 s2 s3 主干道 绿灯亮，允许通行 黄灯亮，停车 红灯亮，禁止通行 红灯亮，禁止通行 支干道 红灯亮，禁止通行 红灯亮，禁止通行 绿灯亮，允许通行 黄灯亮，停车 时间 45秒 5秒 25秒 5秒 5分析：（1）主干道绿灯亮，支干道红灯亮。表示主干道上的车辆允许通行，支干道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL1时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。 （2）主干道黄灯亮，主干道红灯亮。表示主干道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，支干道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （3）主干道红灯亮，支干道绿灯亮。表示主干道禁止通行，支干道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL2时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 （4）主干道红灯亮，支干道黄灯亮。表示主干道禁止通行，支干道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续缓慢通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。 交通灯以上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功能如表所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定： 控制状态 信号灯状态 车道运行状态 S0（00） 主干道绿，支干道红 主干道通行，支干道禁止通行 S1（01） 主干道黄，支干道红 主干道缓行，支干道禁止通行 S3（11） 主干道红，支干道绿 主干道禁止通行，支干道通行 S2（10） 主干道红，支干道黄 主干道禁止通行，支干道缓行 HG=1：主干道绿灯亮； FG=1：支干道绿灯亮； HY=1：主干道黄灯亮； FY=1：支干道黄灯亮； HR=1：主干道红灯

亮； FR=1：支干道红灯亮；设：A:45秒定时信号，45秒定时已到为“1”，45秒定时未到为“0”B:25秒定时信号，25秒定时已到为“1”，25秒定时未到为“0”C:5秒定时信号，5秒定时已到为“1”，5秒定时未到为“0”状态编码：S0=00 S1=01 S2=10 S3=11

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若选JK触发器，其输出为Q2， Q1则状态表2为：

A x 0 x 1 x x x x x x x B x x x x x x 0 x x x x C x x x x 0 1 x x x 0 x Q2n 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 Q1n 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 Q2n+1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 Q1n+1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 单元电路设计 控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。如表3所示。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1＝ 00状态时，如果TL＝ 0，则控制器保持在00状态；如果TL＝1，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1＝ 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项\"X\"表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。表3 控制器状态转换表 现态 n输入 n 状态转换条件 TY 无 无 0 1 无 无 0 1 TS 无 无 无 无 0 1 无 无 次态 Q10 0 0 1 1 1 1 0 n+1输出 Q00 1 1 1 1 0 0 0 n+1 状态转换信号 Q1 0 0 0 0 1 1 1 1 Q0 0 0 1 1 1 1 0 0 TL 0 1 无 无 无 无 无 无 ST 0 1 0 1 0 1 0 1 表4 74LS153功能表

根据表4、可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q1n+1、Q0n+1和 ST为1的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中\"1\"用原变量表示，\"0\"用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：

状态 HG HY HR FG FY FR

根据以上方程，选用数据选择器 74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值（ ）加到74LS153的数据选择输入端作为

S0 S1 S2 S3

1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 2

控制信号．即可实现控制器的功能。控制器的逻辑图如图3所示。图中R、C构成上电复位电路,可通过放置的开关控制。

2.2 交通信号灯及数码管显示电路（本人负责设计部分 2 .2.1 译码器电路 系统的输出是在Q1Q0驱动下的6个信号灯，由于系统显示只有四个状态，即S0\\S1\\S2\\S3,所以译码器采用2-4线译码器，74LS139。由于芯片为反相输出，所以每条输出上加一个非门，使得译码器相应输出为高电平，高电平时灯亮。各状态与信号灯的关系由表5给出，电路图见图，因此，根据状态关系表分析可得到灯光信号与控制器状态变量的关系为 HG=Y0 FG=Y3 HY=Y1 FY=Y2 HR=Y2+Y3 FR=T0+Y1加入两个或门产生六个输出端表5 信号灯与控制器状态编码表

由上到下六个输出端口依次为HG=主干道绿灯 、FR=支干道红灯、 HY=主干道黄灯、 FY=支干道黄灯、 HR=主干道红灯、 FG=支干道绿灯2.2.2 交通信号灯电路交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色的发光二极管，共阴极接法，并联接地时分别接入保护电阻，避免电流过大时对二极管造成损坏。信号输入分别接译码管和或门的六个输出端。如图

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2.2.3 数码管显示电路

显示电路作为定时控制器。秒信号发生器用于产生整个定时系统的时基脉冲，通过74ls190减法计数器对秒脉冲进行减计数，以达到显示每一种工作状态的持续时间。当主干道红灯亮时，信号给减法器置数，同时支干道也由相应的信号控制置数，减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值。减法计数器的状态由BCD译码器译码、数码管显示显示电路是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法器开始工作，每来一个脉冲使计数器减1，直到计数器为0。数码管选用自带译码器的四输入数码管。计数器采用可预置计数器，这里选74LS190。 当主干道为黄灯时，该干道计数器不工作。由黄变红灯时，由主干道红灯信号将预置数0011置入U1，0000置入U2，0010置入U3，0101置入U4。U1、U2开始30秒的减计数，U3、U4开始25秒减计数（即主干道红灯30秒时间显示，支干道绿灯25秒显示）。当支干道25秒减完后，支干道灯变为黄，支干道计数器关闭，无显示。在主干道红灯变绿灯同时,HR控制将0100置入U1，0101置入U2，0101置入U3，0000置入U4，并开始U1、U2组成45秒倒计数，U3、U4组成50秒倒计数。当主干道45秒计时完毕后，主干道黄灯亮，同时使计数器U1、U2停止工作。

上述功能实现：将U1、U3引脚9和U2、U4引脚1、9接地，HR即主干道红灯信号加非门接入，U1引脚15、1 通过非门与 HR非后相连，非HR与高电平通过与门与U1引脚10相连；U2引脚15、10 与 非HR相连；非HR分别与高电平通过与门与U3引脚15、10相连，非HR通过非门与U3引脚1相连；U4的引脚15、10直接与ＨＲ相连。 主干道黄灯ＨＹ和支干道黄灯ＦＹ分别与秒脉冲通过或非门相连，秒脉冲与ＨＹ相连的输出控制Ｕ１Ｕ２的ＣＬＫ端，这样当黄灯亮时相应干道上计数器被关闭。

行置数输入端，QA QB QC QD为输出端，U/D为加/减计数方式控制端，RCO为

74LS190NU1ABCD进位/借位端，CLK为时钟输入端。4LS190的功能表如表2-3-1所示。 图2-3-1 74LS190芯片图表2-3-1 74LS190功能表

输入 LD CT U/D CP D C B A 0 1 X X X D C B A X X 输出 QD QC QB QA D C B A 加计数 减计数 保持 并行异步置数 说 明 0 0 ↑ X X 1 0 1 ↑ X X X X 1 1 X X X X X X 4

4~CTEN11~LOAD5~U/D~RCOMAX/MIN14CLK151109QAQBQCQD74LS190芯片如图2-3-1所示。LD为异步置数端，CT为控制端，A B C D为并

1312７４ＬＳ１９０管脚功能如图

3267由表我们可以看出，74LS190的主要逻辑功能有：⑴ 异步置数功能：当LD=0时，与CP无关，直接并行输入数据D C B A，QD QB QC QA=D C B A。⑵ 计数功能：取CT=0，LD=1。当U/D=0时，对应CP脉冲的上升沿，进行十进制加计数功能。当U/D=1时，对应CP脉冲的上升沿，进行十进制减计数功能。⑶ 保持功能：当CT=LD=1时，计数器保持原来的状态不变。Ｕ１Ｕ２和Ｕ３Ｕ４级联时分别将低位的RCO端接入高位的CT端。Ｕ２Ｕ４的ＣＴ端接地。U/D接高电平。由于主干道红灯信号来时置数，此时LD=0，而置数完之后马上要进行减法计数，要使LD=1，所以在每条干道上驱动数码管的８条到线上分别加一个八输入的或门，置数完毕后或门输出为１，反馈给ＬＤ端，使计数器开始计数，直到减为０时，或门输出为０，这时新一轮置数信号到来，进行置数，电路能够自启动。这样设计有一定的缺陷，也就是当计数器没有减到０时，无法进行任意时间的重新置数，所以每个或门输出时加上一个开关，能够控制或门输出对ＬＤ端的反馈，因为ＬＤ空置时相当于接０，即可进行置数。电路图如下：

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2.24 调试及仿真结果将个部分相连后，接入四种状态需要的输入，进行调试，结果如下：Ｓ０状态，主干道绿灯亮，支干道红灯亮，主干道显示４５秒绿灯，支干道显示５０秒（红灯＋主干道黄灯时间）

Ｓ１状态，主干道黄灯亮，支干道红灯亮，主干道显示０，支干道显示５；Ｓ２状态，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，主干道显示３０，支干道显示２５；Ｓ３状态，主干道红灯亮，支干道黄灯亮，主干道显示５，支干道显示０；器材：１．集成电路JK触发器 2个，７４ＬＳ１３９ 1个， 74LS190 4片，74LS153 3片，，555 1片２．电阻 ４４．２ＫΩ 1只，51ＫΩ 1只，１０Ω６个３．电容 10Uf 1只，0.01uf一个４．其它 发光二极管 6只 1 交通灯控制器的基本组成 交通灯控制器是由时钟信号发

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生器、主控制器、置数器、计数器、信号灯译码驱动电路和数字显示电路等几部分组成，其框图如图1所示。

2.1主控制器设计 十字路口车辆通行可分两种情况：有如交通事故之类的特殊情况的禁行。这时东西大道和南北大道均不通行，红灯亮，倒计时停止且闪烁，其对应的状态为S=1××；无特殊情况的通行。包含四种：①设开始时，东西大道通行、绿灯亮，南北大道禁行、红灯亮，持续时间为40秒；②东西、南北大道都禁行，东西大道黄灯亮，南北大道红灯闪烁，持续时间为5秒；③东西大道禁行、红灯亮，南北大道通行、绿灯亮，持续时间为30秒；④东西、南北大道都禁行，东西大道红灯闪烁，南北大道黄灯亮，持续时间还是为5秒。接下来回到第一种情况，如此反复循环。因此，要求主控制器也要有4种状态。设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。状态图转换如图2所示。 设S0=000，S1=001，S2=010，S3=011。实现这4个状态的电路，可用74LS192实现，其电路如图3所示。K0是清零按键，由位置1切换到位置2实现。K1、K2是交通道路特殊状态控制按键，有特殊情况按K1，使C=1,即主控制器进入S=1××状态；特殊情况处理结束后，按K2使C＝0，即S0、S1、S2、S3最高位代码为0，恢复正常通车的控制。CP1、CP2来自倒计时计数电路，CP2用于控制S0、S1、S2、S3低二位代码的转换，并由U12的输出端Q1Q0输出。令A=Q0,B=Q1。CP1作用于U11，实现预置数据电路中74153地址码的生成。A、B、C三路信号用于信号灯的控制， C还兼做停止计时的闪烁效果控制，同秒脉冲信号“与非”后控制CD4511的BI端实现。 用于封锁秒脉冲信号，实现停止计时控制。

图3 主控制器电路图 2.2倒计时计数器的设计：倒计时计数器用74LS192来设计，电路如图4所示。秒脉冲信号和交通道路特殊情况控制信号 经与非门U5:A后送到个位片U2的DN端，十位片的DN端连接到U1的Q3端，U1、U2预置端D0-D3的数据来自74LS153的Y端。

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图4 由两片74LS192组成倒计时计数电路

用预置数法来实现任意进制计数器的设计，且十位、个位片U1、U2的预置数据（可视需要更改，硬件上用拨动开关实现）按表1设置。表1 预置数据的设置 U1、U2的预置数据由图5所示电路提供。74LS153的地址码AB由主控器中U11的Q1Q0决定。由于U1、U2的预置时刻是在倒计时计数器到“00”秒时由U1、U2的TCD信号经或门U6:A后形成，考虑到芯片的延迟和控制脉冲容易形成，选在“03”秒时就对主控器中U11产生驱动脉冲，从而实现U1、U2预置

图5 由4片74LS153组成32选8预置数据电路 2.3 控制信号灯译码电路的设计

主控制器的4种状态分别要控制东西大道和南北大道的红、黄、绿灯的亮灭。现设东西、南北大道的红、黄、绿灯分别用R1、Y1、G1和R2、Y2、G2表示，运用组合逻辑电路的设计方法，可得交通信号灯译码电路逻辑电路如图6所示。C为有特殊情况时红灯闪烁的控制信号。

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图6 信号灯译码电路逻辑图 第二个方案

两个74LS160、与门、与非门、或非门组成的红绿灯转换由74LS192设计出的倒计时显示器 红绿灯的转换

本电路是由两个74LS160组成的80进制计数器，每到第40个脉冲时转换红绿灯，在每次红绿灯转换的最后10秒，黄灯也一起亮，达到提示的作用。三：实验器材（1）74LS90N (2)74LS00N (3)74LS47 (4)5.1K R(5)10K R (6)36K R(7)51欧R(8)LM 555CM (9)DCDHEX(10)LED(红黄绿) 3倒计时显示

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它是一个由74LS192可逆计数器组成的40倒计时到0的减法计数器，实现红绿灯转换时的显示。交 通灯 控 制 电 路 总 图

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