交通信号灯控制器

《电子技术》课程设计报告

题 目 简易交通信号灯控制器 学院（部） 电子与控制工程学院 专 业 电子科学与技术 班 级 学生姓名

学 号 3205070122 12 月 14 日至 12 月 23 日 共 2 周

指导教师（签字）

前言

“电子技术课程设计”是电子技术课程的实践性环节，进行自主选题和设计。本设计课题为简易交通信号灯控制器，通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,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。

本设计分为两个部分：第一部分是由定时器、时钟脉冲驱动和控制器组成的秒脉冲信号发生装置；第二部分是由译码器、发光二极管和数码管组成的交通信号灯以及时间显示装置。各部分采用分模块设计，正文中详细介绍了各模块的功能和原理。

为完成本次设计，参阅了大量资料，包括所用到芯片的详细中英文资料。搜集和查阅资料时一个漫长但最重要的过程，获取个模块电路原理，然后经过讨论比较，结合课题要求，确定出一套最适合的方案。小组人员花费几天时间，通过图书馆和上网查阅资料，分别查阅到相应资料。经过商讨，结合现有资料，制定基本框架，并基本定出电路图。在MULTISIM软件里进行电路仿真，来验证电路的正确性。在进行电路仿真过程中碰到了很多问题，往往一开始电路仿真不出结果，这就需要找出问题所在，一般是先看电路原理图是否正确，是否画正确了，如果不是这块问题的话，就需要改变元件参数试一试。在这个过程中，还会碰到元件库里找不到自己要用的元件的情况，这个时侯可以找替代元件，通过这种方法来验证实验原理和电路的正确性。过程中，充分发挥主观能动性，将平时所学的理论知识和实际相结合，往往理论可行的东西，实际并不一定能出结果，这就需要解决问题，通过问老师或者查阅资料和分析问题来进行解决。经过以上各步工作，基本完成本次设计。

本设计分为的两大部分，交通信号灯灯以及译码显示电路（时间显示）部分由李龙同学负责主导设计；秒脉冲信号发生以及控制部分由李志杰同学负责。最后经过整合得到完整系统。

在设计过程中得到了各方面的支持和帮助，在此向老师表示由衷的感谢。由于设计时间和水平的限制，如有不足之处，敬请指正！

目录

前言 …………………………………………………………………………………………1 设计摘要………………………………………………………………………………………3 第一章 系统概述

1 .1设计思想及方案论证………………………………………………….4 1.2 工作原理………………………………………………………………………………… 第二章 单元电路设计

2.1 脉冲信号发生电路…………………………………………………………………………5 2.1.1定时器电路 ………………………………………………………...5 2.1.2 计数器驱动脉冲电路…………………………………………………6 2.1.3 控制器电路……………………………………………………………9 2.2

交通信号灯及数码管显示电路（本人负责设计部

分）…………………………………………………………………….9

2 .2.1 译码器电路………………………..………………………………………….9 2.2.2 交通信号灯电路…………………………………………………10

2.2.3 数码管显示电路………………………………………………………………………….12 2.24 调试及仿真结果...................................................................... 2.3元件说明…………………………………………………………………………….….21 第三章 系统综述

综述及总电路图………………………………………………………………………………..23 第四章 结束语

４．１收获与体会以及存在的问题 ４．２参考文献 ４．３鸣谢

评语

数字电子技术课程设计

———简易交通信号灯控制器 一、设计摘要

通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,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。 因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。

1. 设计一个交通信号灯控制器，由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯，红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外。

2. 用红、绿、黄发光二极管作信号灯，用传感器或逻辑开关作检测车辆是否到来的信号。

3. 主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行。主干道亮绿灯时，支干道亮红灯；支干道亮绿灯时，主干道亮红灯。

4. 主、支干道均有车时，两者交替允许通行，主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒，设立45秒、25秒计时、显示电路。

5. 在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中，要亮5秒黄灯作为过渡，使行驶中的车辆有时间停到禁行线外，设立5秒计时、显示电路。

设计所需要的元件有：555定时器、74LS190、JK触发器、74LS139、发光二极管、各种门电路…

关键字 ：

交通信号灯、555定时器、数码管显示、译码器、减法计数器

二、设计任务与要求

1．设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求主干道和支干道两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道通行时间45秒，支干道通行时间25秒。

2．要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道（即每次由绿灯变红灯时，应有5秒

黄灯亮作为过渡）。 3．设计记时显示电路。

4.分别用红，黄，绿，发光二极管表示信号灯。

简易交通信号灯控制器

第一章 系统概述

1 .1设计思想及方案论证

本设计要求设计一个主干道绿灯45秒、支干道绿灯25秒的交通灯控制系统，

每次由绿灯变为红灯时应有5秒黄灯亮作为过渡，分别用红、黄、绿三色发光二极管表示信号灯，并用数码管显示倒计时。因此，本设计需要一个脉冲产生模块、信号灯模块、倒计时模块、数码显示模块和主控模块。脉冲产生电路用以驱动倒计时电路，置数电路将交通灯亮时间预置到计数电路和寄存器中，信号灯模块对信号灯的各种状态进行循环控制，倒计时模块以基准时间秒为单位做倒计时，数码显示模块显示倒计时的时间，主控模块对电路种的各个模块进行级联控制。 交通信号灯控制电路，交通灯采用发光二极管，显示时间则采用自带译码器的数码管显示。系统需要每秒减数，所以可以采用555定时器产生秒脉冲，经由一个脉冲驱动电路后产生信号灯需要的三种脉冲，即45s,25s,5s，传递给控制器，由控制器发出状态。译码器接受状态后译码，输出控制信号灯和数码管显示的状态。

由于系统状态只有四种，译码器选择74LS139即可，2线---4线译码器，输出四种状态。

1.2 工作原理

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。

图1

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 主干道 支干道 时间 s0 绿灯亮，允许通行 红灯亮，禁止通行 45秒 s1 黄灯亮，停车 红灯亮，禁止通行 5秒 s2 红灯亮，禁止通行 绿灯亮，允许通行 25秒 s3 红灯亮，禁止通行 黄灯亮，停车 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 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 Q1n+1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 第二章 单元电路设计

2.1 脉冲信号发生电路

2.1.1定时器电路

脉冲发生器是由555定时器构成的多谐振荡器，因为控制系统是以秒作为单位，

所以用秒脉冲发生器，且其对信号的精度要求不高，这里选用555定时器来构成。555定时器组成的秒脉冲CP1的周期为：T≈0.7（R1+2*R2）*C，若T＝1s，令C＝10µF，R1＝44.2KΩ，

R2=51KΩ。根据计算结果，脉冲发生器设计如下图： 它向计数电路提供的秒计时CP脉冲。

2.1.2

计数器驱动脉冲电路

此电路图是产生CP45、CP25、CP5的电路，通过门电路完成由CP控制电路产生所需的脉冲的功能。

2.1.3 控制器电路

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 Q1n 0 0 0 0 1 1 输入 Q0n 0 0 1 1 1 1 状态转换条件 TL 0 1 无 无 无 无 TY 无 无 0 1 无 无 TS 无 无 无 无 0 1 次态 Q1n+1 0 0 0 1 1 1 输出 Q0n+1 0 1 1 1 1 0 状态转换信号 ST 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 无 无 0 1 无 无 1 0 0 0 0 1 表4 74LS153功能表

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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：

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 状态 S0 S1 译码器电路

HY 0 1 HR 0 0 FG 0 0 FY 0 0 FR 1 1 HG 1 0

系统的输出是S2 0 0 1 1 0 0 在Q1Q0S3 0 0 1 0 1 0 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

与译码电路相连接如图

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。

13124~CTEN11~LOAD5~U/D~RCOMAX/MIN14CLK ７４ＬＳ１９０管脚功能如图

QAQBQCQD74LS190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为进位/借位端，CLK为时钟输入端。

74LS190NU1151109ABCD74LS190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 输出 QD QC QB QA 说 明 32670 1 X X X D C B A X X X X D C B A 加计数 减计数 保持 并行异步置数 0 0 ↑ X X 1 0 1 ↑ X X 1 1 X X X X X X

由表我们可以看出，74LS190的主要逻辑功能有：

错误！未找到引用源。 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。

错误！未找到引用源。 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。

错误！未找到引用源。 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：

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

2.3元件说明

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

具体芯片功能已经在正文中相应部分详细描述

第三章 系统综述

综述及总电路图

本设计通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,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。 交通灯采用发光二极管，显示时间则采用自带译码器的数码管显示。

采用555定时器产生秒脉冲，经由一个脉冲驱动电路后产生信号灯需要的三种脉冲，即45s,25s,5s，传递给控制器，由控制器发出状态。译码器接受状态后译码，输出控制信号灯和数码管显示的状态。

系统总电路图如下：

第四章 结束语

４．１收获与体会以及存在的问题

通过这次课程设计，我对数字电子技术基础这门课程由了进一步地理解，

尤其对本设计所涉及的原理、器件、功能实现上有了更深地认识，掌握了由555定时器构成所需频率脉冲发生器的方法，熟悉了由真值表列表达式设计实现电路的过程，并对利用计数器实现特定要求进制的减计数及其预置数的方法、译码及驱动显示的连线方法由了更深入的体会，并借此机会了解了用计算机绘电路图的方法。更为重要的是掌握了由一个特定问题出发，分析、设计电路的思想方法，培养了解决问题的能力，这将会在我未来的学习工作中带来很大的帮助。

在我负责设计的部分，各方面比较了解，但是对控制器对译码器输出的状态转换还不是特别了解，还有对７４ＬＳ１９０期间的进位＼借位端不知如何使用，还有回零脉冲我用八输入或门实现不知道还有没有更简单的办法，这些问题将在以后的过程中多想老师请教。

４．２参考文献

[1] 林涛主编、楚岩、田莉娟、林薇编著，数字电子技术基础，北京.清华大学出版社，2006年出版

[2] 周惠潮. 常用电子元件及典型应用. 电子工业出版社，2005.

[3]刘修文主编，新编电子控制电路300例，北京.机械工业出版社，2006出版

[4] 张桂红主编， 实用新型电子元器件，福建科学出版社，2005年出版 [5] 翟玉文、梁伟、艾学忠、施云贵编著，电子设计与实践，北京.中国电力出版社，2005年出版

所用软件

word 、画图工具、Multisim10等

４．３鸣谢

在本次设计中感谢李志杰同学的帮助，完成系统总图，还要感谢老师

给我们这一次由理论化为实践应用的机会，让我明白到知识在应用的过程中才能更好地掌握。此外在设计过程中和别组同样选题的同学作了交流，商讨解决了一些问题，在此也感谢他们。

评 语

评审人: