交通灯控制逻辑电路设计

1、黑龙江工业学院数字电子技术课程设计报告院系：电气与信息工程系 专业班级：14电气本八名：耿振学 号：04991408005 指导教师 报告成绩:1. 设计目的为了确保十字路口的车辆顺利、畅通地通过，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。设计一个十字路口的交通灯控制电路， 要求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；要求黄灯先亮5秒，才能变换运 行车道；黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次2. 设计任务要求要求东西方向的红、黄、绿灯和南北方向的红、黄、绿灯按照上面的工作时 序进行工

2、作，黄灯亮时应为闪烁状态；1）南北和东西车辆交替进行，各通行时间 24秒2）每次绿灯变红灯时，黄灯先闪烁 4秒，才可以变换运行方向3）十字路口要有数字显示作为时间提示，以倒计时按照时序要求进行显示；4）可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀状态 （选作：通行时间和黄灯闪亮 时间可以在0-99秒内任意设）3. 设计方案选取与论证依据功能要求，交通灯控制系统应主要由秒脉冲信号发生器、倒计时计数器电路和信号灯转换器组成，原理框图如图1所示。秒脉冲信号发生器是该系统中 倒计时计数电路和黄灯闪烁点控制电路的标准时钟信号源。倒计时计数器输出两组驱动信号T5和T0,分别为黄灯闪烁和变换为红灯的控制信号，这两

3、个信号经 信号灯转换器控制信号灯工作。倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信(2)夜晚工作模式东西南北各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮。因此总设计图如下 图所示：系统电源东西信号灯II南北信号灯卜组合逻辑电路计数器、设计工作方式控制开关«:秒脉冲产生电路I秒脉冲产生电路成。度,说，秒脉冲产生电路的功能是产生标准秒脉冲信号，主要由振荡器和分频器组 振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的进度决定了计时器的准确 可由石英晶体振荡电路或 555定时器与RC组成的多谐振荡器构成。一般来 振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大，故在设计时，一定根据需要设计出最佳电路

4、。石英晶体振荡器具有频率准确、振荡稳定、温度系数小的特点，但如果精度要求不高的时候可以采用555构成的多谐振荡器。振荡周期与频率的计算公式为：T=(R1+2R)CI n2=0.7(R 1+2R)C,电源电压为Vcc=12V,其中电路图中C的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计 中要求输出T=1S,选取电容为C=10nF R1=28.86MQ，根据振荡周期计算，选择 电阻Rf57.72MQ。用multisim 进行仿真，仿真图如图所示：VDDQ12VVsVDD1-L28.86M| ?TR161占卜I 6257.72 Mp?63VCCRST OUTDISTHRTRICONGND100|?R

5、I宁伽FC宁伽FCf555_ TimeVIRTUAL555 构成的多谐振荡器此电路就可以产生脉冲频率为1赫兹的脉冲。以下对555定时器进行简介：NE555是 一种应用特别广泛作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其 他的电路提供时序脉冲。555定时器内部逻辑电路信号灯转化器信号灯状态与车道运行状态如下：SO:东西方向车道的绿灯亮， 通行；S1:东西方向车道的黄灯亮， 通行；S2 :东西方向车道的红灯亮， 通行；S3:东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道 缓行。用以下6个符号来分别代表东西（

6、A）、南北（B）方向上个灯的状态：GA=1:东西方向车道绿灯亮；YA=1:车道通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止车道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止车道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道RA=1GB=:YB=1:东西方向车道黄灯亮; 东西方向车道红灯亮; 南北方向车道绿灯亮; 南北方向车道黄灯亮;RB=1南北方向车道红灯亮。实现信号灯的转换有多种方法，现采用比较典型的方法进行设计，实现信号 灯的转换工作。若选用JK触发器，则原理如下。JK触发器设状态编码为S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其输出为Q1, Q2,则其与信号灯 状态关系如表3 1所示。状态编码与信号灯关系表输

7、出QOQO*GAYARAQ1Q1*GBYBRB现态 次态可以得出信号灯状态的逻辑表达式：GA =Q1' Q0 YA =Q1 ' Q0 RA =Q1GB =Q1Q0 YB =Q1Q0 ' RB=Q1 'JK触发器的输出状态是与J输入端的状态相同的，同时分析表3-1，触发器 0的现态与触发器1的次态相同，触发器1的现态与触发器0的次态相反，因此 可以将触发器0的输出端Q Q （现态）分别接触发器1的J、K输入端（次态）， 触发器1的输出端Q Q'（现态）分别接触发器0的K、J端（次态），取触发 器0为、触发器1为，连接后的电路如下图所示：0JK触发器连接的电

8、路倒计时计数器具体十字路口要有数字显示作为倒计时提示， 以便人们更直观的把握时间。 工作方式为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1,计数方式工作，直至减到数位“ 4”和“ 0”。十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环 结束，而进入下一步某方向的工作循环。 在倒计时过程中计数器还向信号灯转换 器供模4的定时信号T4和模0的定时信号T0,用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红 灯的变换。倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出 值。74190芯片可设计成24进制计数器。QB、QA的输出数据根据要求，采用两片74190芯片构成计数器，因为74190是十进制同步可逆 计数

9、器，它具有异步并行置数功能、保持功能。采用两片 0099的百进制计数器，再根据线路连接的改变将其连接成74190 没有专用的清零输入端，但可以借助 QD QC 间接实现清零功能。其功能表如下图所示：表3-2 74190的功能表CTENCLK LOAD A B C D QAQBQCD/UQD0ABCD0 1t 1减计数0 0t 1加计数11 000LOAD为0,计数器预置数，置完数后，LOAD变 00时，LOAD又变为0,计数器又预置 则连接后的电路如下图所示：U7U5要实现24s的倒计时，需选用两个74190芯片级联成一个从99到00的计数 器，其中作为个位数的74190芯片的CLK接秒脉冲发

10、生器，再把个位数74190芯 片输出端QD用一个与门连起来，再接在十位数 74190芯片的CLK端。当个位数 减到0时，再减1就会变成9, 0（0000）和9（ 1001）之间的QA、QD同时由0 变为1,把QA、QD起来接在十位数74190芯片的CLK端,此时会给十位数74190 芯片一个脉冲数字减1,相当于借位。则又74190芯片的功能性质可知，当个位 数74190的C管脚和十位数74190的B管脚同时置1，CTEN端接低电频，加/减 计数控制端D/U接高电频实现减计数，预置端 LOAD接高电频时计数，接低电频 时预置数。因此，工作开始时，1415lDCDCD_HEX_YELLOWEECD

11、_HEX_DIG_REDUJU23U24为1,计数器开始倒计时，当倒计时减为 数，如此循环下去。57VCC|-5VU25AA7404N19U3AQABQBQCQDCTENLOADU/D RCO MAX/MINRlk74190N28U8A4002BD_5V18U10A'74LS21N153074190N3229U4A74e8NU8B>r -23一4002BD 5V TU11A丿 4001BD 5V¥ _20U4D7408NU9A.7400NV212425J2j3 J4.1 VCC 1 .J7 J8U12A7432N倒计时计数器电路倒计时计数器与信号灯转化器的连接倒计时计数

12、器向信号灯转换器提供定时信号 T4和定时信号T0以实现信号灯的转 换。TO表示倒计时减到数“ 00”时（即绿灯的预置时间，因为到“ 00”时，计 数器重新置数），此时给信号灯转换器一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向 的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。接法为：把个位、十位计数器的输出端QAQB QC QD分别用一个4输入或非门连起来，再把这两个 4输入或非门的输出U7U5CD HEX YELLOWVCC5VU8A-U25Aj404N19U10A18-74LS21N15AQABQBCQCDQDCTENLOADU/DRCOMAX/MINCLKU3374190N34002BD_5V U63229J2VC

13、CvcCv121J HCLK 1K1Q1Q1CLR27473N30U4AQA QBQC QDCTEN LOADU/D RCO MAX/MIN.CLKj3j4VCC JL_JU13A>7404NU8B4002BD_5V2320U4DU9A 7400N24严D_5V2521U12AJ9r?u = SpaCGN D1VCC 5VvccR15k|?3947U2AGa1Ya1Ra1O 2.5 V2.5 V O2.5 V3837U26A 7408N U19A|7408NIJ31J15A7432NU14B 7408NGb117D7408N2CLK2Q2CLR7473N447408N7408NU2DRb

14、lO 2.5 V2.5 V437408NII U16AI7432N1U4C 7408N广、U17B I 7408NYb1462.5 V/ 、 U18A7408N用一个与门连起来。T4表示倒计时减到数“ 04”时，给信号灯转换器一个脉冲， 使信号灯发生转换，绿灯的变为黄灯，红灯不变。接法为：当减到数为“04”(0000 0100)时，把十位计数器的输出端 QA QB QC QD用一个4输入或非门连起来， 个位计数器的输出端QB QD用一个两输入或非门连起来，再把这两个或非门与 个位计数器的的输出端 QA QC用一个4输入与门连接起来。最后将 T4和T0 两个定时信号用或门连接接入信号灯转换器的时

15、钟端。则连接图如下图所示：U23U24DD|_REID_HEX_DIG_RED交通灯信号控制器电路图黄灯闪烁控制要求黄灯为闪烁状态，即黄灯0.5秒亮，0.5秒灭，故用一个频率为1赫兹的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接至黄灯。在3.1.1中已用555定时器连接成了频率为1赫兹的多谐振荡器。白天夜间模式的转换根据任务书的要求，要用一个手动开关来控制白天模式与晚上模式的改变。由经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式可以看出， 白天与夜间模式 的转换由单刀双掷开关与与门或或门控制。当开关接上边时为白天工作模式，开 关接地时为夜晚工作模式。则电路连接如下图 3-5所示：47VCC5VJ941

16、°'?u = Space gndVCCGnd5k|?白天夜间的切换开关在实际生活中，手动开关电路毕竟不方便，因此实际应用中可设计自动开关 电路。用光敏电阻或光敏二极管、 光敏三极管组成光亮度检测电路， 光亮度检测 电路检测的电信号送入滞回电压比较器， 滞回电压比较器根据光亮度输出高低电 平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自 动转换开关。这样当天黑以后经一段延时， 系统自动转成夜间工作方式。第二天 天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用 手动切换白天与夜晚模式的选择。四.仿真过程及仿真结果白天工作模式交通灯从点亮

17、要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时， 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。信号灯采用红、绿、黄发光 二灯模拟。在实际电路中，开关J2和J7闭合，使个位74190的C管脚接高电平，A B、 D接低电平；十位74190的B管脚接高电平，A、C、D接低电平，并且白天夜间 的切换开关不接地。计数器的开关如下图所示：43401JQ.置数法的开关连接方法白天的工作状态结果如下图3-7所示:U7U5U23U24 DmmmEDCD_HEX_DIG_RED1415.16VCCB 5VU8A186102RST OUT

18、DISTHRTRICONGNDI R001?TUALVCCU3AQABQBCQCDQDCTENI-LOADIs maX/RCO ttCLKU615 |IaqaBQBCQCDQD卜CTENl-U/DD RCOMAX/MINI CLK-_7404nU8B=._2_002bd 5v卜_ U11AI -4001BD_5V¥ 一U9A7400N2119U10A20U4DLn-25243229U12AJ1amJ71III TGa1>2.5 VU13A7404Nta740IVCCQoVVCC5k| ?39oBII7473N 7408N40 U2C：T>7408NU2DYa1Ra1O 2

19、.5 V 心38-U19A；-叫 U26ApJ, U19ALk7408N7408NX”5A.I- 432NU26A432N47 25 V U14A 2.5 V ri_|82.5 V37U14B'7408N14. U4BH7408N*5 V43占 U17B17408Nl_5HYb1,V%_ U18A|7408NVDDD12VVs工RST OUTDISTHRTRICON28.86M|R1506 57.7' R2 II L CON44D1001 ?干RIVIRTUAL555Tim白天工作状态夜间工作模式南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，将设置的手动开关, 拨动到接地状

20、态。电路图工作结果如下图 3-7所示：VCC5VU3IdI 4Jcten j N 勺:UODDQAQBQCQDRCOMAX/MIN CLK13I /4190N 8U7U5OWCD_HEX_YELLOWI Il4'4002BD_5V U6U25AU8B234002BD_5VVDDVDD2763228.86M|? ! R1RST OUT2961DISb - 6257.72M|?|R2THRTRI；ONGND盍10 nF宝 10nF""Cf100|?Rl J1卞55 VIRTUAL TimerVCCvCC*1CLR IU23U2419RED15U/D14II3074190N:354321Ya1VCC2.5 V2.5 V38.VCCR1占GND5k?/4U8N2QRb12QJ26A 7408NU4B 7408NU11A.4001BD 5VABU13AA7404NJ2 - J3QAQEQC扌2严T 2CLR-37占 U19A 丄 U14BI I7408N 1 17408N人 U15At I7432Ni_ U9A=Sp aceGND120U10ALS21NU4DRCOMAX/MIN CLKO7400NIU12AST2425VCCCJ5VRa1口 2.5 VVDD7473N40&qu