第3节交通灯设计

第3节交通灯设计[学习要求]掌握交通灯的工作原理及其设计方法。[重点与难点]重点：交通灯运行控制功能模块框图。难点：交通灯运行控制功能模块框图。[理论内容]一、设计要求本文主要设计一个东西方向和南北方向十字路口的交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。每个方向的绿黄灯的定时时间可以预设，一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯的运行状态共有四种，分别为：东西方向绿灯亮、东西方向黄灯亮、南北方向绿灯亮和南北方向黄灯亮。在东西方向绿灯和黄灯亮时，南北方向红灯亮，并且红灯的倒计初始值为绿灯的倒计初始值和黄灯的倒计初始值之和。交通灯电路的具体运行状态框图如图1所示：状态1东西方向黄灯亮状态0东西方向绿灯亮状态2南北方向绿灯亮状态3南北方向黄灯亮图1交通灯运行状态分析二、电路工作总体框图交通灯控制电路主要由以下几部分构成，如图2所示，分别为时序脉冲产生和分频电路、绿灯计时电路、绿黄灯初值预置电路、状态控制电路、红灯计时器、显示电路等部分构成。状态控制器是系统的核心部分，由它决定交通灯处于哪一个运行状态。（状态0~状态3）。从而使相应的交通灯点亮，并决定下一个状态的预置电路该预置的绿灯或黄灯的预置值。图中的状态控制器由二位加法器实现，2位加法器输出00～11对应红绿灯的4个状态，绿灯1、黄灯1、绿灯2、黄灯2。当一个状态计时时，数据选择下一个状态的预置值。当前状态计时结束后，计数器置入下-1-一个状态计数值并计数，循环往复。绿灯1和黄灯1亮时红灯2亮，绿灯2和黄灯2亮时红灯1亮。绿灯亮时，红灯显示值为绿灯的值加黄灯预置值加1，黄灯亮时，红灯显示数据和黄灯同步。其他单元在状态控制器的状态控制下有序的完成计时和计时转换。假定当前状态如绿灯亮，运行结果分析如下：状态控制器输出接入四选一译码器，选中绿灯1所对应的数码管，此时四位减法计数器输出结果送入绿灯1对应的数码管，显示绿灯计时的时间，其他数码管（黄灯1、绿灯2和黄灯2均不亮），而红灯2同时也被选中，开始显示当前的红灯2时间，红灯2的时间为绿灯1和黄灯1计时之和。当计时递减到0时，状态控制器的状态进入下一个状态，同时四位减法计数器置入黄灯1预置的时间，开始对黄灯计时进行递减，此时红灯2的时间仅为黄灯1的时间，当黄灯1递减到0，状态控制器又进入绿灯2亮的时间，分析过程与上面类似。这样周而复始完成交通的显示过程。三、单元电路的具体设计1、时序脉冲产生和分频电路时钟电路是数字系统不可缺少的一个重要组成部分，因为数字电路只有在时钟电路的驱动下才可正常工作。根据应用场合的不同，不同数字电路选择使用不同类型的时钟发生器。因交通灯控制系统的秒信号精度不高，故可选用555定时器，也可选用RC环行振荡器，考虑到红灯亮的时间与倒计数的时间一致，本系统选用CD4060计数器来得到一个时钟脉冲。本设计通过CD4060计数器产生的是2Hz的时钟脉冲，不符合系统要求的1Hz时针脉冲，所以需要一个分频电路，即把CD4060所产生的信号进行2分频。该分频电路可以用任何一个二进制计数器来实现。本文选用74HC390计数器来实现，74HC390是一个双二-五-十进制加法计数器，其引脚接法及功能如下所示：①每个集成块中由2组计数器，每组计数器由两个计数器组成，共有4个计数器。②每组计数器内有1个一位二进制计数器和1个五进制计数器。它们可以单独计数，但清零时同时清零。A，B为时钟脉冲的输入，下降沿触发。QA，QB，QC，QD为计数输出。③如1位二进制计数器的输出QA接上五进制计数器的时钟脉冲的输入B，则构成8421BCD码十进制的计数器。A为时钟脉冲的输入，QA，QB，QC，QD为输出，QD是最高位；五进制计数器的输出QD接上二进制计数器时钟脉冲输入A，则构成5421BCD码十进制的计数器，B为时钟脉冲的输入，QA，QB，QC，QD为输出，QA是最高位。④清零RD为异步清零，高电平有效。在本电路中，将clka与CD4060脉冲发生器的时钟输出相连，Qa即为1Hz时钟输出。其具体电路如图3所示。2、倒计时计数电路倒计时计数电路主要由计数器构成，它在整个系统设计中的作用是实现计时计数，在此我们选用减法计数器，因为本设计说明计时时间可预设，所以需要可预置数的计数器，结合以上要求，本系统采用4516。进位和4位减法计数器4位全加器=9906进位4位全加器9时二进制转十进制绿灯1黄灯1绿灯2黄灯2红灯2置数选通进位4选14选14选14选11位半加器借位2位加法计数器2-4译码器CP＋＋＋显示译码显示译码显示译码分频器CP1Hz&闪烁控制&状态控制器时钟源红灯1图2交通灯运行控制功能模块框图图3时钟产生电路原理图当交通灯控制系统开始工作时，该部分电路将实现各种状态的转换功能，即东西南北方向绿灯、黄灯4种工作状态的转换，首先数码管显示东西方向绿灯的预值，当其减到零时，计数器产生借位，状态由之前的“00”转为“01”，此时东西方向绿灯灭，计数器重新置数，即东西方向黄灯预置值，当其减到零时，计数器又产生借位，状态由之前的“01”转为“10”，此时东西方向黄灯灭，计数器又重新置数，即南北方向绿灯预置值，反复循环。其电路原理图如图4所示。图4倒计时计数电路以及初值预置电路原理图其中4516是异步可预置四位计数器，其真值表见表1，工作原理如下：①CP为计数器时钟输入，上升沿触发。②LD为异步数据预置控制端，当LD高电平，D0-D3上的数据置入计数器中。③CI为计数控制端，控制计数器的计数操作，CI=0时，允许计数，CI=1时，保持。④U/D为加/减计数控制端，U/D为高电平时，在案CP时钟上升沿计数器加1计数；反之，在CP时钟上升沿减1计数。⑤RD为异步清零端，RD为高电平时，计数器清零。表1CD4516真值表（注Χ表示任意值）CPCIU/DLDRDQDQCQBQAΧΧΧHLΧΧΧΧHΧHΧLL↑LHLL↑LLLLABCDLLLL保持加法计数器减法计数器⑥C/B为进位/借位输出，在减法计数时，当Q0-Q3输出“0000”时为低电平；在加法计数时，当当Q0-Q3输出“1111”时为低电平，其余输出高电平。3、初值预置电路考虑到控制信号与输入变量的关系，需要用一个数据选择端，同时由于数据是由四位二进制数所组成，所以共选用两个双4选1数据选择器74153。74153的输出受与4516相连的加法器74390的输出控制。此部分采用74LS153芯片、输入与非门74LS00以及加法器74390构成，其电路原理图见图4和图5。其中74LS153引脚图内部有2个4选1数据选择器，其真值表为表2。其中C0-C3为数据输入端，Y为输出端，A、B称为地址输入端。A、B的状态起着从4路输入数据中选择哪1路输出的作用。输出状态与输入数据无关。注意A、B地址在集成块中由2个4选1共用，高位为B，低位为A，BA=01时，Y=C1，BA=10时，Y=C2。表274LS153的真值表数据输入数据输出选通输出BAC0C1C2C3EYΧΧ0001010110101111ΧΧΧΧ0ΧΧΧ1ΧΧΧΧ0ΧΧΧ1ΧΧΧΧ0ΧΧΧ1ΧΧΧΧ0ΧΧΧ1100000000001010101通过在C0-C3处输入相应的值，A、B和Y之间构成了同或门逻辑，这就是一个逻辑函数发生器。4、状态控制电路交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四个状态，分别用S0，S1，S2和S3表示，经过2-4译码器译码后可以控制四个电路中的其中一个工作，每个电路对应一个状态，其工作主要有三个时间间隔，TL，TS和TY（TL为东西方向绿灯亮的时间间隔，本设计预置为9s，TS为南北方向绿灯亮的时间间隔，本设计预置为9s，TY为东西方向或南北方向黄灯亮的时间间隔，本设计预置为3s）。S0状态：东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮，此时南北方向有车等待通过，而且东西方向绿灯已亮，满足规定的时间间隔9s，控制器发出状态转换信号ST，输出从状态S0转换到S1。S1状态：东西方向黄灯亮，南北方向红灯亮，进入此状态，黄灯亮满足规定的时间间隔3s时，控制器发出状态转换信号ST，输出从状态S1转换到S2。S2状态：南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮，若此时南北方向继续有车，则继续保持此状态，但南北方向绿灯亮的时间不得超过9s时间间隔，否则控制器发出状态转换信号ST，使输出转换到S3状态。S3状态：南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮，此时状态于S1状态持续的时间间隔相同，均为3s，时间到时，控制器发出ST信号，输出从状态S3回到S0状态。各状态与信号灯的关系由表3给出，其中HG，HY，HR分别表示东西方向绿、黄、红灯。FG，FY，FR分别表示南北方向绿、黄、红灯。表3控制器状态编码与信号灯关系表状态HGHYHRFGFYFRS0（00）S1（01）S2（11）S3（10）100001010001001100001010交通灯以上4种工作状态的转换时由控制器进行控制的。为实现此功能，此设计选用74HC390计数器，双2-4译码器74139，74HC390计数器。其电路如图5所示。图5状态控制电路原理图74139集成块芯片内有两个2-4译码器。输入的2位二进制编码共表示种状态，译码器将每个输入编码译成对应的一根输出线上的确低电平信号。E为使能端，低电平有效。它既可控制电路的工作，也可用于扩展逻辑功能。E=0时，2-4译码器工作；E=1时，电路被禁止，输出全部为高电平，输出状态与输入编码无关。BA可视作二进制数据，B为高位，A为低位，与输出Y0-Y3对应。5、红灯数值控制电路设计中使用74LS283全加器，它将A0A1A2A3和B0B1B2B3相加，和由S0S1S2S3输出，C1为进位输出。此电路实现东西方向绿灯与黄灯亮的时间总和等于南北方向红灯亮的时间的功能，。即东西方向绿灯亮9s后，转变为黄灯亮3s，同时南北方向的红灯亮12s，从而实现红灯显示数据与黄灯同步。考虑到设计需要，本系统采用3片74LS283全加器，74LS32与74LS08芯片。该模块电路也实现了二进制与BCD码的转换，使显示值大于9时十六进制转为BCD码。另外用加法器计算红灯显示值时，进行了1位16进制到2位BCD码的转换。其电路如图6所示。图6红灯数值控制电路原理图6、数码显示电路十字路口要有数字显示，作为倒时提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：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，直至减到数为“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。倒计时显示采用七段数码管来显示，它由4511译码器驱动，显示减法计数器4516的输出值。七段数码管有共阴极和共阳极两种接法，本设计电路中采用共阴极数码管，即把七段数码管内的所有发光二极管的阴极都接地时，数码管才能被点亮。此外在设计电路时，在七段数码管的每一段串联510Ω的电阻，以限制流经每一段的电流，否则电流太大，容易烧毁发光二极管。由于目前减法计数器4516输出的是一个小于10的十六进制数据，而该数据的显示要采用七段数码管来显示，所以在这两者之间需要有一个专门的译码器，来完成BCD码到七段的译码。该译码器不但要完成译码功能，还有相当的驱动能力。基于该原因，本系统选用CD4511译码器，来驱动七段数码管。CD4511的输出是低电平有效，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时，对应字段熄灭。A、B、C、D接收4516的输入，QA、QB、QC、QD、QE、QF、QG输出分别驱动七段数码管的a、b、c、d、e、f和g段。当电路开始工作时，首先东西方向绿灯对应的数码显示器显示值为9，与此同时南北方向的红灯对应的数码管显示器由12逐步递减，当9减到0时，然后跳变为黄灯对应的数码显示器显示值3，而此时南北方向的红灯对应的数码管显示值已由12减到3，正好实现黄灯与红灯的同步功能，当3减到0时跳变为红灯对应的数码显示器显示，其值为12，反复循环。其电路原理图如图2-7所示。