交通信号灯控制逻辑电路设计

交通信号灯控制电路的设计一、设计任务与要求1、任务用红、黄、（1）主干道、支干道交替通行；（2）主干道放行时间较长（设为48s），支干道放行时间较短（设为32s），倒计时显示；（3）每次绿灯最后闪亮4s，接着黄灯闪亮4s，然后变红灯；（4）电源：220V/50HZ（5）采用中小规模集成电路设计，画出总体电路原理图。2、要求画出电路的组成框图，用中、小规模集成电路进行设计与实现用EAD软件对设计的部分逻辑电路进行仿真，并打印出仿真波形图。对设计的电路进行组装与调试，最后给出完整的电路图，并写出设计性实验报告。二、设计原理和系统框图（一）设计原理1、分析系统的逻辑功能，画出其框图交通信号灯控制系统的原理框图如图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。秒脉冲信号发生器是该系统中定时器和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1交通灯控制电路设计框图图中：Tl：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25s，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5s。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。它一方面控制定时器开始下一个工作状态的定时，另一方面控制着交通信号灯状态转换。2、画出交通信号灯控制器ASM图（1）甲车道绿灯亮,乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行,乙车道禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时控制器发出状态信号ST转到下一工作状态。（2）乙车道黄灯亮乙车道红灯亮。表示甲车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乙车道禁止通行。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）甲车道红灯亮乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行乙车道上的车辆允许通行绿灯亮足规定的时间间隔TL器发出状态转换信号ST转到下一工作状态。（4）甲车道红灯亮乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止同行，乙车道上未位过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。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1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和信号灯状态下，车道的运行状态：S000甲车道通行、乙车道禁止通行S101甲车道缓行、乙车道禁止通行S311甲车道禁止通行、乙车道通行S210甲车道禁止通行、乙车道缓行AG=1甲车道绿灯亮，甲车道通行BG=1乙车道绿灯亮，乙车道通行AY=1甲车道黄灯亮，甲车道缓行BY=1乙车道黄灯亮，乙车道缓行AR=1甲车道红灯亮，甲车道禁止通行BR=1乙车道红灯亮，乙车道禁止通行状态变化如下表所示: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：AG=1：甲车道绿灯亮;BG=1:乙车道绿灯亮；AY=1：甲车道黄灯亮；BY=1：乙车道黄灯亮；AR=1：甲车道红灯亮；BR=1：乙车道红灯亮；由此得出交通信号灯的AMS图，如图2所示：图2交通信号灯的AMS图三、单元电路的设计1、秒脉冲信号发生器本实验采用555定时器组成秒脉冲信号发生器。取10ufC，R1取68K，R2取15K，则电路的输出脉冲频率z1)2(44.121HCRRf，电路图如图所示：图3秒脉冲信号发生器2、定时器定时器由与系统的时钟脉冲产生器提供的同步计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下首先清零，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供5s的定时信号Ty和25s的定时信号TL。计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便，74LS163是10进制同步加法计数器它具有异步清零、同步置数的功能。74LS163管脚图如图4所示74LS163图474LS163管脚图交通灯定时电路：图5交通灯定时电路其工作原理为由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CLK分别送给两个74LS163的清零端9处。如图所示，输入端3.4.5.6分别接地。U1的7和10由U2的11、14经过与门相与后相连。即只有当11、14处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲。当HD74LS00的ST信号分别送给U1和U2的LOAD。就可以得到yT和yT是秒脉冲的5倍LT和LT的结果是秒脉冲的25倍3、控制器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。列出控制器的状态转换表如表3所示。选用两个D触发器HD74LS74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，就可以列出了状态转换信号ST。其输入输出状态变化如下表所示：表2控制器状态变化编码表根据上表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，控制原理图如图6：图6交通灯控制器原理图图中R、C构成上电复位电路。由两个双多路转换器74LS153和一个双D触发器HD74LS74组成控制器。触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互交换。4.译码器译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表3所示。表3控制器状态编码与信号灯关系表Q1Q0状态AGAYARBGBYBR00100001010100011100110010001010根据上表中信号灯与Q0Q1的状态编码，可以到输出方程：01QQAG，01QQAY，1QAR01QQBG，01QQBY，1QBR由于黄灯需要5s闪烁，需要接入脉冲信号：cpQQAY01，cpQQBY01。给定的器件中没有与门，故将其全部取反得：01QQAG，cpQQAY01，1QAR01QQBG，cpQQBY01，1QBR得到的信号灯状态均为低电平有效，所以全部反接。如下图所示：图7交通灯译码电路四、电路测试数据和结果1、555定时器输出的时钟脉冲信号图8555定时器输出的时钟脉冲信号2、74LS74各输出管脚的波形图974LS74各输出管脚的波形3、各路信号灯电平变化情况图10A、B两路红、黄、绿信号灯的电平变化情况五、结束语1.系统综述通过分析交通灯控制系统的要求可知，整个系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器构成。其中，秒脉冲信号发生器由555定时器构成；定时器由两片4位可预置二进制计数器74LS163芯片、三片D触发器及若干与非门共同组成；控制器由三片数据选择器74LS153及两片双D触发器74LS74构成。主控制器和定时计数器必须使用同一脉冲信号，译码电路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。控制电路是系统的主要部分，由它控制定时计数电路和译码驱动电路的工作能够实现交通灯四种状态的自动转换。2.总结及心得体会这次课程设计历时一个星期，通过这一个星期的课程设计，我们团队成员都发现了自己的很多不足，找出了在模拟电路和数字电路知识上的很多漏洞，也看到了自己的在动手实践方面还缺乏经验，理论联系实际的能力还急需提高。在课程设计过程中，光有理论知识是不够的，还必须懂一些实践中的知识。这次的课程设计也让我看到了团队的力量，我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。刚开始的时候，我们就分配好了各自的任务，分别是555秒脉冲信号发生器及定时器电路的设计、控制电路的设计、译码电路的设计；然后我们积极查询相关资料，并且经常聚在一起讨论各个方案的可行性；最后我们设计电路图，焊接电路板，检修线路，调试电路。在课程设计中只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败，团结协作是我们成功的一项非常重要的保证，而这次设计也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。本次课程设计也巩固和加深了我对电子线路基本知识和理解，提高了综合运用所学知识的能力，增强了根据课程需要选学参考资料，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。然后深入研究，提出方案，对比后得出最终的可行方案。同时我也初步学习到了关于课程设计的基本方法、步骤和撰写设计论文的格式。为完成这次课程设计，我们大家确实很辛苦，几乎所有课余时间都花在了这件事情上，但苦中仍有乐，和团队人员这一周多的一起工作的日子，我们相互帮助、默契配合，知识上收获的良多，精神上的丰收更加可喜，让我们知道了学无止境的道理，我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有，这次课程设计必将成为我们人生旅途上一段非常美好的回忆！六、参考文献[1]陈大钦，罗杰.电子技术基础实验（第三版）[M]——电子电路实验、设计及现代EDA技术.北京：高等教育出版社，2008.6[2]杨素行.模拟电子技术基础简明教程（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2006.5[3]余孟尝.数字电子技术基础简明教程（第三版）[M].北京：高等教育出版社，2006.7[4]陈宗梅.交通灯控制系统电路设计[J].重庆职业技术学院学报,2005，14（2）：124-125[5]刘明丹.基于数字电路对交通灯控制的研究与设计[J].实验技术与管理,2005（22）：30-33[6]韦英华.基于Multisim的交通灯控制电路系统仿真设计[J].机械与电子，2009（33）：106-107七、电路原理图