数电交通信号灯控制器设计

武汉理工大学《交通信号灯控制设计》课程设计说明书

交通信号灯控制器设计

1 方案设计意义及要求

1.1 方案设计意义

现代城市中，人口和汽车日益增长，市区交通也日益拥挤，人们的安全问题也日益重要。因此，红绿交通信号灯成为交管部门管理交通的重要工具之一。有了交通灯人们的安全出行有了很大的保障。

自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。

1.2 方案设计要求

运用模拟 电子技术和数字电子技术以及电路原理的相关知识设计出交通信号灯的控制电路，完成下列的要求：

1. 假设一路口为东西南北走向。初始状态0为东西红灯，南北红灯， 2. 然后转状态1东西绿灯通车，南北红灯。

3. 过25s转状态2，东西绿灯灭，黄灯闪烁5次，南北仍红灯。 4. 再转状态3，南北绿灯通车，东西红灯亮。

5. 过20s转状态4，南北绿灯灭，闪5次黄灯，东西仍是红灯。 6．最后循环至状态1，如此不断周期循环下去。

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2 方案设计内容

2．1 方案设计思路

方案设计要求南北方向和东西方向的交通信号灯的周期不一样，南北方向是红灯30秒、绿灯25秒、黄灯闪烁3秒。东西方向是红灯25秒、绿灯20秒、黄灯闪烁5秒。但是南北方向和东西方向是相对称的，其交通信号灯的状态转换图如下：

状态1 南北红灯亮25秒 东西绿灯亮20秒 状态2 南北红灯亮 5秒 东西黄灯闪 5秒 状态3 南北绿灯亮20秒 东西绿灯亮20秒 状态4 南北黄灯闪 5秒 东西绿灯亮 5秒 图2-1 交通指示灯状态转换图

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2.2 方案设计

2.2.1 方案一（个人方案）设计原理

交通信号灯控制原理图如下图所示：

555定 时 器 计数器实现五进制 移位寄存器 计数器实现 五十五进制 南北方向信号灯 东西方向信号灯

图2-2 交通信号灯控制原理图

根据设计方案的要求，我们可以依据南北方向和东西方向交通信号灯的亮灭

情况画出以下的时序状态图：

图2-3 交通信号灯状态时序图

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首先用NE555定时器产生1Hz脉冲作为时钟脉冲信号源，用74LS161构成五进制计数器，产生五进制数，并且每五秒自动清零，同时利用清零信号给74LS164移位寄存器一个脉冲信号，使移位寄存器每5秒发生一次移位，然后通过74LS164移位寄存器分别实现5秒，20秒，25秒和30秒的循环控制，30秒后禁止信号输入移位寄存器，再过25秒信号又可以重新输入移位寄存器，这样就可以分别使东西方向和南北方向对应的红灯和绿灯亮和灭，最后用黄灯信号和脉冲信号源进行与逻辑运算，使得黄灯能够每秒闪烁一次，闪烁时间为5秒。

由于南北方向和东西方向的红灯和绿灯的亮灭的时间不相等，南北方向红灯亮30秒，绿灯亮25秒，黄灯闪烁5秒；东西方向红灯亮25秒，绿灯亮20秒，黄灯闪烁5秒，所以南北方向周期为30秒，东西方向周期为25秒，总周期为55秒。因此利用一片74LS161和构成五进制计数器的74LS161级联起来构成一个55进制的计数器，再利用其清零端接到74LS164移位寄存器的清零端，实现移位寄存器的每55秒清一次零，从而达到对南北方向和东西方向周期不相等的控制，达到方案设计的要求。总电路图见附录

2.2.2 方案二（小组方案）设计原理

人机交互界面 单片机微处理 人行道 信号灯 紧急情况 控制 主干道 信号灯

图2-4 方案二电路原理框图

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通过单片机写入符合题意的程序，之后小组的成员还一起讨论了，还增加了红灯时长可编辑、紧急情况的控制和人行道红路灯等附加功能，再接上一定的外围电路，通过程序控制I/O口的输出状态控制所接外围电路的状态来实现交通信号灯控制。总电路图见附录

2.3 方案比较

方案一是利用555定时器来产生1Hz的脉冲，利用数据选择器的选择功能和 移位寄存器的移位功能来实现对南北方向和东西方向不同周期的信号灯的控制， 电路的设计思维容易理解，但是所用到的元器件较多较复杂，电路的接线相对要 复杂。方案二是利用单片机处理器，通过软件编程来实现设计所要求的功能，简 单明了，便于控制，并且功能上的扩展性也很强，但是相对于方案一需要更高的 要求，要对汇编语言及单片机的工作原理有较深的理解。

3 单元电路原理设计

3.1 秒脉冲信号发生器设计

时钟信号产生电路主要由NE555定时器、电容和电阻组成震荡器，产生稳定的脉冲信号，送到状态产生电路，状态产生电路根据需要产生一定的“0” 、“1 ”信号，电路图如下图所示：

图3-1 秒脉冲电路原理图

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tW1?(R1?R2)ClnVCCVCC20?VCCtW2?R2Cln3?0.7R2C10?VCC31?VCC3?0.7(R1?R2)C2?VCC3所以时间周期就是：T=0.7(R1?2R2)C=1s

经计算可得R1=46k R2=50k 产生的秒脉冲通过3端口输出 NE555管脚图如图：

图3-2 NE555管脚图

3.2 五进制计数器设计

要实现五进制计数，用74LS161四位二进制同步加法计数器，该计数器能同步并行预置数据，具有清零置数，计数和保持功能，具有进位输出端，可以串接计数器使用。它的管脚排列如图2-3所示：

图3-4 74LS161管脚图

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管脚图介绍：

时钟CP和四个数据输入端P0~P3 清零/MR 使能CEP，CET 置数PE

数据输出端Q0~Q3

以及进位输出TC. (TC=Q0·Q1·Q2·Q3·CET) 下图为74LS161的功能表：

表3-1 74LS161功能表

从74LS161功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO= Q0·Q1·Q2·Q3·CET。合理应用计数器的清零功能和置数功能，一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器。

所以可以利用一片74LS161实现五进制加计数，将CR=LD=EP=ET=“1”，D3,D2,D1,D0接地，二进制的五为（0101），故将Q2,Q0连到同一与非门后接CR清零端，每五个脉冲清一次零，实现五进制加计数器，同时利用清零信号，每五秒给74LS164移位寄存器一个脉冲信号。

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五进制电路连接图如下图所示：

图3-5 五进制计数器电路图

3.3 五十五进制计数器设计

因为南北方向和东西方向交通信号灯的周期不一样，南北方向是30秒，东西方向是25秒，如果要用一片移位寄存器实现的话，就必须对移位寄存器定时清零，不然就会出现5秒的空白时间。

但是总的周期是不变的，为55秒，所以利用两片74LS161构成五十五进制计数器，前一片接成五进制，后一片接成十一进制的，这样就使前一片的74LS161参与了两个电路功能，达到使用减少的元件实现较多功能的目的。同时利用第二片74LS161的清零信号接到后面移位寄存器的清零信号，从而实现每55秒清一次零，这样就可以解决南北方向和东西方向周期不相等的问题了。 五十五进制电路连接图如图所示：

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图3-6 五十五进制计数器电路图

3.4 移位寄存器

74LS164为8位移位寄存器，当清除端（CLEAR）为低电平时，输出端（QA－QH）均为低电平。串行数据输入端（A，B）可控制数据。当A、B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（CLOCK）脉冲上升沿作用下Q0 为低电平。当A、B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK 上升沿作用下决定Q0 的状态。 引出端符号

CLOCK 时钟输入端

CLEAR 同步清除输入端（低电平有效） A，B 串行数据输入端 Q－Q

A

H

输出端

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74LS164封装图如下图所示：

图3-7 74LS164封装图

74LS164逻辑图如下图所示：

图3-8 74LS164逻辑图

74LS164真值表如下图所示：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0qgh.html