简易交通信号灯控制器课程设计

2013年6月

《电工与电子技术基础》课程设计报告

题 目 简易交通信号灯控制器 学院（部） 汽车学院 专 业 车辆工程 班 级 2011220103 学生姓名 王彬彬 学 号 201122010312 6 月 24 日至 6 月 28 日 共 1 周

电工课程设计——简易交通信号灯控制器

简易交通信号灯控制器

前言

在现代城市中，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。交通信号灯常用与交叉路口，用来控制车的流量，提高交叉口车辆的通行能力，减少交通事故。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、科学化、简便化。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。

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。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。本次课程设计目的是培养数字电路的能力，掌握交通信号灯控制电路的设计方法。

从这次的设计中提升学生的理论联系实际的能力，实践与教学相结合的课程设计能充分调动学生的积极性与创造性，激发学生的设计灵感，提高教学水平，有利于学生以后的长远发展。

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目录

第一章：系统概述·········································3 1.1系统概述···············································3 1.2交通灯逻辑分析及整体设计方案模块划分··············4 1.3方案论证及可行分析································6 第二章：单元电路的设计分析························7 2.1秒脉冲信号发生器··································7 2.2控制电路··········································8 2.3定时器···········································11 2.4显示电路·········································11 第三章：电路的安装与调试··························12 3.1系统综述·········································12 3.2芯片介绍·········································12 第四章：结束语·····································16 4.1总结及心得体会···································16

元器件明细表········································18 鸣谢················································19 参考文献············································19 评语················································20

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摘要：交通信号灯常用于交叉路口，用来控制车的流量，提高交叉口车

辆的通行能力，减少交通事故。交通灯控制器主要由控制器、秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路及信号灯组成。控制器由74LS153与74LS74来实现，脉冲发生器用晶体震荡器产生，计数器采用两个74161来实现，显示电路经过74LS192的倒计数、七段显示译码器7447及七段数码显示器连接起来实现。控制器通过RT对定时器进行控制，从而实现数字的显示及绿、黄、红灯的转换。

关键字：交通灯、控制器、秒脉冲发生器、定时器、译码显示电路、状

态转换、信号灯、主支干道。

设计要求：

1.定周控制：主干道绿灯45秒，支干道绿灯25秒； 2.每次由绿灯变为红灯时，应有5秒黄灯亮作为过渡； 3.分别用红、黄、绿发光二极管表示信号灯； 4.设计计时显示电路。

第一章：系统概述

1.1、系统概述：

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，本设计需要一个秒脉冲信号发生器、定时器、译码显示器和控制器。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，控制器对信号灯的各种状态进行循环控制，定时器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，控制器对电路种的各个模块进行级联控制。

系统由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码显示器五大部分组成。其中定时器能向控制器发出三种定时信号，使相应的发光二极管发光。译码显示器在控制器的控制下，改变交通灯信号，分别产生三种倒计时时间显示，控制器根据定时器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。

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1.2 交通灯逻辑分析及整体设计方案模块划分：

图1表示位于主干道和支干道的十字路口交通灯系统，每条道路设一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿3个灯组成，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，未过停车线的车辆禁止通行。

图1

图1为交通灯的一个整体设计框图。系统主要由秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、译码器、信号灯显示器组成。其中控制器是核心部分，由它控制定时器和译码器的工作，秒脉冲信号发生器产生定时器和控制器所需的标准时钟信号，译码器输出两路信号灯的控制信号。

图中TL、TS、TY为定时器的输出信号，ST为控制器的输出信号。MG、MY、MR分别表示主干道绿、 黄、红三色灯，NG、NY、NR分别表示支干道绿、黄、红三色灯。

当某车道绿灯亮时，允许车辆通行，同时定时器开始计时，当达到指定时间时，TL输出为１，否则TL输出为０；

当某车道黄灯亮后，定时器开始计时，当计时到５秒时，TY输出为１，否则TY＝０；

当某车道红灯亮时，定时器开始计时，当计时到指定时间时，TS输出为１，否则TS＝０。

因此，用定时器分别产生三个时间间隔后，向控制器发出“时间已到”的信号，控制器根据定时器的信号，决定是否进行状态转换。如果肯定，

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则控制器发出状态转换信号ST，定时器开始清零，准备重新计时。

交通灯控制器的控制过程分为四个阶段，对应的输出有四种状态，分别用S0、S1、S2、S3表示。

S0状态：主干道绿灯亮，支干道红灯亮，此时主干道允许车辆通行，主干道禁止车辆通行。当主干道绿灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。

S1状态：主干道黄灯亮，主干道红灯亮，此时主干道允许超过停车线的车辆继续通行，而未超过停车线的车辆禁止通行，支干道禁止车辆通行。当主干道黄灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。

S2状态：主干道红灯亮，支干道绿灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许车辆通行，当支干道绿灯亮够规定时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态。

S3状态：支干道红灯亮，支干道黄灯亮。此时主干道禁止车辆通行，支干道允许超过停车线的车辆通行，而未超过停车线的车辆禁止通行。当支干道红灯亮够规定的时间后，控制器发出状态转换信号，系统进入下一个状态------S0状态。

控制器 状态 S0 (00) S1 (01) S2 (11) S3 (10) 信号灯状态 车道运行状态 主干道绿灯，次干道红灯 主干道通行，次干道禁止通行 主干道黄灯，次干道红灯 主干道过线车通行，未过线车禁止通行，次干道禁止通行 主干道红灯，次干道绿灯 主干道禁止通行，次干道通行 主干道红灯，次干道黄灯 主干道禁止通行，次干道过线车通行，未过线车禁止通行 表1 控制器的状态表

S0、S1、S2、S3状态分别分配状态编码为00、01、11、10，由此得到控制器的状态，如表1所示。

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图2画出了控制器的状态转换图，其中TL、 TS、TY为控制器的输入信号，ST为控制器的输出信号。 1.3方案论证及可行性分析 1.3.1秒脉冲信号发生器：

方案（Ⅰ）：用555定时器构成多谐振荡器。

方案（Ⅱ）：用石英晶体振荡器和分频器构成秒脉冲信号发生器。 由于用秒脉冲信号作为计数器的计时脉冲，其精度会影响计数器的精度，进而影响控制系统的精度，因此要求秒脉冲信号具有比较高的精度，为提高精度可先做一个频率比较高的矩形波振荡器，然后将其输出信号分频，就可以得到频率较低而精度比较高的脉冲信号发生器。555定时器构成多谐振荡器虽然构成方法简单，但是它的精确度却不够。石英晶体也不需要外加输入信号，而且其脉冲频率很稳定，起振快、时基精度高，它的工作频率仅决定于石英晶体的振荡频率，而与电路中的R、C的数值无关。综上考虑，秒脉冲信号发生器的设计选用方案（Ⅱ）。 1.3.2控制电路：

方案（Ⅰ）：用译码器74LS138和D触发器实现，具体用四片74LS138

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芯片构成5线—32线译码器，将个逻辑函数化为最小项后用与非门即可得到输出。不过用74LS138芯片构成5线—32线译码器的过程比较繁琐，以上三个逻辑函数化为最小项后各有16项，做起来比较难，这会给作图带了比较大的麻烦。

方案（Ⅱ）：用四选一数据选择器和D触发器实现，设A1A0 =

Q1nQ0n ，其他变量通过数据输入端输入。

由于方案一较为复杂，使用芯片较多，对系统延时较大，导致系统精度降低。所以综合考虑我们选用简单的方案（Ⅱ）

1.3.3定时器：定时器由与系统秒脉冲同步的计数器74LS161构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST作用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供M5、M25、M45信号，即TY、TS、TL的时间信号。 1.3.4显示电路：交通灯的数字显示采用倒计时，因而应采用减计数器。 采用74LS192进行减计数，然后将输出接到七段数码显示数码管DCD _HEX译码器上。每个干道需要两位数字显示。

第二章：单元电路的设计分析

2.1秒脉冲信号发生器

由555定时器构成多谐振荡器不需外加输入信号，只需接通电源，就能自动产生矩形脉冲信号，信号的频率由电路参数R、C的值决定。放电时间T1=0.7（R1+R2）C 放电时间T2=0.7R2C，故振荡频率F=1∕0.7（R1+R2）C，选择适当的R1、R2及C的值，使F＝1Hz，即可构成秒脉冲信号发生器。

用石英晶体振荡器和若干电阻电容组成频率为32768Hz的信号发生器，再用十四位二进制计数器CD4060 14进行14分频使其成为2Hz的信号，最后用D触发器进行2分频，使其成为频率为1Hz的秒脉冲信号。

因为我们选用了石英晶体振荡器因为其脉冲频率很稳定，起振快、时基精度高，它的工作频率仅决定于石英晶体的振荡频率，而与电路中的R、C的数值无关。信号发生器的电路图如下图3所示

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2.2控制电路

由逻辑分析列出状态转换表，如图所示。选用两个触发器作为时序寄存器产生四种状态，控制器的转换条件为TL、TY及TS，当控制器处于Q1nQ0n = 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和TS无关，所以无关项用“×”表示。其余情况依次类推，同时列出状态转换信号ST。

表 2 控制器的状态转换表 输入 现态 状态转换条件 次态 输出 状态转换信号 Q1nQ0n TL TY TS Q1n+1 Q0n+1 ST 201122010312 王彬彬 第 8 页 共 20 页

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0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 × × 1 × × × 0 × × 1 × × × 0 × × 1 × 0 × × 1 × 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 根据表1，写出状态方程和状态转换信号方程为：

Q1n+1 =Q1nQ0nTY + Q1nQ0n + Q1nQ0n TY

Q0n+1 = Q1n Q0nTL + Q1nQ0n + Q1nQ0nTS

ST= Q1nQ0nTL + Q1nQ0nTY + Q1nQ0nTY + Q1nQ0nTS

根据第一章的方案选择，数据选择器用74LS153，触发器用

74LS74。设计中将触发器的输出看作逻辑变量，将TL、 TS、TY看作输入信号，按照由数据选择器实现逻辑函数的方法实现以上三个逻辑函数，并将触发器的现态值加到数据选择器的选择变量端，数据选择器的输入端信号可以根据状态方程和转换信号方程得出。就可得到控制器的原理图，触发器的时钟输入端输入秒脉冲。

系统的输出是在Q1Q0驱动下的六个发光二极管，各状态与信号灯

的关系由表2给出，因此，得到二极管信号与控制器状态变量的关系为：

主干道：

MG= Q1Q0

MY= Q1Q0 MR= Q1

NR= Q1支干道：NG= Q1Q0 电路如图5所示：

NY= Q1Q0

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R=200Ω主干道信号灯MGMYMRNGNYNR支干道信号灯＆＆＆＆Q1Q174LS74RDD(1)CPLD1Q0Q074LS74RDD(2)CPLD1ST秒脉冲YA074LS153（１）A1ED0D1D2D3YA074LS153（２）AD0D1D2D3E1YA074LS153（３）A1D0D1D2D3EＴＬＴＹＴＳ１１１0图5 控制器电路图

表3信号灯与控制器状态编码表

状态 S0 S1 S2 S3 MG MY MR NG NY NR 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0

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2.3定时器

定时器由与系统秒脉冲同步的计数器74LS161构成，时钟脉冲上升沿到来时，在控制信号ST作用下，计数器从零开始计数，并向控制器提供M5、M25、M45信号，即TY、TS、TL的时间信号。

用74LS161可以级联，只需要2片即可向控制器提供M5、M25、M45的信号，倒计数可在数字显示电路中实现。当系统处于S0状态为满足支干道绿灯亮够45秒，要将M45的输出端反馈到使能端EP、ET，使它记到44时停止计数，然后转换到S1状态。而且要求计数器在状态转换信号ST的作用下，首先清零，然后开始计数，电路如图4所示。

LDA74LS161(1)QAQBQCQDRCOCP145秒定时信号TL BCDEPETCR&1DQCP&LD74LS161(2)11DQ25秒定时信号TS1CP11STAQAQBQCQDRCOCP1BCDEPETCR&1DQ5秒定时信号TYCP秒脉冲信号图4 定时器电路图

2.4显示电路

交通灯的数字显示采用倒计时，因而应采用减计数器。

采用74LS192进行减计数，然后将输出接到七段显示译码器上。每个

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干道需要两位数字显示，由于用减计数器，因而每个干道需要5片74LS

192，由表3可看出主干道74LS192 应该向七段显示译码器提供 M45（S0状态）、M5（S1状态）、M30（S2、S3状态）的倒计数，而支干道74LS192应该向七段显示译码器提供M50（S0. S1状态）、M25（S2状态）、M5（S3状态）的倒计数。74LS192的RD、LD端由Q1、Q0来控制，根据S0———S3状态改变Q1、Q0从而控制RD、LD端，使它们进行减计数和清零。CPD端输入秒脉冲信号，而CPU端输入高电平。电路如图6、7所示。

第三章：电路的安装与调试

3.1 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石英晶体振荡器及由14分频器CD4060芯片和一个D触发器共同构成的分频电路组成；定时器由两片异步四位二进制计数器74LS161芯片、三片D触发器及若干与非门、非门、与门共同组成；控制器由三片数据选择器74LS153及两片D触发器芯片构成；译码显示器由十片74LS192、四片译码管驱动芯片7447和四个七段数码管构成。驱动电路的工作。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。 3.2芯片介绍

3.2.1 74LS192芯片

CPU端是加计数器时钟信号，CPD是减计数时钟信号RD=1时无论时钟脉冲状态如何，直接完成清零功能。RD=0，LD=0时，无论时钟脉冲状态如何，输入信号将立即被送入计数器的输出端，完成预置数功能。 74LS192为加减可逆十进制计数器其功能表如下表所示:

表 5 74LS192功能表

CPU CPD RD LD 工作状态 X X 0 0 置数 ↑ 1 1 0 加计数

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1 ↑ 0 0 减计数 X X X 1 清零 3.2.2 CD4060芯片

CD4060芯片为十四位二进制串行计数器（分频器），可以用晶体振荡器与该芯片直接相接，再加上电阻和电容，就可得到稳定的频率。其管脚图如下图所示：

VCCQ10Q8Q9CRCP1CP0CP0CD4060Q12Q13Q14Q6Q5Q7Q4GND3.2.3 74LS153

74LS153是四选一数据选择器，其管脚及功能表如下：

图 8 74LS153芯片管脚图

YA1A0D0D1D274LS153D3E

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1LTRBIabcdefg主干道1LTRBIabcdefg74477447 (十位)（十位）7447(个位)A0A1A2A3≥1≥1≥1≥1A0A1A2A3≥1≥1≥1≥11QDQCQBQACOQDQCQBQACOCPUCPU1CPD74LS192BOCPD74LS192BODCBARDLD0101DCBARDLD0100QQQQCPUDCBACO1CPD74LS192BODCBARDLD0101QDQCQBQACOQDQCQBQACOCPUCPUCPD74LS192BOCPDDCBARDLD000074LS192BO秒脉冲信号DCBARDLD001111Q1Q01图6 主干道显示电路

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11&&

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1LTRBIA0≥1abcdefg支干道1LTRBIA0≥1abcdefg7447（十位）A1A2≥1≥17447（个位）A1A2≥1≥1A3≥1A3≥11QDQCQBQACOCPUCPD74LS192BOQDQCQBQACO1CPUCPD74LS192BODQCQBQACPQCOUQQQQCPUDCBACO1DQCQBQACOCPQU秒脉冲信号CPD74LS19274LS192BOBOCPDDCBARDLD001074LS192CPDBODCBARDLD0101DCBARDLD0000DCBARDLD0101DCBARDLD010111Q1Q01图7 支干道显示电路

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1&&电工课程设计——简易交通信号灯控制器

3.2.4 D触发器的逻辑符号及功能表如下：

DQ输入DXXCP01输出QQnQn01

CPQ01表7 D触发器的功能表3.2.5 总电路图

系统总电路图

第四章：结束语

4.1总结及心得体会

实验课、课程设计和毕业设计是大学阶段既互相联系有互有区别的

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三大实践性教学环节。课程设计课是针对某一门课程的要求，对学生进行综合性训练，培养学生运用课程中所学到的理论与实践紧密结合，独立地解决实际问题的能力。

通过实验课对电子元器件的认识与理解，创造性的应用于课程设计上来，培养和激发了我们的学习兴趣，提升了我们分析和解决问题的能力，通过写设计报告，我们学会了一般小论文的写作与布局方法，为以后的工作与写作打下了良好的基础。

本次课程设计我组选择的是简易交通信号控制灯的设计，我觉得该课题是有一定难度的，秒脉冲信号发生器和控制器的设计还相对简单，但是译码显示器和定时器的设计就有一定的难度了。关键是定时器的设计，要求它可以产生三种时间信号。另外译码显示器要在主干道和次干道上产生一共六个倒计时状态。所以在本课程设计时参阅了许多从图书馆借来的及网上资料。

通过本次课程设计，得到了很多收获和体会。我认识到现阶段在课堂上从书本中学到的知识都是一些很基础的，学到的东西也比较有限，离具体的应用还有相当大的差距。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。同时有使我认识到了在专业课学习过程中存在的一些不足之处，例如，对某些不常用的芯片的功能作用并不是太熟悉，以至于在应用过程中还要翻阅课本或是与此相关的资料。但是本次课程设计却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。初步培养了通过独立思考，深入研究有关问题，学会自己分析解决问题的基本能力。初步掌握了简单实用电路的分析方法和工程设计方法。在课程设计的实践中，应将自己动手实践与课堂教学结合起来，锻炼自己的理论联系实际的能力和实际动手能力，在以后的学习和工作中更要多加动手实践，以提高自己的学习和工作能力。同时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。

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

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转换还不是特别了解，还有对74LS47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。

元器件明细表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 名称 电阻 电阻 电容 电容 晶体振荡器 分频器 D触发器 D触发器 发光二极管 发光二极管 发光二极管 计数器 数据选择器 可逆计数器 七段显示译码器 型号参数 470Ω 22MΩ 22PF 0-50PF 32768Hz CD4060 74LS74 BT-101 BT-201 BT-301 74LS161 74LS153 74LS192 7447 数量 6 1 1 1 1 1 2 4 2 2 2 2 3 10 4 备注 14分频 双D触发器 绿色 红色 黄色 做减计数器 201122010312 王彬彬 第 18 页 共 20 页

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16 17 与非门 或门 74LS00 74LS32 4 5 鸣谢:

感谢我们组的所有同学在讨论方案中对我的启发 感谢邓理同学对我的技术支持

感谢党晨宇同学对我的论文提出的改进意见 感谢图书馆以及网上无偿提供的资料

参考文献

1 杨刚，周群主编. 电子系统设计与实践. 北京：电子工业出版社，2005 2 郁汉琪主编. 数字电路实验及课程设计指导书. 北京：中国电力出版社，2007

3毕满清主编. 电子技术实验与课程设计. 北京：机械工业出版社，2005 4林涛主编. 数字电子技术基础. 北京：清华大学出版社，2006 5林涛主编. 模拟电子技术基础. 重庆：重庆大学出版社，2003. 6 张桂红主编， 实用新型电子元器件，福建科学出版社，2005

7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

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评 语

评审人:

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