交通灯控制电路的设计

一、设计任务与要求

设计一个十字路口的交通灯控制器，控制A,B两条交叉道路上的车辆通行，东西方向为主干道A，南北方向为副干道B；具体要求如下：

1、每条道路设一组信号灯，每组信号灯有红、黄、绿3个灯组成，绿灯表示允许通过，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，未过停车线的车辆停止通行。

2、主干道通行40秒，南北通行时间为20秒。

3、每次变换通行车道之前，要求黄灯先亮5s，才能变换通行车道。 4、黄灯亮时，要求每秒闪烁一次。

二、方案设计与论证

首先根据设计的任务与要求，经过分析得出要设计的这个交通灯控制电路的功能满足以下几点：

1、控制主干道A与副干道B的信号灯的亮灭。2、可以对主干道与副干道的信号灯亮的时间进行倒数计时。3、实现黄灯的每秒闪烁。因此我们可以知道此电路应包含振荡电路、计数器电路、译码显示、主控制电路和信号灯译码驱动器等五个部分，并分析其原理图如图1所示并作出以下两种方案。 振荡电方案一：

将整个电路工作循环周期65S作为总时间，用74LS192芯片在此基础上进行分段，依次是40S主干道绿灯亮副干道红灯亮，5S主干道黄灯闪烁，20S支干道红灯亮副干道绿灯亮，5S副干道黄灯闪烁。再根据每一段的输出信号不同用基本逻辑门电路连接交通灯来实

译码显计数器电主控制电图1 信号灯译码驱现每段时间不同的灯亮。此方案易于分析理解，缺点是相对于第二种方案可操作行比较差，需要的原件比较多，看起来比较复杂，不易实现，同时性价比较低。

方案二：

对红绿灯时段分别倒数计时，运用红绿灯变化时的高低电平对74LS192芯片进行置数，使之能分别进行40S、5S、20S倒数计时，再通过74LS160芯片的输出端进行各种逻辑组合运算控制红黄绿三种灯的亮灭，通过555定时器提供的脉冲信号控制黄灯的闪烁。此方案与方案一相比更易操作，用到的逻辑运算器件也比方案一要少，现实应用时可用性好，性价比较高。

三、单元电路设计与参数计算

1、振荡电路

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件，具有成本低，性能可靠的优点，只需外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

555定时器的功能表如下：

脉冲信号源选用555定时器产生，频率为1Hz,根据555定时器构成的多谐振荡器原理，可得出公式：振荡周期为T=0.7(R1+R2)C和振荡频率为f=1/T。各项数据可为R1=47KΩ，R2=51KΩ，C1=10uF,C2=10nF,根据555定时器的功能实现效果来连接电路，其电路图如图2所示。

图2振荡电路

图2

2、计数器电路

电路工作循环周期为65S，，主干道红灯为20S，绿灯为40S，副干道上红灯40S，绿灯20S，黄灯5S，本设计我选用了74LS192和74LS160，74LS192芯片具有倒数计时清零置数功能，用来进行倒数计时，74LS192的引脚排列和逻辑符号如下图所示：

图中：其中CPu为加法计数端，CPn为减法计数端，P0、P1、P2、P3为计数器输入端，MR为清除端，Q1、Q2、Q3、Q4为数据输出端。

74LS192的功能表如下：

74LS160是加法计数器用来进行同步计数来控制信号灯的亮灭。74LS160的功能表如下：

其中当使能端EP=ET=1时，为计数状态。

计时器电路分两部分，倒数计时部分和加法计时部分。倒数计时部分电路如图3所示，加法计时部分电路如图4所示。

图3 图4

3、译码显示

此部分电路的作用是将倒数计数器电路中的数值通过数码显示管显示出来便于人们可以直接观察，此电路通过555定时器输入脉冲信号到74LS192芯片再接数码显示管，使数值以倒数计时方式显示出来，预置主干道显示器为40秒，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，然后预置主干道显示器为5秒，然后以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，接着副干道分别预置20秒和5秒，以每秒减1计数方式工作，直至减到数为“0”，一次工作循环结束，而进入下一方向的工作循环。其电路图如图5所示。

图5译码显示电路

4、主控制电路

主控制电路主要是74LS192芯片输出的信号到数码显示管，每次计时完成后此输出信号通过基本逻辑运算对74LS192和74LS160芯片进行重新置数使得整个交通灯控制系统能循环的进行下去。其电路图如图6所示。

图6主控制电路

5、信号灯译码器电路

此部分电路是为了将计数器输出的信号转变为红黄绿三种颜色的灯变化所需的信号，通过计数器74LS160输出的信号进行基本逻辑运算控制红灯和绿灯的亮灭，黄灯的闪烁则是通过74LS160输出地信号和555定时器所产生的脉冲信号进行逻辑运算实现的。其电路图如图7所示。

图7信号灯译码器电路

四、总电路工作原理及元器件清单

1．总原理图

2．电路完整工作过程描述（总体工作原理）

该电路的工作原理：刚开始时，计数器74LS160的输入端全部接地，通过计数器74LS160输出的信号进行基本逻辑运算控制红灯和绿灯的亮灭，黄灯的闪烁则是通过74LS160输出地信号和555定时器所产生的脉冲信号进行逻辑运算实现的。同时计数器74LS160输出的信号经过逻辑器件的关系控制作为计数器74LS192的输入，计数器74LS192会预置数40秒，然后在信号脉冲的作用下和555定时器的共同作用下开始进行倒计时，当倒计时倒为零时，每次计时完成后此输出信号通过基本逻辑运算对74LS192和74LS160芯片进行重新置数使得整个交通灯控制系统能循环的进行下去。从而实现对主干道，副干道的绿灯、黄灯和红灯的亮灭的控制，让它实现我们想要的功能。 3．元件清单

元件序号 型号 U1，U2 U3 U4 U5 U6 U7 U8 U9，U10 U11 U12 U13 U14,U15 74LS192 7432 7433 7403 74LS160 7404 7SEG-BCD 7408 555 res cap TRAFFICLIGHTS 主要参数 数量 2 4 2 1 1 4 2 8 1 2 2 2 备注 计数器 或门 或非门 与非门 计数器 非门 数码管 与门 定时器 电阻 电容 交通灯 47k,51k 10nF,10uF 五、仿真调试与分析

在proteus软件中对电路进行了仿真调试，得到了测试效果如图8到图11所示四种状态。由于74LS192芯片可以进行倒数计时，74LS160芯片的输入端全部接地，故信号灯的输入信号是由这两种芯片的信号以及555定时器所产生的脉冲信号进行各种逻辑运算得到的，总共可得到以下几种结果：

1、前40S内主干道绿灯亮，副干道红灯亮，见图8；

图8

2、中间5S主干道黄灯闪烁，副干道红灯亮，见图9；

图9

3、后20S内主干道红灯亮，副干道红灯亮，见图10；

图10

4、最后5S主干道红灯亮，副干道黄灯闪烁，见图11；

图11

六、结论与心得

结论：

交通灯的整体控制电路经过Proteus软件的测试，倒计时以及信号灯变化等功能均可实现，只要开始接通电路，电路便可自动运行，主干道先倒计时40S且绿灯亮，副干道倒计时40S且红灯亮，主干道的车辆可以自由通行；然后主干道黄灯闪烁5S副干道红灯不变，这能够提醒主干道过线的车辆快速穿越；接着副干道倒计时20S且绿灯亮，同时主干道倒计时20S且红灯亮，副干道的车辆可以自由通行；最后副干道黄灯闪烁5S且主干道红灯不变，这能够提醒副干道过线的车辆快速穿越。仿真结果得到预期效果，达到设计要求。

心得：

这次设计交通灯控制电路，可以说给我带来了很大的体会。刚开始的时候，不知道从何做起，不知道怎么设计方案。于是，就去查找资料，包括翻阅相关的书籍和上网查看，慢慢地才理清了一点头绪。做了几个方案都没有想要的效果，心里很着急，但最终还是冷静了下来，再慢慢地分析，在两个方案之间，终于敲定了一个方案。中间遇到了很多的问

题，比如怎样设计主控电路、信号发生器怎样设计、所用的芯片的功能如何、需要的原件有什么、实际接上电路总是实现不了想要的效果等等问题。但都慢慢地理清里面的各种关系，思考着怎么做，需要什么东西，不断地动手尝试，寻找失败的原因，追寻成功的原理，一步一步地坚持了下来，达到了效果，完成了想要得到的东西，心中甚是高兴。

总之，经过这次的设计，我不但巩固了前面所学到的知识，知道了知识的重要；也培养了我解决问题的能力，提高了动手的能力，将书本上的东西变活，并且深刻地认识到，实践是检验真理的唯一标准；同时寻找帮助也是很重要的，认真去做的话，问题终究是可以解决的。

七、参考文献

[1]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社 [2]靳孝峰主编.数字电子技术基础，哈尔滨工程大学出版社，2010年

[3]李银华主编.电子线路设计指导.[M]北京：北京航空航天大学出版社，2006年 [4]李继凯杨艳编着.数字电子技术及应用，科学出版社

[5]李秀人主编.电子技术实训指导.[M]西安：国防工业出版社，2006年