【电子电路综合设计】设计一个十字路口的交通灯控制器

1. 选题要求与任务分析
   1. 课程设计要求

设计一个十字路口的交通灯控制器，控制主、次两条交叉道路上的车辆通行，具体要求如下：

1. 在十字路口，主、次干道分别设置一组信号灯，每组信号灯由红、黄、绿灯组成，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，未过停车线的车辆停止通行。
2. 主、次干道交替通行，主干道每次放行30s，次干道每次放行20s。
3. 每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s（此时另一干道上的红灯不变）。
4. 在黄灯亮时，原红灯按1Hz的频率闪烁。
   1. 设计意义

通过自动控制交通灯，对主次干道地车辆进行分流，防止交叉路口发生交通事故，确保交叉路口的车辆有序地、安全地通行。

1. 1. 任务分析

如果使用FPGA或者单片机来完成的话，会简单很多，但这是电子电路的课程设计，则需要通过优化设计电路构建交通灯自动控制电路，需采用的是使用常规的计数器，触发器，门电路等基本器件搭建。其主要由秒脉冲发生器、计数器模块、译码显示模块、状态转换模块、译码模块等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中计数器模块、状态转换的标准时钟信号源，计数器模块主要为状态转换模块提供两个转换信号，译码显示模块将计数器的计数状态译码并通过数码管进行显示，状态转换模块是系统的主要部分，由它控制红绿灯四个状态之间的转换，译码模块将状态转换模块所处状态进行译码，并驱动红绿灯进行状态显示。

1. 系统方案设计
   1. 系统设计思路及工作原理

交通灯控制系统的原理框图如图1所示。主要由秒脉冲发生器、计数器模块、译码显示模块、状态转换模块、译码模块、逻辑门电路、信号灯等部分组成。

图1 交通灯控制系统原理图

秒脉冲发生器是该系统中计数器模块、状态转换的标准时钟信号源，计数器模块主要为状态转换模块提供两个转换信号。译码显示模块将计数器的计数状态译码并通过数码管进行显示，状态转换模块是系统的主要部分，由它控制红绿灯四个状态之间的转换，逻辑门电路将状态转换模块所处状态进行运算，并驱动红绿灯进行状态显示。

1. 1. 系统设计方案的评估与选择

设计方案一：

本设计为交通灯系统。首先考虑设计秒脉冲发生器，通过计算公式对555定时器和一些分立元件组合设计，使其产生 1Hz的方波信号，作为后面电路的稳定时钟触发信号，其次是计时器的设计，使用两片74LS74N级联组成双D触发器作为系统的主控制电路是整个系统的切换状态的核心，控制信号灯的工作状态，使用74LS153D数据选择器可预置的定时数值，最后是译码输出数码管，通过逻辑门选择使用 LED灯显示。

设计方案二：

同样也是555定时器和一些分立元件组合设计作为秒脉冲发生器，使其产生 1Hz的方波信号，作为后面电路的时钟触发信号其次是计时器的设计，使用两片74LS192级联组成十六进制的计数器；系统的主控制电路是整个系统的核心，控制信号灯的工作状态，使用74LS153D数据选择器和74LS161D四位二进制可预置的同步加法计数器（作为状态转换）以及逻辑门电路（与、或、非）组成主控电路：最后是译码输出，选择使用 LED灯显示。

方案的比较：

通过以上方案的比较，方案一更适合。方案一其结构简单，设计方便，同时实验条件下可以满足要求，且元器件构成简单。方案二则逻辑门电路设计构成较为繁琐，此方案虽然可以稳定进行交通灯显示。我们选择方案一做为实现方案。

1. 具体电路设计
   1. 秒脉冲信号发生器

秒脉冲发生器由555定时器构成的多谐振荡器产生，振荡频率为：

当T=1s时，R1=4.7KΩ、C1=10uF，取一个固定电阻4.7KΩ与一个100KΩ的电位器作为R2。通过电位器调节电阻，使脉冲周期为1s。秒脉冲信号发生器如图2所示。

图2 秒脉冲信号发生器

1. 1. 状态转换器

状态转换器是交通管理的核心，它能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。本项目中我们采用两片74LS74双D触发器作为状态转换，如图3所示。

图3 状态转换器

状态转换模块状态转换的条件为CLK，当状态转换模块处于QBnQAn= 00状态时，如果CLK= 0,则状态转换模块保持在00状态;如果CLK=1，则状态转换模块的状态转换到QBn+QAn+1= 01状态。其余情况依次类推。状态转换表如表2所示。

表2 状态转换表

现态		转换条件	次态
QBn	QAn	CLK	QBn+1	QAn+1
0	0	0	0	0
0	0	1	0	1
0	1	1	1	0
1	0	1	1	1

1. 1. 控制器

 根据上面状态转换器所提供的状态，作为数据选择器74LS153，用数据选择器74LS153来作为计数器74LS192的控制信号。电路逻辑图如图4所示：

图4 控制器

控制器的作用就是产生数据作为计数器的预置数，并循环输出。本次我们所需要的定时状态循环为：30-5-20-5。由于我们要控制两个计数器，所以要选用74LS153数据选择器产生数据。74LS153数据选择器功能表如表3所示。

表3 74LS153功能表

输入			输出
`G	B	A	Y
1	×	×	0
0	0	0	C0
0	0	1	C1
0	1	0	C2
0	1	1	C3

本项目中使能端1G=2G=0，设置为多开关输出；A、B为公有的地址输入端，即状态转换器的输出接到此处，用于产生数据输出。高位的74LS153 数据端口1C0 1C1 1C2 1C3分别设置为1000，2C0 2C1 2C2 2C3分别设置为1010，数据输出Y分别为11，00，01，00，提供十位计数器的输入；低位的74LS153 数据端口1C0 1C1 1C2 1C3分别设置为0101，2C0 2C1 2C2 2C3分别设置为0101，数据输出Y分别为00，11，00，11，提供个位计数器的输入。

另外，要想改变此处定时时间，就应该更改74LS153的预置输入电平，因此在原理图处加入自锁开关电路接74LS153预置输入电平口。

1. 1. 计数器

由两片74LS192构成十进制异步计数器，74LS192为异步置数计数器，要求采用倒计时计数，电路逻辑图如图5所示。

图5 计数器

74LS192数据选择器功能表如表4所示。

表4 74LS192功能表

输入								输出
CLR	LOAD	UP	DOWN	D	C	B	A	QD	QC	QB	QA
1	×	×	×	×	×	×	×	0	0	0	0
0	0	×	×	D	C	B	A	D	C	B	A
0	1	-	1	×	×	×	×	加计数
0	1	1	-	×	×	×	×	减计数

本项目只需要用减计数的功能，所以置零端CLR接低电平，低位74LS192芯片的DOWN通过555定时输出的脉冲信号作为驱动，用低位74LS192芯片的借位端BO驱动高位74LS192的减计数时钟端DOWN，完成芯片之间的级联。当两片74LS192芯片的借位端BO都有效时，对两片74LS192芯片进行置数，即LOAD=BO0*BO1,减计数端DOWN接秒脉冲模块输出信号，加计数端UP接高电平。

1. 1. 显示模块

数码管显示模块由两个74LS47和两个共阳极数码管组成，用于显示十位数和个位数。电路逻辑图如图6所示。

图6 显示模块

74LS47译码器功能表如表5所示。

表5 74LS47功能表

数码	输入							输出
	LT	RBI	D	C	B	A	BI/RBO	OA	OB	OC	OD	OE	OF	OG
0	1	1	0	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	1
1	1	1	0	0	0	1	1	1	0	0	1	1	1	1
2	1	1	0	0	1	0	1	0	0	1	0	0	1	0
3	1	1	0	0	1	1	1	0	0	0	0	1	1	0
4	1	1	0	1	0	0	1	1	0	0	1	1	0	0
5	1	1	0	1	0	1	1	0	1	0	0	1	0	0
6	1	1	0	1	1	0	1	1	1	0	0	0	0	0
7	1	1	0	1	1	1	1	0	0	0	1	1	1	1
8	1	1	1	0	0	0	1	0	0	0	0	0	0	0
9	1	1	1	0	0	1	1	0	0	0	1	1	0	0

通过计数器的QAQBQCQD输出端与译码器ABCD输入端相连，再将译码器的QAQBQCQDQEQFQG的输出端与数码管ABCDEFG输入端连接，显示出时间。

1. 1. 交通灯

交通灯为绿、黄、红三种颜色，主次干道各一组。为了实现灯状态的有序转换，我们设计了逻辑门电路配合状态转换器及555定时器来控制灯的状态。电路逻辑图如图7所示。

图7 交通灯电路

利用状态转换器输出QBQA在00 →01 →10 →11的循环，分别代表主次干道红绿灯的状态。利用555定时器的输出脉冲，给红灯闪烁提供时钟信号。表6为状态转换器对应的灯的状态。

表6交通灯状态表

QBQA	R1G1Y1	R2G2Y2	主干道	次干道	时间（s）
00	010	100	绿灯亮	红灯亮	30s
01	001	100	黄灯亮	红灯闪	5s
10	100	010	红灯亮	绿灯亮	20s
11	100	001	红灯闪	黄灯亮	5s

由此可以得出它们的逻辑表达式：

G1R2=(A’+B)’

Y1R2=(A’B)

R1G2=AB

R1Y2=(A+B)’

由于黄灯亮时，原红灯要以1HZ的频率闪烁，故当Y1=1时即主干道的黄灯亮起时，次干道的红灯应该闪烁，此时它的逻辑表达式应为R2 = 秒脉冲*Y1 + G1。同理可知，R1 = 秒脉冲*Y2 + G2。总原理电路图如图8所示。

图8 总原理电路图

1. 作品调试过程与结果
   1. 仿真的过程与仿真结果

本次仿真用的软件地Multisim14.0，主干道绿灯亮，次干道红灯亮，持续30s，如图9所示：

图9 仿真效果1

主干道黄灯亮，次干道红灯闪，持续5s，如图10所示：

图10 仿真效果2

主干道红灯亮，次干道绿灯亮，持续20s，如图11所示：

图11 仿真效果3

主干道红灯闪，次干道黄灯亮，持续5s，如图12所示：

图12 仿真效果4

1. 1. 实物制作

原件清单如表7所示：

表7 元器件清单

序号	器件名称	数量	备注
1	计数器74LS192	2	U2,U3
2	译码器74LS47	2	U4,U5
3	选择器74LS153	3	U6,U7,U8,U9
5	计数器74LS161	1	U10
6	或门74LS32	1	U13
7	与门74LS08	1	U12
8	非门74LS04	1	U11
9	555定时器	1	U1
10	LED	12	D1~D12
11	数码管	2	LED1,LED2
12	自锁开关	16	S1~S16
13	电阻、电容	若干	-
14	自锁开关	1	SW
15	USB插孔	1	USB1
16	排针，排母	若干	-

1. 1. 电路性能测试与结果分析
2. 电路性能测试：

555时钟电路的调试：将R1、R2、R3、C按照原理图与555连接，利用示波器测量555的3脚并且观察输出周期为1s的方波波形。

计数器的调试：计数器由两个同步十进制可逆计数器74LS192组成，根据74LS192的原理，将两片级联成100进制的减法计数器。由于四种红绿灯的状态对应着不同的时间，故计数器需要通过在不同的情况下实现不同的置数，而不同的置数数据由数据选择器和Q1决定。可以测量74LS135双四选一数据选择器的输出Y2、Y1的状态在Y1Y2在10—00—01—00循环，和74LS161的Q2Q1在00—01—10—11循环。

修改定时时间的调试：通过自锁开关的按下以及松开，观察定时时间时候按照8421码进行改变。

1. 结果分析：

转动电位器能够改变555定时器输出频率，当接+5V直流电源，电路进入主、次干道循环工作状态即主次干道灯显示时间如表8所示。改变自锁开关状态能够实现主路支路的时间。

表8 状态转换

主干道	次干道	时间（s）
红灯闪	黄灯亮	5s
绿灯亮	红灯亮	30s
黄灯亮	红灯闪	5s
红灯亮	绿灯亮	20s