Ganxi Vocational Institue of Science of Technology 专科毕业论文
基于数字电路交通信号灯的设计Design of digital circuits based on traffic lights
系（院）名称：电子计算机系
专业班级： 09级统招电子班
学生姓名：
指导教师姓名：
指导教师职称：
2011年10 月
基于数字电路交通信号灯的设计
摘要随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。
随着经济的快速发展，城市中的车辆逐渐增多，交拥挤和堵塞现象日趋严重，引起交通事故频发、环境污染加剧等一系列问题，高效的交通灯智能控制系统是解决城市交通问题的关键。本次设计的交通信号灯自动控制系统是由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路几部分组成。
关键词：交通信号灯自动控制时钟信号发生器主控制器
Design of digital circuits based on traffic lights
Abstract With the development of various modes of transport and traffic needs, the first worthy of the three color lamp (red, yellow, green, three kinds of signs) in 1918, was born. It is three-colored circle four projectors, was installed on Fifth Street in New York City on a high tower, because it was born, making urban transportation improved significantly. With the rapid development of economy, vehicles in the city on the rise, congestion and jams increasing gravity, causing frequent traffic accidents, environmental pollution and other problems, efficient traffic lights intelligence control system is the key to solving the problems of urban transport. The design of automatic control system of traffic lights is determined by a clock signal generator, counter, host controllers, signal lamp driving circuit for decoding and digital display consists of driving circuit for decoding.
Key words：Traffic lights Automatic control The clock signal generator The controller
目录
一、交通信号灯的设计目的以及要求 (2)
1.课程设计目的 (2)
2.课程设计内容及要求 (2)
二、交通信号灯基本原理及设计方法 (3)
三、主控制器 (6)
3.174LS90逻辑图与引脚排列图 (6)
3.274LS90的功能表及引脚功能 (7)
四、计数器 (10)
4.1计数器的作用 (10)
4.2计数器的工作情况 (10)
4.3控制信号灯的译码电路的真值表与其译码电路的逻辑图 (11)
4.4置数电路 (12)
五、译码显示电路 (15)
5.1共阳极LED七段数码管 (15)
5.274LS247译码器 (16)
六、555振荡器构成的秒脉冲电路 (20)
6.1555定时器的引脚 (20)
6.2555定时器构成的多谐振荡器 (22)
6.3555定时器工作原理 (23)
七、交通灯信号灯控制总体框图 (25)
八、组装和调试过程 (26)
总结 (27)
致谢 (28)
参考文献： (29)
引言
黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。
中国最早的马路红绿灯，是于1908年出现在上海的英租。从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。
当前，大量的信号灯电路正向着数字化、小功率、多样化、方便人、车、路三者关系的协调、多值化方向发展。随着社会经济的快速发展，城市的车辆逐渐增多，交通拥挤和堵塞现象日趋严重，引起交通事故频发，环境污染加剧等一系列问题，高效的交通灯智能控制系统是解决城市交通问题的关键。本设计采用数字电路来实现交通信号灯的自动控制，控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路五部分组成。
一、交通信号灯的设计目的以及要求
1. 课程设计目的
（1）培养数字电路的的设计能力。
（2）掌握交通信号灯控制电路的设计、组装和调试方法。
2. 课程设计内容及要求
（1）设计一个交通信号灯控制电路。要求：
1> 主干道和支干道交替放行，主干道每次放行30s,支干道每次放行20s；
2> 每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s，此时原红灯不变；
3> 用十进制数字显示放行及等待时间；
4> 在实践中运用理论知识，培养实际动手能力。
二、交通信号灯基本原理及设计方法
十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全通行。有一个主干道和一个支干道的十字路口如图所示。每边都设置了红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示可以通行，在绿灯变红灯时先要求黄灯亮几秒钟，以便让停
车线以外的车辆停止运行。因为主干道上的车辆多，所以主干道放行的时间要长。
黄干
路口交通指挥系统示意图
要实现上述交通信号灯的自动控制，则要求控制电路由时钟信号发生器、计数器、主控制器、信号灯译码驱动电路和数字显示译码驱动电路几部分组成，整机电路的原理框图如图所示
交通信号灯控制电路框图
十字路口车辆运行情况只有4种可能：①设开始时主干道通行，支干道不通行，这种情况下主绿灯和支红灯亮，持续时间为30s；②30s后，主干道停车，支干道仍不通行，这种情况下主黄灯和支红灯亮，持续时间为5s；③5s后，主干道不通行，支干道通行，这种情况下主红灯和支绿灯亮，持续时间为20s；④20s后，主干道仍不通行，支干道停车，这种情况下主红灯和支黄灯亮，持续时间为5s。5s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有4种状态，设这4种状态依次为：S0、S1、S2、S3。状态转换图如图所示。
设主干道通行时间为N1，支干道通行时间为N2，主、支干道黄色信号灯等待的时间均为N3，按主、支干道通行的时间来看，设置N1﹥N2﹥N3。系统工作流程图如图所示。
系统工作流程图
三、主控制器
3.1 74LS90逻辑图与引脚排列图
设S0=00，S1=01，S2=10，S3=11。实现这4个状态的电路，可用两个触发器构成，也可用一个二--十进制计数器或二进制计数器构成。我采用二--十进制计数器74LS90实现。
采用反馈归零法构成4进制计数器,即可从输出端Q
B Q
A
得到所要求的4个状
态。逻辑图、74LS90管脚排列图如下图所示。为以后叙述方便，设X1=Q
B ,X0=Q
A
。
X 1 X
主控制器的逻辑图
74LS90管脚排列图3.2 74LS90的功能表及引脚功能
74LS90功能表
如表74LS90功能表：74LS90逻辑功能为
(1)计数脉冲从CP0输入，QA作为输出端，为二进制计数器。
(2)计数脉冲从CP1输入，QDQCQB作为输出端，为异步五进制加法计数器。
(3)若将CP1和QA相连，计数脉冲由CP0输入，QD、QC、QB、QA作为输出端，
则构成异步8421码十进制加法计数器。
(4)若将CP0与QD相连，计数脉冲由CP1输入，QA、QD、QC、QB作为输出端，
则构成异步5421码十进制加法计数器。
(5)清零、置9功能。
a) 异步清零
当R0(1)、R0(2)均为“1”；S9(1)、S9(2)中有“0”时，实现异步清零功能，即QDQCQBQA＝0000。
b) 置9功能
当S9(1)、S9(2)均为“1”；R0(1)、R0(2)中有“0”时，实现置9功能，即QDQCQBQA＝1001。
四、计数器
4.1计数器的作用
计数器的作用有二：一是根据主干道和支干道车辆运行时间以及黄灯切换时间的要求，进行30s、20s、5s 3种方式的计数；二是向主控制器发出状态转换信号，主控制器根据状态转换信号进行状态转换。
4.2计数器的工作情况
计数器除需要秒脉冲作时钟信号外，还应受主控制器的状态控制。计数器的工作情况为：计数器在主控制器进入状态S0时开始30s计数；30s后产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S1，计数器开始5s计数；5s后又产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S2，计数器开始20s计数；20s后也产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器进入状态S3，计数器又开始5s计数；5s后同样产生归零脉冲，并向主控制器发出状态转换信号，使计数器归零，主控制器回到状态S0，开始新一轮循环。
根据以上分析，设30s、20s、5s计数的归零信号分别为A、B、C，则计数器的归零信号L为：
L=A+B+C
其中：
A=S
0 Q
B2
Q
A2
=Q
B2
Q
A2
B=S
2 Q
B2
= Q
B2
C=S
1 Q
C1
Q
A1
+S
3
Q
C1
Q
A1
= X
Q
C1
Q
A1
考虑到主控制器的状态转换为下降沿触发，将L取反后送到主控制器的CP 端作为主控制器的状态转换信号。可选用集成异步十进制加法记数器(74LS90)。计数器
CP
.
.
计数器(利用74LS90正计数功能)
4.3控制信号灯的译码电路的真值表与其译码电路的逻辑图
主控制器的4种状态分别要控制主、支干道红、黄、绿灯的亮与灭。设灯亮
为1，灯灭为0，则控制信号灯的译码电路的真值表如下表所示。
控制信号灯的译码电路的真值表
由真值表可分别写出各个灯的逻辑表达式为：
R=S2+S3=X1X0+X1X0=X1
Y=S1=X1X0
r=S0+S1=X1X0 X1X0= X1
y=S3=X1X0
g=S2=X1X0
控制信号灯的译码电路
4.4置数电路
根据功能要求采用以下逻辑门电路构成：
门电路是数字逻辑电路的基本组成单元，门电路按逻辑功能可分为：与门、
或门、非门以及与非门、或非门、异或门、同或门、与或非门。若按电路结构组成的不同，可分为立元件门电路、CMOS集成门电路、TTL集成门电路等。各种集成门电路通常都封装在集成芯片内。此次设计采用的集成电路有74LS04、74LS00、74LS20引脚排列图如下图所示这些集成电路的封装形式均为双列直插式。为双列直插式集成电路的右下方通常是地线GND，左上方引脚一般是电源线VCC，其它引脚的用途如图中符号所示，每个集成电路都有自己的代号，与代号对应的名称形象地说明了集成电路的用途。如74LS00是二输入端四与非门，它说明这个集成电路中包含四个二输入端的与非门。74LS04、74LS00、74LS20引脚图如下图所示：
12345678
9
10
11
12
13
14
74l s04
vcc
GND 74LS04六非门引脚排列图
12345678
9
10
11
12
13
14
74l s00
vcc
GND 74LS00四入与非门引脚排列图
1
2
3
4
567
8
9101112131474ls20
vcc
GND
2D 2C NC
2B 2A 2Y
1A 1B NC 1C 1D 1Y
74LS20四输出与非门引脚排列图
五、译码显示电路
译码显示电路主要是由共阳极LED七段数码管与74LS247译码器组成。
5.1共阳极LED七段数码管
数码管分为共阳极结构和共阴极结构。若显示器共阳极连接，则对应阳极接高电平的字段发光；而显示器共阴极连接，则接低电平的字段发光。
此次设计采用的是共阳极连接如图
共阳极数码管接法5.2 74LS247译码器
74LS247管脚功能排列图1. 以下介绍各引脚的功能：