十字路口交通灯控制电路的设计讲解

目录
1．设计的任务与要求 (1)
2. 方案论证与选择 (2)
3.单元电路的设计和元器件的选择 (6)
3.1 五秒倒计时减数电路的设计 (6)
3.2 二十秒倒计时减数电路的设计 (9)
3.3三十秒倒计时减数电路的设计 (10)
3.4 状态译码电路的设计 (11)
3.5交通灯状态显示电路的设计 (13)
3.6交通灯定时电路的设计 (15)
3.7 交通灯故障检测电路的设计 (21)
3.8状态控制器电路的设计 (23)
3.9人行道的指示灯电路的设计 (24)
3.10 紧急情况时，手动开关控制电路的设计 (26)
3.11干道通行时间调整电路的设计 (27)
3.12 手动清零及数字闪烁电路的设计 (28)
3.13主要元器件的选择 (30)
4.系统电路总图 (30)
5.经验体会 (30)
6.参考文献 (32)
附录A：系统电路仿真图 (33)
附录B：元器件清单 (35)
十字路口交通灯控制电路的设计
1.设计任务与要求
1.1 设计目的
随着生活水平的提高，家庭汽车拥有量越来越多，城市交通堵塞问题越来越严重，解决城市的交通拥挤问题越来越紧迫。

交通灯在这个交通环境中起着一个重要的角色，是交通管理部门管理交通的重要工具。

十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行。

智能的交通灯能有效地缓解城市的交通压力，减少交通事故；为人民节省大量出行时间，创造出更多的社会价值。

本文运用数字电路理论知识自行设计一个较为完整的小型数字系统。

通过系统设计、Multisim软件仿真、电路安排与调试，在此次设计中学会初步掌握工程设计的具体步骤和方法，提高分析问题和解决问题的能力，以及提高实际应用水平。

1.2 设计内容
1.设计一个十字路口的交通灯控制电路，十字路口分为主干
道、次干道，两干道交替运行，红灯亮表示禁止通行，绿
灯亮表示可以通行。

主干道放行时间为30秒，次干道为
20秒。

2. 每次绿灯变红灯，黄灯先亮5秒（另外一条道上依然是红
灯）。

3. 干道上有数字显示的时间提示，方便人们把握时间，具体
要求主、次道上通行时间和黄灯亮都是秒减计数。

4. 黄灯亮时，红灯闪烁。

6．同时设置人行横道红、绿、黄灯提示，并且绿灯闪烁。

7. 考虑到特殊车辆情况，可设置一个紧急转换开头。

它可使
紧急红灯闪烁，蜂鸣器提示。

8. 可适当设置干道通行时间，两个方向能根据车流量大小自
动调节通行时间，车流量大，通行时间长，车流量小，通行时间短。

9. 时间显示，手动清零，以及用七段数码显示管的显示管数
字闪烁。

10. 设计故障检查电路。

1.3 设计要求
1.用Multisim仿真软件仿真电路，并进行调试；
2.写出设计的全过程，附上有关电路图和资料，最后有心
得体会。

3.附带元器件及参数；
2.方案论证与选择
2.1十字路口交通灯的系统设计
十字路口交通灯的系统图如图1，秒脉冲发生器产生整个定
时系统的基脉冲，由减法计数器对显示时间减数达到控制每种工
作状态的持续时间，当减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成
状态转换，与此同时，状态译码器根据系统的下一个工作状态决
定下一个减计数的初始值。

减法计数器的状态有BCD译码器、
显示管显示。

在黄灯亮期间，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制
电路，让红灯闪烁。

图1 十字路口交通灯的系统图
2.2 十字路口交通灯的状态控制器设计
十字路口交通灯信号流程图见图2,可将其分为四种状态。

0A 表示主干道绿灯亮，次干道红灯亮。

1A 表示主干道黄灯亮，次干道红闪烁。

2A 表示主干道红灯亮，次干道绿灯亮。

3A 表示主干道红灯闪烁，次干道黄灯亮。

状态编码及状态转换图如下：
图2 交通灯信号流程图
2.3 DCD_HEX与七段数码显示管
Multisim中，两者之间都可显示，它们各有优势，显然七段数码显示显示管可在电路中实现更多的功能，比如实现数字闪烁。

具体见
所以我选取了DCD_HEX来进行定时电路的显示，使用方法见图3，使用方法如下：
图3 七段数码管显示图
2.4秒脉冲发生器
通常，秒脉冲发生器选择如图4，它们都能产生方波。

其中555定时器很精确，但在此次方正过程中，我采用右边的脉冲发生器作为秒脉冲发生器。

图4 秒脉冲发生器
3.单元电路的设计和元器件的选择
3.1五倒计时减数电路的设计
由74LS192D、DCD_HEX、74LS32D、方波发生器等组成。

其中DCD_HEX是十六进制的显示管，74LS32D是或门，74LS192D的功能如下所述。

具体电路见图5。

减数器的实现：
根据74LS192D的特点，脉冲从DOWN端接入。

置入0101后实现减数功能，当减到数码管显示为零，通过或门实现置数端为低电平，将0101置入。

图5 五秒倒计时电路图仿真图
74LS192D的引脚图见图6，真值表见图7。

图6 74LS192D的引脚图
图7 74LS192D的真值表
功能叙述：74LS192D管脚图中，QA、QB、QC、QD为计数
输出端；DOWN为减脉冲输入端，UP为加脉冲输入端；CLR为清零端，当该管脚为高电平时，输出端清零，为0000；A、B、C、D 用于为计数器预置初始计数值；LOAD端为置数端，低电平有效，输出端分别为输入端A、B、C、D的电平。

BO用于输出一个宽度
等于减计数输入的脉冲，用于级联下级减计数，CO用于输出一个宽度等于加计数输入的脉冲，用于级联下级加计数。

3.2 二十秒倒计时电路的设计
由74LS192D、DCD_HEX、方波发生器、74LS00D 组成。

Multisim仿真电
路图见图8。

实现原理：由于是两位数，需要两个DCD_HEX来显示倒计
时时间，
74LS192D也需要两个。

如图所示，低位芯片借位端BO连接
高位的减脉冲输
入端DOWN，这样可以实现借位。

当高位为0时，低位再次借
位是，在那一
瞬间高位出现9，而马上由与非门置为2或3。

加脉冲端UP
端接高电平，清
零端CLR接低电平。

图8 二十秒倒计时电路仿真图
3.3 三十进制减数电路设计
由74LS192D、DCD_HEX、方波发生器、74LS00D 组成。

其实现原理同3.2。

它们只不过置数端有所差异。

3.2高位芯片置入0010，而在这高位芯片置入0011。

Multisim仿真电路图见图9。

图9 三十秒倒计时电路仿真图3.4 状态译码电路的设计
主、次干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。

真值表如下：
表1 状态译码电路设计原理
由真值表得逻辑表达式如下：
主干道红黄绿灯：
2R Q =
2R Q =
；
21Y Q Q =• 21Y Q Q =• ； 21G Q Q =•
21G Q Q =•
；
次干道红黄绿灯：
2r Q =
2r Q =
； 21y Q Q =• 21y Q Q =•
；
21g Q Q =•
21g Q Q =•
；
3.5 交通灯状态显示电路的设计
主要元件有：红、黄、绿指示灯、三态门电路74LS125N 、电阻构成。

在设计中，我采用了彩色指示灯（或发光二极管）模拟交通灯，状态译码器电路见下图。

由3.3的信号灯真值表可知，当黄灯亮时，红灯闪烁，无论如何，黄灯亮时，1Q 一定是为高电平，即1Q 为低电平，这样就可利用1Q 信号去控制三态输出高有效四总线缓冲门（74LS125N ）引脚图见下，当1Q 为高电平时，将脉冲信号连接到驱动红灯的与非门一端，这样就可使红灯闪烁（黄灯亮时），如果三态门电路被封锁，那么红灯不再受1Q 黄灯信号影响。

74LS125N 引脚图见图10：
图10 74LS125N 引脚图
当0G =时，Y A =。

1G =，高阻态，封锁。

根据3.3的信号灯逻辑表达式和上述原理，通过Multisim 仿真得图11：
图11 交通灯状态显示电路仿真图
注意：指示灯为高电平时，才会被点亮。

1Q 和2Q 的状
态通过状态控制器来控制。

通过G 控制绿灯主干道绿灯亮、
次干道红灯亮时数码管的计数显示，g 控制绿灯主干道红灯亮、次干道绿灯亮时数码管的计数显示，1Q 控制黄灯亮、红灯闪烁时数码管计数显示。

3.6交通灯定时电路的设计
根据设计内容，交通灯控制系统要求带有不同定时的定时器，来完成
30秒、20秒、5秒的定时任务，定时器可由两片74LS192D 构成两位十进
制可预置减法计数器；时间状态由两只DCD_HEX 管显示。

十字路口设计时，应用四只显示管显示，具体见总图如何摆设。

可预置减法计数器的时间通过三片八同相三态总线收发器74LS245DW 来完成，其引脚图见图12。

三片74LS245DW 的输入数据分别为 30（81A A →，0011000）、20（81A A →，00100000）、5（81A A →，00000101）三个不同的数字，任一输入数据到减法计数器的置入由状态控制器的输出信号控制不同74LS245DW 的选通信号来实现。

当状态处于12101A Q Q ==和32111A Q Q ==时，黄灯亮，
红灯闪烁。

由设计内容可知持续时间为5秒，则由控制信号
1
Q 去控制74LS245DW的选通信号，由于74LS245DW的选通
信号要求低电平有效，因此g接一反相器成为
1
Q来接相应74LS245DW。

同理，当状态处于
02100
A Q Q
==，由设计内容可知持续时间30秒时，此时74LS245DW的选通信号应接主干道绿灯
信号G。

当状态处于
22110
A Q Q
==，由设计内容可知持续时间20秒时，74LS245DW的选通信号应接次干道绿灯信号g。

注意：置数端十位为零时，各位也为零时，将会产生一个借位脉冲，此时十位会在瞬时为九，但由于是异步置数，很快的九会被所置数覆盖。

图12 74LS245DW引脚图
功能叙述：74LS245DW是人们常用的芯片，用来驱动led或者其他的设备，它是8路同相三态双向总线收发器，可双向传
输数据。

74LS245DW有双向三态功能，既可以输出，也可以输入数据。

当片选端G低电平有效时，DIR=“0”，信号由 B 向 A 传输；（接收）。

当DIR=“1”，信号由 A 向 B 传
输；（发送）当G为高电平时，A、B均为高阻态。

在我的这个设计中，74LS245在置数中起到了重
要作用。

三个74LS245DW的驱动方法见图13。

图13 74LS245DW的驱动图
根据上述原理，通过Multisim仿真可得图14。

图14 交通灯定时电路仿真图
当我绘好交通灯定时电路后，需要对每个状态进行测试。

具体如下。

3.6.1 0A ：主干道绿灯亮，次干道红灯亮，持续时间30秒 ，即10,1,1G g Q ===。

测试图见图（15）：
图15
A状态仿真测试图
3.6.2
1
A：主干道黄灯亮，次干道红灯闪烁，持续时
间5秒，
3
A：主干道红灯闪烁，次干道黄灯亮。

即：
10,1,1
Q g G
===。

测试图见图16。

图16 1A 、3A 状态仿真测试图
3.6.3 2A ：主干道红灯亮，次干道绿灯亮，持续时间20秒 ，即10,1,1g G Q ===。

测试图见图17。

图17 0A状态仿真测试图
3.7 交通灯故障检测电路的设计的设计
正常时：红（R）、绿（G）、绿与黄（Y）同时亮。

若设各灯亮为1，灭为0，出现故障时输出L为1，否则为0。

列真值表如下：
R Y G L
0 0 01
0 0 10
0 1 01
0 1 10
1 0 00
1 0 11
1 1 01
1 1 11
表2 交通灯故障检测电路设计原理
根据真值表，写出逻辑表达式为：
=++++
L RYG RYG RYG RYG RYG
卡诺图，化简得：
L RG RY RG RGRY RG RYG RG
=++==+
仿真时，灯亮表示信号灯存在故障，需要检查电路。

见图（18）。

图18 交通灯故障检测仿真电路图
3.8 状态控制器电路的设计
LS D（加法器），真值表见图19，该控制器利用一个74163
→→→，当为11是时，加法器执行状态顺序：00011011
执行清零操作。

仿真图见20。

图19 74LS163D真值表
图20 状态控制器仿真电路图
3.9 人行道的指示灯电路的设计
当某干道允许通行时，该干道的人行道禁止通行指示灯
可设置为图21。

连线方法是将红色指示灯逐个并联。

排成手
掌形状。

当某干道禁止通行时，该干道的人行道指绿色通行
指示灯可设置为图22。

逐个排列，排成一个人在走的简单图
形，并且绿色指示灯烁。

当主干道通行时，主干道人行道指
示灯为红灯，次干道指示灯为绿灯。

反之，亦然。

当黄灯亮，
红灯闪烁时人行道黄灯提示行人看下十字路口左右。

其仿真
图见图23。

为了使电路简化，可用单个指示灯代替图样指示灯，具
体见图24。

图21 禁止通行指示灯仿真电路设计
如图21所示，当接入高电平时人行道红灯才会亮，提示行人止步。

图22 通行指示灯仿真电路设计
如图22所见，只有三态门G端接低电平时，三态门才导通，这样方波源会使绿灯闪烁，这样效果会更好些。

图23 黄色指示灯仿真电路设计
图24 替代的仿真电路图
3.10 紧急情况时，手动开关控制电路的设计
将双向开关与信号发生器相连如图25的左下角，在加上两个指示灯，可实现十字交通路口两边都有红色指示灯。

图25手动开关控制仿真图
如图25所示，主次干道红灯的设计，手动开关如黑色椭圆所圈，当开关拨到此处，则主次干道上时间显示停止，红黄绿灯不变，蜂鸣器发声，紧急红灯闪烁。

提示行人出现紧急状态。

3.11 调整干道通行时间电路的设计
在根据车流量调整干道通行时间，具体是加入手动开关进行控制，仿真图如图26。

图26 调整干道通行时间仿真图
如上图所示，根据车流量调整通行时间，可利用手动开关使主次干道通行时间以及黄灯亮的时间。

根据需要可随心所欲地拨动开关来调整主次干道150s内的整十的数，黄灯的调整范围:0~15秒。

这样方便十字路口交警在适当的时候进行适当调整。

3.12 手动清零及数字闪烁电路的设计
当需要显示清零时，可设置如图27所示手动开关。

当需要数字闪烁时，如图28所示设计。

图27 手动清零仿真图
图28 手动设置，数字闪烁仿真图
3.13 主要元器件的选择
1. DCD_HEX管4个或四个七段译码显示管4个；
2. 74LS47译码器2块；
3. 指示灯14个；
4. 74LS192D集成块2块；
5. 74LS245DW集成块3块；
6. 三态门电路74LS125N三块；
4. 系统电路总图
将设计的各个单元电路进行级联，得到仿真的十字路口交通灯控制电路图，见附录A。

5．经验体会
通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。

在整个设计过程中，我围绕实现设计内容，我设计了一套电路原理并仿真出来。

在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。

我做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，书本上的知识是基础，用软件仿真时，我了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。

仿真时，有时行，有时不行，经过分析，我发现开关靠的太近会影响电路。

有时采用的指示灯太多，会产生很大的延时，这样不能克服，只好加大脉冲发生器的频率。

另外是当出现紧急情况时，实现时间闪烁，紧急红灯亮，蜂鸣器响时，只能用七段译码显示管，开关用两个，在实现这个功能时，走了许多弯路。

当然在交通灯指示状态时，也花费了不少精力。

总之，在仿真过程中是在不断实
践，不断构思，不断改进功能，最终完成仿真，这个过程感触挺深的！
但对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。

人生路上，挫折是一份财富，经历是一份拥有。

不会没有它的价值。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，但经过自己的努力，认真分析，最后完成了仿真。

最让感触最深的是：没有自己不会的，只要你愿意去学。

参考文献：
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[11]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社,2001.
附录A：系统电路仿真总图
DCD_HEX显示时间的总电路
七段数码显示管显示时间的总电路
附录B：元器件清单。