交通信号灯的设计方法

交通信号灯控制电路一、设计任务与要求1．设计一个十字路口的交通信号灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车交替运行。2．要求黄灯先亮5秒，才能变换行车道。3．黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次。二、实验设备1．数字双踪示波器2．74LS00、74LS20、74LS74、74LS153、74LS163、74LS138、NE555、发光二极管、电阻、电容三、实验原理与实验电路1．实验原理简介实验电路主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，译码器输出组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作。下面简要介绍个控制信号的意义：TL：表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔是25秒，即两车道正常通行的时间间隔。定时器时间到，TL=1，否则，TL=0。TY：表示黄灯亮的时间间隔是5秒，定时时间到，TY=1.，否则，TY=0。ST：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由他控制定时器开始下个工作状态的定时。AG=1：表示甲车道绿灯亮；BG=1：乙车道绿灯亮；AY=1：表示甲车道黄灯亮；BG=1：乙车道黄灯亮；AR=1：表示甲车道红灯亮；BR=1：乙车道红灯亮；假设交通信号灯由四种状态组成：第一种状态：甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道的车辆允许通行，乙车道的车辆禁止通行。绿灯亮足够时间间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一个工作状态。二种状态：甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上为过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行，乙车道禁止通行。黄灯亮足够的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一个工作状态。三种状态：甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道的车辆可以通过。绿灯亮足够规定时间间隔时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。四种状态：甲车道红灯来亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第一种工作状态。通信号灯以上四种工作状态是由控制器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，分别用S0、S1、S2、S3表示，则控制器的工作状态即功能表如下所示：控制状态信号灯状态车道运行状态S0（00）甲绿，乙红甲车道通行，乙车道禁止通行S1（01）甲黄，乙红甲车道缓行，乙车道禁止通行S2（11）甲红，乙绿甲车道禁止通行，乙车道通行S2（10）甲红，乙黄甲车道禁止通行，一车道缓行2．各单元电路的设计1）秒脉冲信号的设计：设计电路图如下，选用LM555CM芯片，只要控制信号发生器的频率、电压以及电阻乘以电容的值RC，在555芯片的输出端（2端）就能得出周期为一秒的秒脉冲波形，该波形就是系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，由他控制定时器和译码器的工作。U1LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2D11N3208R11kΩC1100nFV15Vrms50Hz0°VDD5V21VDD3XSC1ABExtTrig++__+_40脉冲信号发生器2）定时器的设计：定时器由于系统脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后再时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。计数器选用集成电路74LS163设计。74LS163是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。74LS163的功能表如下所示：输入输出CRLDCTPCTTCPDADBDCDDQAQBQCQD0×××↑××××000010××↑ABCDABCD1111↑××××计数110×↑××××计数11×0×××××计数74LS的引脚排列图如下所示：定时器的电路图如下所示：其中ST状态转换信号由控制器发出，ST状态转换信号经过一个非门后，分别接到两片74LS163的同步置零端（即图中的CLR’端），两片的输入端（即A、B、C、D端）分别接地，秒脉冲信号发生器的输出秒脉冲信号分别接到两片74LS163的CP信号端（即图中的CLK端），当控制器发来的ST信号为1时，ST信号经过非门后变为0，则两片74LS163的输出端输出全为零，TY、TL信号为零，当ST信号变为1后，开始计数，当TL、TY分别计时满25和5秒后，TL，TY信号送到控制器的输入端，由控制器控制定时器的计数。定时器电路图定时器的状态转换表如下所示：STCP的顺序第一片74LS163DCBA第二片74LS163DCBATYTL00123456789101112131415161718192021222324000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000010001000100010001000100010001000100000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000100100011010001010110011110000000100000000000000000000000011↑00000000003）控制器的设计：控制器是交通管理的的核心，他应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换来列出状态转换表。控制器要用到的芯片有74LS153、74LS74。其中74153为数据选择器，其功能表如下所示：输入输出SA1A0Q1Q21000001C02C00011C12C10101C22C20111C32C3`状态转换表如下所示，选用两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于111000nnQQ状态时，如果TL=0，则控制器保持在00状态；否则控制器转换到111001nnQQ状态。这两种情况与条件与TY无关，所以用无关项“X”表示。当控制器处于111001nnQQ状态时，如果TY=0，则控制器保持在01状态；否则控制器转换到111011nnQQ状态。这两种状态与TL无关，所以用无关最小项“X”表示。其他情况以此类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。控制器状态转换表输入输出现态状态转换条件次态状态转换信号1nQ0nQTLTY11nQ10nQST000x000001x01101x001001x1111110x110111x10110x010010x1001由状态转换表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将11nQ、10nQ和ST为一的项所对应的输入或状态转换条件变量相与，其中“1”用原变量表示，“0”用反变量表示，然后将各与项相或，即可得到下面的方程：11101010nnnnnnnYYQQQTQQQQT10100101nnnnnnnLLQQQTQQQQT10010101nnnnnnnnTLYLYSQQTQQTQQTQQT根据以上方程，选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的现态值10nnQQ加到74LS153的数据选择器输入端作为控制信号，即可实现控制器的功能。控制器的逻辑图如下图所示，根据状态方程，第一片74LS153的输入端依次分别为1、TY’、TY、0和TL’、0、1、TL，输出分别接到D触发器的输入端，D触发器的输出端分别为Q1、Q0。Q1、Q0即为译码器的的信号输入端。根据信号转换方程可知：第二片数据选择器的输入端分别为TL、TY、TY、TL，输出端即为控制定时器电路的ST信号。控制器的逻辑图4）译码器的设计译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的4种工作状态，译码成甲、乙两车道上6个信号灯的控制状态。控制器的状态编码与信号灯控制器之间的关系如下表所示：控制器状态编码与信号灯关系表状态Y0Y1Y2Y3AGAYARBGBYBR00（S0）011110000101（S1）101101000111（S2）111000110010（S3）1101001010由以上关系表就可以写出AG、AY、AR、BG、BY、BR的逻辑表达式，逻辑表达式如下所示：012301231AGYYYYYYYY101230231AYYYYYYYYY012301230123012311BYYYYYYYYYYYYYYYYY012301231BGYYYYYYYY012301231BYYYYYYYYY101230123023012311BRYYYYYYYYYYYYYYYY控制器逻辑图中的Q0、Q21入译码器中的74LS138的A、B输入端，根据以上译码器的逻辑输出方程，用74LS138、74LS00、74LS20就可以连出译码器的电路图。译码器的电路图如下所示：译码器的电路图在输出端AG、YA、GB、BR、BY、BR分别接上信号指示灯，将秒脉冲信号发生器、定时器、控制器、和译码器按顺序接上，就可以实现交通信号灯的功能。四、讨论能否用异步清零的计数器74LS161来代替电路中的74LS163？不行，因为器由于系统脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，时钟脉冲上升沿一到，计数器就清零，然后再时钟脉冲上升沿作用下，计数器从零开始进行增1计数，向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。而异步清零的计数器74LS161的清零信号一到，无论时钟脉冲信号是什么状态，74LS161都要清零。所以如果选用74LS161的话，输出端就不能的到严格的时间间隔信号。