交通灯控制逻辑电路设计

一、组成分析和工作原理

1组成分析如下：

为了确保十字路口的车辆顺利、畅通的通过，往往都利用自动控制的交通信号等来进行指挥。其中红灯（R）亮，表示该条道路禁止通行；黄灯（Y）亮表示停车；绿灯（G）亮表示允许通行。

交通灯控制器的系统框图如图1.1所示

东西方向 EW 东西方向NS

G Y R G Y R

系统控制电路

≥1

手动、单步 分频 时标

图1.1交通灯控制器系统框图

2工作原理如下：

（1） 要有如图1.2顺序工作流程

图中设南北方向的红、黄、绿灯分别为NSR、NSY、NSG东西方向的红、黄、绿灯分别为EWK、EWY、EWG。

它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。

(2) 应有两个方向的工作时序，即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄、绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄、绿灯时间之和。时序工作流程图见图1.3所示。

图1.3，采用每个单位时间为4秒，则南北、东西方向绿、黄、红时间分别为16秒、4秒、20秒，一次循环40秒。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯的时间之和，黄灯是间歇闪耀。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5

t

NSG

NSY

NSR

EWR

EWG

EWY

图1.3

（3）十字路口要有数字显示，作为时间，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1计数方式，直至减到数为“0”，十字路口红、绿灯交换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。

例如：当南边方向从红灯转换成绿灯时，置南北方向数字显示为20，并使数显计数器开始减“1”计数，当减到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数显的值应为4，当减到“0”时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为20。 二 设计步骤和方法

1. 秒脉冲和分频器

因十字路口每个方向绿、黄、红灯所亮时间比例分别为4:1:5,并选4秒为一单位时间,则计数器每计4秒输出一个脉冲.由波形可知,计数器每次工作循环为10,所以可选用10进制计数器。计数器可用单触发器组成,也可用中规模集成计数器、扭环行计数器的状态表如下所示（表2.1）

表2.1 状态表

根据上面Q0～Q4的计数输出可得：

南北方向 绿：NSG=Q3Q4 黄：NSY=Q3Q4 红：NSR=Q4

东西方向绿：EWG=Q3Q4黄：EWY=Q3Q4 红：EWR=Q4 由于黄灯要求闪耀几次，所以用时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。

2. 时基电路：①由555定时器构成的多谐振荡器来实现1s时标； 在这个电路中，定时元件除电容C外，还有两个电阻RA 和RB ，它们串联在一起电容C和R B的连接点接到两个比较器C1 和C2 的输入端R 和S (6脚和2脚)，RA 和RB 的连接点接到放电管T1的输出端Q’(7脚)。

主要由公式：T=0.7(RA+2RB)C 由于RB>>RA,T=1,设RA=100欧，推断出RB=30千欧 ，C=24微法。（555多谐振荡器功能说明如下）

1 74LS74 双D触发器分频来实现4s。

74LS74是上升沿D型触发器采用肖特基TTL电路以提高运行速度。每个触发器都有各自的清零和置位输入端，以及互补的Q和Q输出端。

当555多谐振荡器有1秒脉冲输入到第一个D触发器D端时，在上升沿时刻，D端的输入信号传送到Q输出端，直到第二个上升沿时刻，再输出，从而第一个D触发器输出2秒，再把2秒输入到第二个D触发器D端时，在上升沿时刻，D的输入信号传送到Q输出端，直到第二个上升沿时刻，再输出，从而实现4秒。

3. 灯控电路：10进制计数器（74LS164）

它由74LS164组成扭环形计数器，然后经译码后，输出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。其中黄灯信号须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，而绿、红灯灭。（74LS164功能说明如下）

4. 时控电路：

显示控制部分，实际是一个运时控制电路。当绿灯亮时，使减法器开始工作，每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器减到0为止。译码器可用74LS248BCD码七段译码器，显示可用LC5011-11共阴极的显示器，计数器可用74LS168的二十进制减法计数器。（功能说明如下）

三 器件功能说明：

1．现以555定时器构成的振荡器来说明：

①暂稳态 Ⅰ 电容C由回路VCC → R → C 地充电，充电时间常数 τ1=(RA+RB)C,电容C上电位vc随时间t按指数规律上升，趁向Vcc值，在此阶段内，输出电压v0暂稳在高电平。

②自动翻转 Ⅰ 当电容上电位vc上升到2/3Vcc时，由于S=“0”,R=“1”,使触发器置“0”。Q由1→“0”，输出电压v0则由高电平跳转为低电平，电容C的充电过程结束。

③暂稳态 Ⅱ 由于此刻Q=”0”;Q=”1”,因此放电管T1导通且饱和，电容C通过回C→RB→放大管T1→地放大，放电时间常数τ2=RBC（忽略了T1管饱和电阻RCES1）,电容上电位vc按指数规律下降，趁向0V，同时使输出v0暂稳在低电平。

④自动翻转 Ⅱ 当电容上电位vc下降到1/3Vcc时。S=”1”,R=”0”,触发器置”1”。Q由”0” →”1”,输出电压v0则由低电平跳转为高电平，电容C的放电过程结束。

2．74LS168简要说明：

168为可预置的十进制同步加/减计数器。168的预置是同步的。当置入控制端（LD）为低电平时，在时钟（CP）上升沿作用下，输出端（Q0~Q3）与数据输入端（A~D）相一致。

168的计数也是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的。当计数控制端（P、T）均为低电平时，在CP上升沿作用下Q0~Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的技术尖峰。当计数方式控制（U/D）为高电平时进行加计数；当U/D为低电平时进行减计数。P和T的跳变不受CP状态的限制。

168有超前进位功能。当计数上溢或下溢时，进位输入端（CO），输出一个低电平脉冲，其宽度为：加计数Q0的高电平部分；减计数时为Q0的低电平部分。

H——高电 L——低电平 —低到高电平跳变 X——任意

a~d-A~D稳态输入电平

3．74LS164:

SN74LS164是8位并行输出高速移位寄存器，与时钟信号从低电平向高电平的跳变同步，串行数据通过一个2输入与门输入寄存器。LS164有异步主复位信号输入端，无论时钟为何状态，主复位信号均可将寄存器清零并将所有输出端置于低电平。LS164采用肖特基钳位二极管工艺使运行进速得以提高

引脚图

引脚符号 名称

A B 数据输入端

CP 时钟信号输入端（上升沿触发） 0 6

MR 主复位信号输入（低电平有效） 1 5

Q0—Q7 输出端 Q2 CP

Q3 CR

Q4 GND

功能说明：

LS164是脉冲边沿触发8位移位寄存器，数据串行输入，并从八个触发器输出端并行输出。一个两输入端（A或B）“与”门接收并行数据，AB中任一端都可用作高电平有效的“允许”输入端，而另一端则作为数据输入端。AB两端若有一端不使用，则次端必须接高电平，或两个输入端连接在一起。

时钟信号（CP）每次从低电平跳变到高电平，寄存器数据右移一位，并把在时钟脉冲上升沿之前在“与”门输入端上的数据送进Q0，主复位信号（MR）对于其他输入信号有优先权。当MR为低电平时，寄存器被异步清零，所有Q输出被强置为低电平。

4．七段显示器 LC5011-11 共阴联接

数字显示器是用显示数字、文字或符号的器件，其显示方式一般有三种。我们用的是分段式。数码有分布在同一平面上若干段发光笔划组成。如荧光段式显示。如图所示的LC5011-11集成器件就是一个共阴极半导体发光二极管七段高电平，则这一段就发亮。

5．74LS248

74LS248 为 有内部上拉电阻的BCD-七段译码器/驱动器.

输出端(Ya –Yg)为高电平有效,可驱动灯缓冲器或共阴极VLED

当要求输出0-15时,消隐输入(BI)应为高电平或开路,对于输出0时还要求脉冲消隐输入(RBI)为高电平或开路.

当BI为低电平时,不管其他输入端状态如何,Ya-Yg均为低电平.

当RBI为和地址端(A0-A3)均为低水平,并且灯测试(LT)为高电平时,Ya-Yg为低电平,脉冲消隐输出(RBO)也变为低电平.

当BI为高电平或开路时,LT的低电平可使Ya-Yg均为高电平.

四、元器件明细表：

五、参考文献

1．《数字集成电路基础》 南京大学出版社 皇甫正贤 主编

2．《进口集成电路数据手册》 广东科技出版社 张旦宁 程杉 陈瑞成3．《标准集成电路数据手册 TTL集成电路》 电子工业出版社童本敏编

4．《CMOS 4000系列 60种常用集成电路的应用》 人民邮电出版社 魏立君 韩华琦 编

六、原理图

交通灯控制逻辑电路设计