交通灯控制电路

2006-06-13 13:23:48

课题四 交通灯控制电路

一、交通灯控制的功能要求

1．设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为25秒；

2．要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道； 3.根据交通灯控制系统框图，画出完整的电路图。

3.设计出PCB图

二、设计原理与参考电路

1．分析系统的逻辑功能，画出其框图

交通灯控制系统的原理框图如图4-1所示。它主要由控制器、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，译码器输出两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。图中：

TL: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒，即车辆正常通行的时间间隔。定时时间到，TL=1，否则，TL=0。

TY：表示黄灯亮的时间间隔为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。由它控制定时器开始下个工作状态的定时。

图4-1 交通灯控制系统的原理框图

（1）图4-1甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯亮满规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状态。

（2）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上未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。黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

（3）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮满规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。

（4）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮满规定的时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又转换到第（1）种工作状态。

交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表4-1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：

表4-1 控制器工作状态及功能

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

S3（11）

甲红、乙绿

甲车道禁止通行，甲车道通行

S2（10）

甲红，乙黄

甲车道禁止通行，甲车道缓行

AG=1

甲车道绿灯亮

BG=1

乙车道绿灯亮

AY=1

甲车道黄灯亮

BY=1

乙车道黄灯亮

AR=1

甲车道红灯亮

BY=1

乙车道红灯亮

2、逻辑总图如4-2所示

图4-2 交通灯控制电路总逻辑图

四．单元电路的设计

（1）秒脉冲发生器

秒脉冲发生器由NE555电路及外围电路组成，其中R6,C2的电阻电容值决定了脉冲宽度。

图4-3 秒脉冲发生器原理图

如图4-3所示，R6、C2组成一个串联RC充放电电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C2上得到一个三角波。此三角波送到NE555的2脚输入端。由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。

（2）定时器

定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供）同步的计数器构成，要求计数器在状态信号ST作用下，首先清零，然后在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进行设计。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。其功能表如表4-2所示。图4-4中，SR是低电平有效的同步清零输入端，LD是低电平有效才同步并行置数控制端，CEP、CET是计数状态选择端，TC是进位输出端，P0～P3是并行数据输入端，Q0～Q 3是数据输出端。

表4-2 74LS163功能表

其工作原理为：由秒脉冲发生器产生的秒脉冲CP分别送给两个74LS163的清零端2处。如图所示：输入端3.4.5.6分别接地.。U1的7和10与U2的15相连。.即：只有当时15处产生一个高电平脉冲时才能触发U1中的14产生脉冲同时和U3A中的2下作

用产生脉冲。74LS00在ST中12.13共同作用下将信号11分别送给U1和U2的SR。可以得到TY和TY非是秒脉冲的4倍；TL和TL非的结果是秒脉冲的24倍。

图4-4 定时器部分的工作图

（3）控制器

控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。列出控制器的状态转换表，如表4-3所示。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q₁ⁿ⁺¹Q₀ⁿ⁺¹＝ 00状态时，如果TL＝ 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q₁ⁿ⁺¹Q₀ⁿ⁺¹＝ 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"X"表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。控制器逻辑图如图4-5所示。

图4-5 控制器逻辑图

图4-6 控制器原理图

|表4-3 控制器状态转换表

根据上表可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将Q₁ⁿ⁺¹、Q₀ⁿ⁺¹和 ST为1的项所对应的输人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：

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，将触发器的现态值加到74LS153的数据选择输入端作为控制信号．即可实现控制器的功能。图中R、C构成上电复位电路 。

控制器原理图如图4-5所示。由两个双多路转换器和一个双D触发器组成控制器。触发器记录4种状态，多路转换器与触发器配合实现4种状态的相互转换。

其原理为：CP分别送给U7A和U7B的3和11的清零端。将TY接入U6的5和U8的4和5；T/Y/接入U6的4。如上图所示：FF1。FF0两个D触发器作为时序寄存器产生4种状态。选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数，将触发器的的现态值加到74LS153的数据选择端作为控制信号，即可实现控制器的功能。

（4）译码器

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，翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系如表 4-4所示。表中A、B代表甲、乙车道。

4-4 控制器状态编码与信号灯关系表

Q₁ Q₀

AG

AY

AR

BG

BY

BR

0 0

1

0

0

0

0

1

0 1

0

1

0

0

0

1

1 0

0

0

1

1

0

0

1 1

0

0

1

0

1

0

图4-7译码器部分原理图

由秒脉冲发生器产生了周期性变化的CP脉冲，一部分送给了定时器的74LS163芯片，另一部分送给了控制器的74LS74芯片。在脉冲ST同时加到定时器74LS163芯片的情况下，通过芯片74LS00将会输出TY。T/Y/；TL。T/L/。即TY和T/Y/放大的结果是秒脉冲的5倍；TL和T/L/放大的结果是秒脉冲的25倍。前者输出的信号是后者的1/5。将定时器输出的TY。T/Y/；TL。T/L/分别作用于控制器的芯片74LS153中，在CP脉冲置于芯片74LS74中会输出高低变化的电平。控制器中的信号在送给由芯片74LS00组成的译码器后再通过电路中的指示灯和200欧的电阻从而得到交通灯的逻辑电路，这种电路的结果最终通过小灯的正常闪烁来实现。