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交通灯控制逻辑电路设计

交通灯控制逻辑电路设计

一 、简述

为了确保十字路口的车辆顺利畅通地行驶,往往都采用自动控制的交通信号灯来进行指挥。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4.1 所示。

 

            

 

二、

交通灯控制逻辑电路设计之设计任务和要求

 

设计一个十字路口交通信号灯控制器,其要求如下:

 

1.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EWR,EWY,EWG,则满足图4.1 的工作流程并且可以并行工作:

 

NSG(EWR)→         NSR(EWG),黄灯用于闪烁提示绿灯变为红灯。

 

2.满足两个方向的工作 时序:东西方向红灯亮的时间应等于南北方向黄、绿灯亮的时间之和;南北方向红灯亮的时间应等于东西方向黄、绿灯亮的时间之和。时序工作流程见图4.2所示: 

 

 

 

 

 图4.3中,假设每个单位时间为2秒,则南北、东西方向的绿、黄、红灯亮的 时间分别为12秒、2秒、12秒,一次循环为24秒。其中红灯亮的时间为绿灯、黄灯亮的 时间之和,黄灯是间歇闪耀。

 

3.十字路口要有数字显 示装置,作为时间提示,以便人们更直观地把握时间。具体要求为:当某方向绿灯亮时,置计数器为某一个数值,然后以每秒减1的计数方式工作,直至减到数为“0”,十字路口红、绿灯交换,一次工作循环 结束,进入另一个方向的工作循环。

 

例如:当南北方向从红灯 转换成绿灯时,置南北方向数字显示为12,并使数显计数器开始减“1”计数,当减法计数到绿灯灭而黄灯亮(闪耀)时,数码管显示的数值应为2,当减法计数到“0”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,并置东西方向的数码管的显示为12。

 

            4.可以手动调整脉冲时间,夜间为黄灯闪耀。

三、设计方案提示

 

 

根据设计任务和要求,参考交通灯控制器的逻辑电路主要框图4.1,设计方案可以从以下几部分进行考虑。

 

1.1Hz标准脉冲和分频器 

因十字路口每个方向 绿、黄、红灯亮时间比例分别为5:1:6,所以,如果选4秒(也可以任意)为一单位时间,则计数器每计数4秒输出一个脉冲。这一电路用D触发器(或由其他触发器构成的D类型触发器)即可实现。

2.交通灯控制器

由波形图可知,计数 器每工作循环周期为12,所以可以选用12进制计数器。计数可以用单触发器组成,也可以用中规模集成计数器。这里我们选用中规模74LS164 八位移位寄存器组成扭环形12进制计数器。扭环形计数器的状态表如表1.1所示。根据状态表,我们不难列出东西 方向和南北方向绿、黄、红灯的逻辑表达式:

 

 

 

南北方向

 

东西方向

 

 

 

 

 

 

绿

 

 

 

由于黄灯要求闪耀几 次,所以用1Hz的 标准脉冲和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。              

表4.1   状态表

 

T

 

 

计  数  器  输  出

 

南 北 方 向

 

东 西 方 向

 

Q0    Q1    Q2    Q3    Q4    Q5

 

NSG  NSY   NSR

EWG  EWY  EWR

 

 

0

 

0    0    0    0    0    0

 

1      0      0

 

0      0      1

 

1

 

1    0    0    0    0    0

 

1      0      0

 

0      0      1

 

2

 

1    1    0    0    0    0

 

1      0      0

 

0      0      1

 

3

 

1    1    1    0    0    0

 

1      0      0

 

0      0      1

 

4

 

1    1    1    1    0    0

 

1      0      0

 

0      0      1

 

5

 

1    1    1    1    1    0

 

0      ↑     0

 

0      0      1

 

6

 

1    1    1    1    1    1

 

0      0      1

 

1      0      0

 

7

 

0    1    1    1    1    1

 

0      0      1

 

1      0      0

 

8

 

0    0    1    1    1    1

 

0      0      1

 

1      0      0

 

9

 

0    0    0    1    1    1

 

0      0      1

 

1      0      0

 

10

 

0    0    0    0    1    1

 

0      0      1

 

1      0      0

 

11

 

0    0    0    0    0    1

 

0      0      1

 

0     ↑      0

 

 3. 显示控制部分 

显示控制部分实际上 是一个定时控制电路。当绿灯亮时,使减法计数器开始工作(用对方的红灯信号控制),每来一个秒脉冲,使计数器减1,直到计数器为“0”停止。译码显示可用74LS47 驱动BCD码七段译码器,计数器采用可预制加、 减计数器,如74LS168、74LS190、74LS193等。

4. 脉冲选择控制,夜间控制

这部分可用一个可调 脉冲进行。调节脉冲频率的高低,可以使计数器的周期增大或减小,用来控制某个方向上车流量的大小变化;夜间时,将夜间开关接通,黄灯将一直闪耀,提醒过往 行人注意。

四、

交通灯控制逻辑电路设计之参考电路

     根据设计任务和要求,交通信号灯控制器参考电路如图4.4所示。

五、参考电路简要说明

1. 脉冲选择及控制电路 

可调脉冲用实验箱上 的可调脉冲输出即可,脉冲电路经分频后,(4分 频)输入给74LS164,这样,74LS164为每4秒向前移一位(计数一次)。

2. 控制器部分

它由74LS164组成扭环行计数器,经过译码 后,输出十字路口南北、东西二个方向的控制信号。其中黄灯信号必须满足间歇闪耀;在夜间时黄灯一直闪耀,而绿、红灯灭。

3. 数字显示部分

当南北方向绿灯亮, 而东西方向红灯亮时,使南北方向的74LS190以减法计数方式工作,从数字“24”开始往下减,当减法计数到“4”时,南北方向绿灯灭,黄灯闪耀,当计数到“0”时,南北方向绿灯灭,红灯亮,而东西方向红灯灭,绿灯亮。由于东西方向红灯灭的信号(EWR=0),使与门关断,减法计数器工作结束,而南北方向红灯亮,使东西方向的减法计数器开始工作

在减法计数开始之 前,有黄灯亮信号使减法计数器先置入数据,图中接入U/D和LD的信号就是有黄灯亮(为高电平)时,置入数据。黄灯灭(Y = 0),而红灯亮(R = 1)开始减计数。

4. 补充说明

与非门2C、3A 即是为了制造一个延时,从而使南北向的计数器(74LS190)有足够的时间置入“24”。

六、电路的扩展

1. 扩展内容

在完成上述任务后,可以对电路进行以下几个方面的改 进或扩展。

(1)设某个方向(如南北)为十字路口主干 道,另一方向(如东西)为次干道;主干道由于车辆、行人多,所以主干道绿灯亮的时间可选定为次干道绿灯的时间2倍或3倍。

(2)用LED发光二极管模拟汽车行驶电路。当某一方 向绿灯亮时,这一方向的发光二极管接通,并一个一个向前移动,表示汽车在行驶;当遇到黄灯亮时,移位发光二极管就停止,而过了十字路口的移位发光二极管继 续向前移动;红灯亮时,则另一方向转为绿灯亮,那么这一方向的LED发光二极管就开始移位(表示这一方向的车辆行驶)。

2. 设计方案

(1)对于主干道和次干道的问题,只要参照表4.1,修改各方向逻辑表达式,即可改变红、绿灯的时间比,达到主干道车流量大,从而通行时间长的要求。 详细电路请同学们自己设计,这里不在一一说明。

(2)若同学们完成以上的实验后,在学有余力的情况下,还想完成汽车模拟运行电路,请参照图4.5。当黄灯(Y)或红灯(R)亮时,RI这端为高电平,在移位脉冲CP作用下而向前移位,高电平从QH一直移到QA(图中74LS164——1)由于绿灯在红灯和黄灯为高电平时,它为 低电平,所以74LS164——1  QA的信号就不能送到74LS164——2移位寄存器的RI端。这样,就模拟了当黄、红灯亮时汽车停 止的功能。而当绿灯亮,黄、红灯灭(G=1,R=0,Y=0)时,74LS164——1、74LS164——2都能在CP移位脉冲作用下向前移位。这就意味着绿灯亮时汽车向前运行这一功能。

注:需要做扩展电路则要增加移位寄存器74LS164以及相应门电路得数目。

附:实验仪器及器件

 

1

   数字电路学习机

 

 

 

 

 

 

2

 

   双踪示波器

 

 

 

 

 

3

 

   六反相器

 

74LS04

 

一片

 

4

 

   四—2输入与门

 

74LS08

 

三片

 

5

 

   三—3输入与门

 

74LS11

 

一片

 

6

 

   四—2输入或门

 

74LS32

 

一片

 

7

 

   七段译码器

 

74LS47

 

四片

 

8

 

   双D触发器

 

74LS74

 

一片

 

9

 

   8位串入/并出移位寄存器

 

74LS164

 

一片

 

10

 

   4位十进制同步加/减计数器

 

74LS190

 

四片

 

11

 

   1K欧姆电阻

 

R1

 

一个

 

12

 

   电平开关

 

KS—1

 

一个

 

13

 

   发光二极管

 

LED

 

六个

 

14

 

   七段LED数码管

 

 

四个

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