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
红
黄
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

 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