交通信号控制灯电路

1 引言

21世纪是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制、突发事件、故障处理等方面给予技术革新。随着大规模集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现代科技发展的主流方向。

交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。交通信号灯由红灯（表示禁止通行）、绿灯（表示允许通行）、黄灯（表示警示）组成。分为：机动车信号灯、非机动车信号灯、人行横道信号灯、车道信号灯、方向指示信号灯、闪光警告信号灯、道路与铁路平面交叉道口信号灯。道路交通信号灯是交通安全产品中的一个类别，是为了加强道路交通管理，减少交通事故的发生，提高道路使用效率，改善交通状况的一种重要工具。适用于十字、丁字等交叉路口，由道路交通信号控制机控制，指导车辆和行人安全有序地通行。

交通信号控制灯电路的设计涉及到模拟电子技术与数字电子技术。其中，绝大部分是数字部分：逻辑门电路、数字逻辑表达式、计算真值表与逻辑函数间的关系、编码器、译码器显示等基本原理。交通信号控制灯电路是典型的时序逻辑电路，包含了计数器，二进制数，六进制数，六十进制，二十四进制，十进制数的概念。交通信号控制灯电路的设计与制作不仅加深了对数字电路的了解，而且由于交通信号控制灯电路包括组合逻辑电路和时叙电路，进一步学习与掌握各种组合逻辑电路与时序电路的原理与使用方法，为数字电路的制作提供思路。

本系统采用电路仿真软件绘制出数字钟的完整电路图。对数字电路的学习起到了良好的辅助作用。因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手能力，将理论应用与实际生活中！

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2 交通信号控制灯电路概述

交通信号灯的逻辑框图如图2-1所示。它由555集成芯片构成的振荡电路、分频器、倒计时计数器组成。555集成芯片构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为秒脉冲，秒脉冲送入计数器，计数结果通过LED显示,如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6方式。

倒计时计数 器

图2-1交通信号灯的逻辑框图

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控制电路的特点：从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。

1.信号灯白天工作要求

某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。

如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。

从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。

信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。 信号指示灯白天点亮流程图如下图。

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2.夜间工作方式

南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作

图1-1 信号指示灯白天点亮流程图 南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t 南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t 南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 5t 南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t 南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t 南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t

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3 单元模块

3.1 电源模块

电源电路如图所示，220V交流电经变压器变为9V交流电，后经整流（全波整流）、滤波（3300μF电容）、稳压（W7805）输出+5V直流电。图给出了电源电路。

信号灯采用三极管9031驱动，其额定电流与额定电压应满足三级管的驱动能力，电源电压采用直流5V，通过变压器将市电降压到交流9V，在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5V电压。直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要。

作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。

直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。

3.2秒脉冲发生模块

由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，采用555定时器组成多谐振荡器。

如图3.2.1所示为555定时器引脚图。

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图3.2.1 555定时器引脚图

振荡周期与频率的计算公式为：T=（R1+R2）*Cln2=0.7(R1+R2)C，电源电压Vcc=+5V，其中电路图中C2的作用是防止电池干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01uF的瓷片电容。课设要求电容为C1=1uF，R1=560Ω，根据振荡周期公式，R2=434Ω.当元件选取完成后,根据电路原理连接即可.

3.3计数模块

由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS1。

下图为74LS1引脚排列和逻辑符号、逻辑功能表.

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QA0 、QB0 、QC0 、QD0 、QE0 、QF0 、QG0、 QH0：分别为寄存器输出QA 、QB、QC 、QD、QE、QF、QG、QH在指明稳态输入条件建立之前的电平。 QAn 、QBn、 QCn 、QDn 、QEn 、QFn 、QGn分别为寄存器输出

QA QA 、QB、QC 、QD、QE、QF、QG、QH在时钟最近出现上升沿之前电平。

RD：异步清零端，低电平有效。

应用电路：用74LS1组成的12进制扭环型计数器电路 ，其电路图如下图所示。

3.4分频器电路模块

上述十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个

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4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路。

4S脉冲是为74LS1提供的CP脉冲。从理论上讲，4S脉冲可以用多谐振荡器来产生。为了使整体电路的脉冲协调一致，4S脉冲应将秒脉冲经过4分频器得出。因此，4S脉冲电路的设计实际上就是4分频器的设计。使用74LS74实现4分频器。

其四分频的电路原理图如下图所示：

逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。组合逻辑电路的真值表如图所示：

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根据上图真值表写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得：

NSGQEQF EWGQEQF

NSYQEQF EWYQEQF

NSRQF EWRQF

由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。建议非门选用TTL集成门74LS04，与门选用TTL集成门74LS08。

当然，以上仅是考虑白天工作方式时的情况。下面将介绍白天和夜间综合考虑的情况，综合考虑后，表达式需要修改，则门电路也需要作响应的修改。

黄灯点亮的按秒闪动，将在下面考虑。

白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改

按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74LS1停止循环工作，即通过开关将74LS1的RD接地，使74LS1的所有Q端全部清零。白天RD为高电平，74LS1循环工作。 由74LS1 组成的12进制扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。

在夜间由于RD0使所有的74LS1的Q端清零，因此会出现以下问题： (1)NSGQEQF，由于夜间Q端均为低电平，则NSG为高电平，即南北绿灯点亮，显然这是不允许的，所以NSG的表达式需要修改；

(2)EWRQF，由于夜间Q端均为低电平，则EWR为高电平，即东西红灯

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点亮，显然这是不允许的，所以EWR的表达式需要修改；

(3)NSYQEQF EWYQEQF由于夜间QE 、QF均为低电平时，则NSY、EWY为低电平，即南北和东西方向的黄灯不能点亮，显然这是不允许的，所以NSY、EWY的表达式需要修改。

上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下：

(1)在夜间由于QE=QF=0,将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间由于

RD0，则NSG＝0，即夜间南北绿灯不点亮；在白天由于RD1，则NSGRDQEQF=QEQF即南北绿灯按白天工作方式点亮。

(2)在夜间由于QF=0,EWRQF1的解决方法：令EWRRDQF，即将

EWR与QF之间的连线改为额两输入的与门。那么，在夜间由于RD0，则

EWR=0，即夜间东西红灯红灯不亮；而在白天RD1，则EWRRDQF=QF，即东西方向红灯按白天工作方式点亮。

虽然NSG=QF，在夜间由于QF0，则NSG0，即南北红灯不亮。但为了对称也将其修改为NSGRDQF。

(3)在夜间由于QE=QF0，使NSYQEQ均为0的解决方法：使

NSYRDQEQF，EWYRDQEQF，即将原来的两输入与门改为在与门之后增加一级两输入或门，其中一个输入端为RD，即将RD经过一级非门后输出，另一个输出端为原来两输入与门的输出(QEQF的输出或QEQF的输出)。那么在夜间由于

RD1,RD0，则NSYEWY=1，即南北和东西方向的黄灯点亮；而在白天由于RD0,RD1，则NWYRDQFQE，NWYRDQEQF=QEQF，即各方向的灯按白天工作方式点亮。

经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式为：

NSGQEQFRD EWGQEQFRD

NSYQEQF+RD EWYQEQF+RD NSRQFRD EWRQFRD

3.4倒计时计数器模块

十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们直观的把握时间。具体的工作方式为：当某方向绿灯亮时，只显示器为某值，然后每秒减1，计数方式工作，直至减到4或0时，十字路口的红绿灯变换，一次工作结束后进入下一步某方向的工作循环。在倒计时的过程中计数器还向信号灯提供模为4的定时信号T1和模为0的定时信号T2，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯变换。

计数器采用74ls190进行设计比较简便。它是十进制同步可逆计时器，具有异步并行置数的功能。功能表如下图所示：

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CETN' ﹢ 0 0 1

74LS190的功能表

因为要计数的数字从24开始，所以要用两片 74LS190级联得到。级联之后与7段ＬＥＤ数码管相连，最后电路图如下图所示：

最后根据设计任务和要求，完成交通信号灯控制器电路如下图：

D|U ﹢ 1 0 ﹢ CLK ﹢ ↑ ↑ ﹢ LOAD' 0 1 1 1 A B C D ﹢﹢﹢﹢ ﹢﹢﹢﹢ ﹢﹢﹢﹢ ﹢﹢﹢﹢ Q1 Q2 Q3 Q4 A B C D 减法计数 加法计数 0 0 0 0

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4数字电子钟电路的仿真与调试

4.1仿真软件简介

NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。有如下特点：

通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路 ； 通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为； 借助高级电路分析, 理解基本设计特征 ；

通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试 ；

通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短研发时间。

4.2电路的仿真

电路仿真见下图

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白天工作

夜间工作

4.3调试方法

1. 首先调试555定时器。用示波器观察555定时器输出波形，确定555定时器是否按要求正常工作。

2. 调试分频器。用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是按要求。

3.调试计数电路。将秒信号输送给计数器，观察各计数器是否工作正常。 4. 调试电源电路。用电压表观察电源电路是否标准。

5. 整体调试。各部分电路连接起来，观察信号灯是否正常工作。

4.4调试中出现的问题、原因分析及解决方法

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1．信号灯不亮，通过万用表的检查，发现信号灯的接线不实。 2．仿真速度慢，可适当调整555定时器。 3．如果线路不对，要有耐心，仔细调。

5 总结

经过一周的数电课程设计，我从原先的对电路的不求甚解到现在能够设计复杂的交通信号灯控制电路，并且能够实现电路的仿真与调试，之间的巨大变化着实令人吃惊。但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是在解决问题的期间我才慢慢地熟悉了数字电子技术基础的基础知识，才慢慢学会了如何去按照给定的要求设计出合适的电路。

本次课程设计主要是运用本学期所学到的数字电子技术基础知识来设计一个符合要求的交通信号控制灯，本次设计不仅要求我们要掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对交通信号控制灯的各个组成部分的原理，包括振

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荡器的原理、计数器的原理原理都有深刻的理解和掌握，本次课程设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够根据电路图买到我们所需的原件，绘制出仿真电路并调试。

在课设过程中我遇到很多问题，原因有很多比如如何安装软件、调试过程中遇到的问题都不尽相同，但是通过问老师与同学交流都迎刃而解。

在每次课设中，遇到问题最好的办法就是请教别人，因为每个人掌握的情况都不一样，一个人不可能做到处处都懂，必须发挥群众的力量，复杂的事情才能够简单化。在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就遇到过，向他们请教远比自己在那边摸索来得简单，来得快。

虽然我现在已经初步学会了如何设计符合要求的交通信号控制灯电路，但是离真正能够利用已学的数电知识自由设计使用电路的还有一段的距离。课设的这段时间我确实受益匪浅，不仅是因为它发生在特别的实践，更重要的是我的专业知识又有了很大的进步。

通过本次课程设计,我明白了一个道理:无论做什么事情,都必需养成严谨,认真,善思的工作作风.这将是以后生活和学习受益匪浅的。谢谢老师这段时间的指导！

参考文献：

[1] 电子工程实践技术．付家才．北京工业出版社，2003 [2] 电子技术实验与课程设计．毕满清．机械工业出版社，2001 [3] 数字电子技术基础（第五版）．阎石主编．高等教育出版社，2009 [4] 电子工程手册．丁润涛主编．机械工业出版社，1995 [5] multisim10应用教程.韩力.电子工业出版社，2008

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