交通信号灯控制器设计摘要：分析交通信号灯控制系统应用要求及设计原理，设计出能够满座实际应用要求的交通信号灯控制器。

通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十字路口交通管理的自动化. 因此，在本次课程设计里，将以传统的设计方法为基础来实现设计交通控制信号灯。

关键词：控制、计数、译码、显示、时钟信号。

1．设计任务及主要技术指标和要求1.1设计任务和要求：设计一个交通信号灯控制器，有一条主干道和一条支干道汇合成十字路口，在每个入口处设置宏、绿、黄三色信号灯。

红灯亮禁止通行，绿灯亮允许通行，黄灯亮则禁止行使（给行驶中的车辆有时间停在禁止线之外）。

具体要求如下：（1）用红、绿、黄发光二极管作信号灯。

（2）让主干道处于常允许通行的状态，支干道有车来时才允许通行。

可用逻辑开关作主支干道检测车辆是否到来的信号。

（3）主干道和支道交替允许通行。

主干道每次放行45秒，支道每次放行25秒。

（4）在每次由绿灯亮转换到红灯亮的过程中，要亮5秒钟的黄灯作为过渡。

（5）设置45秒、25秒计时、5秒计时显示电路。

提示：设计时先用仿真软件Multisim测试设计电路是否正确，无误再制作实际电路。

参考元器件：74HC160∕161，,74LS47,74LS00,74LS08,74LS112,74HC138,74HC04,等。

1.2工作流程：主支干道都有车：主道方向绿灯亮，支道方向红灯亮；主道方向黄灯亮，支道方向红灯亮；主道方向红灯亮，支道方向绿灯亮；主道方向红灯亮，支道方向黄灯亮。

主干道有车，支干道没车\主干道没车，支干道没车：主道方向绿灯亮，支道方向红灯亮；主道方向绿灯亮，直到支道有车。

主干道没车，只干道有车：主道方向红灯亮，支道方向路灯亮，直到主道有车。

1.3应满足的工作时序：交替通车时，本系统应满足两个工作时序，即主干道方向亮红灯时间（30秒）应等于支道方向亮黄灯（5秒）和绿灯（25秒）时间之和，支道方向亮红灯时间（50秒）应等于主道方向亮黄（5秒）、绿灯（45秒）时间之和。

一次循环为1秒，其中红灯亮的时间是绿灯、黄灯亮的时间之和。

2.总体设计方案2.1 设计思路：①系统中要求有45秒，25秒和5秒的三种定时信号，设计三种相应的计时显示器电路。

计时顺序用顺计时。

定时的起始信号由主控电路给出，定时时间结束的信号也输入主控电路，并通过主控电路去开启和关闭种交通灯或启动另一种计时电路。

②系统要求定时显示电路的输入信号为秒脉冲信号，设计一个可以实现秒脉冲输出的时基电路。

③主控电路是整个电路的核心，它的输入信号来自45秒，25秒，5秒三个定时信号。

主控电路可以控制各种交通灯的开启和关闭，并反馈信号给计时电路，触发与亮着的信号灯相应的定时电路，使其顺时显示相应时间。

2.2 总体设计方案和原理框图：交通灯控制电路是由定时器、控制器、译码器组成的电路，实际交通灯的信号交换是由传感器发生信号实现的。

在课程设计中，用数据开关表示传感器的信号。

交通灯的系统控制框图如图1所示。

主道支道红黄绿红黄绿译码驱动电路主控电路45秒定时、显示25秒定时、显示5秒定时、显示时基电路图1 交通信号灯控制器的总原理框图ＨＧ、ＨＹ、ＨＲ分别表示主干道绿、黄、红三色灯，FG、FY、FR分别表示支干道绿、黄、红三色灯，绿、黄、红三色灯可用发光二极管模拟2.3 方案设计（比较论证）2.3.1方案构思:①方案一：采用单片机实现选用8031单片机，8255并行通用接口芯片，74LS07，MAX692‘看门狗’，共阴极的七段数码管，双向晶闸管，7805三端稳压电源，红、黄、绿交通灯，开关键盘等。

系统总框图如下：图2 方案一系统总框图②方案二：采用数字电子技术（核心控制部分用触发器来实现）交通灯控制系统的原理框图如下图所示。

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: 表示主车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为45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3方案二流程图2.3.2方案比较:方案一采用现在比较流行的51系列片机实现对灯的自动控制和同步倒计时输出。

该方案能够实现设计所给出的要求，且硬件电路较简单接线较容易。

但是，我们现阶段还没有学过单片机的知识，对单片机的具体工作原理不清楚，且完全不懂基于51系列单片机的编程。

对单片机而言，程序是其工作的灵魂，而我们对这又是完全不懂，所以就我们现在所掌握的知识而言，要实现这一方案难度很大！方案二采用的是基本数字电路，原理比较简单，且其原理和所使用器件都是我们在数字电子技术课程中所学过的。

2.3.3方案选择:综上分析，此设计方案选择方案二，其原理简单，便于连线，便于调试，且容易实现。

3.单元电路设计3.1秒脉冲电路脉冲发生器是由555定时器构成的多谐振荡器，因为控制系统是以秒作为单位，所以用秒脉冲发生器，且其对信号的精度要求不高，这里选用555定时器来构成。

555定时器组成的秒脉冲CP1的周期为：T≈0.7(R1+2*R2)*C,若T=1s，令C=10uF,R1=47kΩ,R2=47kΩ。

根据计算结果，脉冲发生器设计如下图：它向计数电路提供的秒计时CP脉冲。

R147k¦¸R247k¦¸C110uFC210nFVCC5VVCC123U5LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2图5 多谐振荡器原理图3.2数码管显示电路显示电路作为定时控制器。

秒信号发生器用于产生整个定时系统的时基脉冲，通过74LS160加法计数器对秒脉冲进行加计数，以达到显示每一种工作状态的持续时间。

当主干道红灯亮时，信号给计数器，使其开始计数。

数码管显示电路由BCD七段译码管、CD4511、74LS160组成。

74LS160芯片如图4所示，CLR 为异步清零端，LD 为置数控制端，P 和T 使能端，CP 为时钟输入端，ABCD 为并行置数输入端，QAQBQCQD 为输出端，功能表如图5所示。

U174LS160DQ A 14Q B 13Q C 12Q D11R C O15A 3B 4C 5D6E N P 7E N T10~L O A D 9~C L R1C L K 2图6CLK CLR LD EP ET 工作状态 × 0 × × × 置零 ↑ 1 0 × × 预置数 × 1 1 0 1 保持 × 1 1 × 0 保持（但C=0）↑ 1 1 1 1 计数表1 74LS160功能表由此可得，数码管显示电路电路如图6所示：U32DCD_HEX U33DCD_HEX U34DCD_HEX U35DCD_HEX U274160N QA14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10~LOAD9~CLR 1CLK 2U374160N QA14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10~LOAD9~CLR 1CLK 2U474160N QA14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10~LOAD9~CLR 1CLK 2U574160NQA14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10~LOAD9~CLR 1CLK 2U174160N QA14QB 13QC 12QD 11RCO 15A3B 4C 5D 6ENP 7ENT 10~LOAD9~CLR 1CLK 2U6DCD_HEXVCC768074797877075073727170696867666564636261605958575655545349图7 数码显示电路3.3译码显示电路交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色的发光二极管，共阳极接法，并联入保护电阻，避免电流过大对二级管造成损坏。

译码器采用实验室最常用的74LS138三线八线译码器，门电路主要用到74LS00，74LS04，74LS08，74LS10。

U174LS00D 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND3Y3B 3A 4Y 4B 4A VCC U274LS04D 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND4Y4A 5Y 5A 6Y 6A VCC U374LS08D 1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND3Y3A 3B 4Y 4A 4B VCC U574LS10D 1A 1B 2A 2B 2C 2YGND3Y3C 3B 3A 1Y 1C VCC图a 图b 图c 图d图8 译码显示电路所用芯片管脚图表2 74LS138真值表显示电路：VCC5V U2574LS138DY015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77A 1B 2C 3G16~G2A 4~G2B5U26A74LS08D U27A 74LS08DR4430ΩR5430ΩR6430ΩR7430ΩR8430ΩR9430ΩLED1LED2LED3LED4LED5LED6U774LS10D1A 1B 2A 2B 2C 2Y G N D 3Y3C 3B 3A 1Y 1C V C C U874LS04D 1A 1Y 2A 2Y 3A 3Y GND 4Y4A 5Y 5A 6Y 6A VCC U974LS00D1A 1B 1Y 2A 2B 2Y GND 3Y3B 3A 4Y 4B 4A VCC 0013VCC 0127811109VCC654321图9 译码显示电路3.4主控电路交通灯的主控电路时一个时序电路，输入信号为：车辆检测信号（传感器信号）设为A、B，三个定时信号5s、25s、45s设为E、D、C。

控制器的状态转换表如表3所示。

状态主干道支干道时间S0 绿灯亮，允许通行红灯亮，禁止通行45S1 黄灯亮，停车红灯亮，禁止通行 5S2 红灯亮，禁止通行绿灯亮，允许通行25S3 红灯亮，禁止通行黄灯亮，停车 5表3逻辑变量的取值含义为：A=0，主干道无车，A=1，主干道有车；B=0，支干道无车，B=1，支干道有车；C=0,45s定时未到，C=1,45s定时到；D=0,25s定时未到，D=1,25s定时到；E=0,5s定时未到，E=1,5s定时到。