交通灯控制逻辑电路设计（数字电路交通灯控制器设计）

一﹑简述
为了确保十字路口的车辆顺利﹑畅通地通过，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2.1所示。

图2.1 交通灯控制器的系统框图

二﹑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. 满足如图2.2顺序工作流程。

图2.2 交通灯顺序工作流程图(t为单位时间)

图中设南北方向的红﹑黄﹑绿灯分别为NSR﹑NSY﹑NSG东西方向的红﹑黄﹑绿灯分别为EWR﹑EWY﹑EWG。
它们的工作方式，有些必须是并行进行的，即南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮。
2.应满足两个方向的工作时序：即东西方向亮红灯时间应等于南北方向亮黄﹑绿灯时间之和，南北方向亮红灯时间应等于东西方向亮黄﹑绿灯时间之和。时序工作流程图见图2.3所示。

图2.3 时序工作流程图

图2.3中，假设每个单位时间为3秒，则南北﹑东西方向绿﹑黄﹑红灯亮时间分别为15秒﹑3秒﹑18秒，一次循环为36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，作为时间提示，以便人们更直观地把握时间。具体为：当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每秒减1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，而进入下一步某方向的工作循环。
例如：当南北方向从红灯换成绿灯时，置南北方向数字显示为18，并使数显计数器开始减“1”计数，当减到绿灯灭而黄灯亮（闪耀）时，数显的值应为3，当减到“0”时，此时黄灯灭，而南北方向的红灯亮；同时，使得东西方向的绿灯亮，并置东西方向的数显为18。
4.可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀。
5.在完成上述任务后，可以对电路进行以下几方面的电路改进或扩展。
（1）设某一方向（如南北）为十字路口主干道，另一方向（如东西）为次干道；主干道由于车辆多﹑行人多，而次干道的车辆﹑行人少，所以主干道绿灯亮的时间，可选定为次干道绿灯亮的时间的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）。
三﹑可选用器材：
1.NET系列数字电子技术实验系统
2.直流稳压电源
3.交通信号灯及汽车模拟装置
4.集成电路：74LS74，74LS164，74LS168，74LS248及门电路
5.显示：LC5011—11，发光二极管
6.电阻
7.开关
四﹑设计方案提示
根据设计任务和要求，参考交通灯控制器电路的逻辑电路主要框图2.1，设计方案可以从以下几部分进行考虑。
1.秒脉冲和分频器
因十字路口每个方向绿﹑黄﹑红灯所亮时间比例分别为5：1：6，所以，若选4秒（也可以选3秒）为一单位时间，则计数器每4秒输出一个脉冲。这一电路就很容易实现，逻辑电路参考前一课题。
2.交通灯控制器
由波形图可知，计数器每次工作循环周期为12，所以可以选用12进制计数器。计数器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如表2.1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：

t	计数器输出	南北方向	东西方向
	Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5	NSG NSY NSR	ENG EWY EWR
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11	0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1	1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0    0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1	0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0    0

东西方向绿：EWG=Q4·Q5
黄：EWY=Q4·Q5（EWY’=EWY·CP1）
红：EWR= Q5
南北方向绿：NSG=Q4·Q5
黄：NSY=Q4·Q5（NSY’=NSY·CP1）
红：NSR=Q5
由于黄灯要求闪耀几次，所以用顶时标1s和EWY或NSY黄灯信号相“与”即可。
3.显示控制部分
显示控制部分，实际是一个定时控制电路。当绿灯亮时，使减法计数器开始工作（用对面的红灯信号控制），每来一个秒脉冲，使计数器减1，直到计数器为“0”而停止。译码显示可用74LS248 BCD码七段译码器，显示器采用LC5011—11共阴极LED显示器，计数器采用可预置加﹑减法计数器，如74LS168﹑74LS193等。
4.手动/自动控制，夜间控制
这可用一选择开关进行。置开关在手动位置，输入单次脉冲，可使用交通灯处在某一位置上，开关在自动位置时，则交通信号灯按自动循环工作方式运行。夜间时，将夜间开关接通，黄灯闪亮。
5.汽车模拟运行控制
用移位寄存器组成汽车模拟控制系统，即当某一方向绿灯亮时，则绿灯亮“G”信号，使该路方向的移位通路打开，而当黄﹑红灯亮时，则使该方向的移位停止。如图2.4所示，为南北方向汽车模拟控制电路。
五﹑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2.5所示。

图2.5 交通信号灯控制器参考电路

六﹑参考电路简要说明
1.单次手动及脉冲电路
单次脉冲是由二个与非门组成的RS触发器产生的，当按下K1时，有一个脉冲输出使74LS164移位计数，实现手动控制。K2在自动位置时，由秒脉冲电路经分频后（4分频）输入给74LS164，这样，74LS164为每4秒向前移一位（计数一次）。秒脉冲电路可用晶振或RC振荡电路构成。
2.控制器部分
他由74LS164组成扭环形计数器，然后经译码后，输出十字路口南北﹑东西二个方向的控制型号。其中黄灯信号须满足闪耀，并在夜间时，使黄灯闪亮，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74LS168以减法计数器方式工作，从数字“24”开始往下减，当减到“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，使另一方向——东西方向减法计数器开始工作。
在减法计数器开始之前，由黄灯亮信号使减法计数器先置入数据，图中接入U/D和LD的信号就是由黄灯亮（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.汽车模拟控制电路
这一部分电路参考图2.4。当黄灯（Y）或红灯（R）亮时，RI这端为高（H）电平，在CP移位脉冲作用下，而向前移位，高电平“H”从QH一直移到QA（图中74LD164—1）由于绿灯在红灯和黄灯为高电平时，它为低电平，所以74LS164—1QA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。

图2.4 控制电路
要说明一点，交通灯控制器实现方法很多，这里就不一一举例了。