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交通灯控制电路的设计Design of Traffic Control Circuit作者姓名 何欢作者单位 西安邮电学院摘要：介绍了一种交通信号灯控制电路的功能及其设计方案，深入分析和讨论了在十字路口交通灯的工作状态及其实现功能的关键点。并用硬件电路和VHDL仿真实现其功能，完成最基本的交通控制电路的设计。Abstract:Introduced a traffic light control circuit of the function and design, in-depth analysis and discussion of traffic lights at the crossroads of the state and the realization of the work function of the key points. And VHDL simulation with hardware and their function, to complete the most basic traffic control circuit.关键词：交通灯 控制电路 VHDL keywords： FPGA，QUARTUS，VHDL, Traffic light control1.引言随着社会上特别是城市中机动车辆保有量的不断增加，在现代城市的日常运行控制中，车辆的交通控制越来越重要，在十字交叉路口，越来越多的使用红绿灯进行交通指挥和管理。作为一种交通管制系统，交通等起到了很好的疏通作用，防止道路阻塞。是我们的出行变得更加方便。而实际上，我们平时看到的红绿灯指示交通灯控制系统的显示部分，在他的背后还有这很重要的组成部分，而这些我们平时是看不到的。在这里，我们将使用数字电路的知识来设计一套完整的交通灯控制系统。基本的交通等一般包括信号灯、倒计时显示器、控制电路等。信号灯由红、黄、绿三种灯组成，倒计时显示器显示允许或禁行的时间；控制电路则实现信号灯的定时器自动切换和倒计时的显示。本文完成了交通信号灯控制电路的开发，其中交通信号灯控制电路的开发目的是设计一个适用于主、支干道十字交叉路口的红黄绿交通灯的控制系统，通过合理设计系统功能，使红黄绿灯的转换有一个准确的时间间隔和转换顺序，当然这就需要有一个自动和安全的系统对红、黄、绿灯的转换进行控制。 2、系统设计2.1设计要求： 设计一个交通灯控制电路，设计要求如下：1、系统需要控制东西和南北方向的两个路口，每个方向的路口都有红、黄和绿三个指示灯。2、每个方向的路口都有等待时间显示3、东西方向通行时间为6秒，南北方向路口通行时间为8秒。每个路口从通行道禁止都具有1秒的时间间隔。4、控制信号灯使用发光二极管来模拟；5、时钟电路使用555芯片设计；6、使用面包板组装电路。2.2数学建模模型建立是设计要求和应用电路之间的一个桥梁。数字电路常用模型包括真值表和状态图。前者适用于电路状态变化为顺序、循环情况；后者适用于电路状态变化为非顺序，有可能产生分支的情况。交通灯控制电路的工作状态为按既定的顺序变化，因此采用真值表的方式是合适的选择。实现上述设计要求的交通灯控制电路真值表如表1所示。表一交通灯控制电路真值表状态信号x3x2x1x0 东西方向南北方向红黄绿红黄绿0000001100000100110000100011000011001100010000110001010011000110001100011100110010000101001001100001101010000110111000011100100001110110000111101000011111100010交通灯控电路真指标显示输出信号包括2个路口，每个路口具有3个控制信号灯（红色控制信号灯、黄色控制信号灯、绿色控制信号灯）。当控制信号为高电平时，对应的控制信号灯点亮；当控制信号为低电平时，对应的控制信号灯熄灭。东西方向通行时间为8拍，南北方向路口通行时间为6拍。实现两个路口的通行时间不一样，即划分主次干道。改变状态信号的数量可以改变交通灯控制电路一个周期的时间；改变输出控制信号的数值可以改变每个路口的通行时间。综上所述，利用真值表完全可以描述任意要求的交通灯控制电路。2.3交通灯控制电路的系统框图控制信号灯使用发光二极管。当发光二极管的N端接地，这样如果发光二极管的p端接高电平，则发光二极管被点亮；如果发光二极管的p端接低电平，则发光二极管熄灭。有交通灯控制电路真值表可以看出，需要控制信号灯点亮时，对应的电路输出一个高电平；需要控制信号灯熄灭时，电路则输出一个低电平。真值表的输出情况满足发光二极管的工作要求。 在使用74系列标准逻辑芯片实现交通灯控制电路时，高电平为5伏，低电平为0伏，为此发光二激光与地之间需要添加限流电阻。交通灯控制电路真值表的每一个输出至于对应的输入状态有关，因此可以使用组合电路来实现。时序电路的工作需要一个时钟信号的驱动，设计要求使用555芯片来实现。综上所述，交通灯控制电路的系统框图如图1所示。图1 交通灯控制电路的系统框图3、单元电路设计3.1交通灯控制信号产生电路交通灯控制信号产生电路使用组合电路可以实现。需要产生的6路交通灯控制信号的每1路的实现方式是相同的，因此能够完成1路的设计就具有完成其他设计的能力。3.1.1基于门电路设计交通灯控制信号产生电路由表1所示的真值表直接可以写出任意1路交通灯控制信号与状态信号之间的逻辑表达式，以东西方向的红灯为例，其逻辑表达式如式（1）所示。Y东西红=使用代数法，或者卡诺图法可以对式（1）进行化简。化简后，东西方向红灯的逻辑表达式如式（2）所示。Y东西红= 式（2）和式（1）具有同样的逻辑功能。对比它们，式（2）可以使用较少的逻辑门、较小规模的逻辑门来实现要求的逻辑功能。利用式（2）可以直接画出电路图，如图2所示。图2 东西方向红灯控制电路图使用3个二输入与门和1个三输入或门即可实现东西方向红灯的控制电路。采用同样的方法也可以实现其余5个信号灯的控制电路。 当给定逻辑电路的输入信号，它的输出信号可以由电路直接确定，而不必利用布尔表达式进行计算。图2所示的逻辑电路图中给出输入信号为从电路的输入开始分析，经过每一级门电路，逐级写出各级门电路的输出值，直接获得最终的输出值。技术人员在故障检修和系统测试时经常使用这个方法，因为这可以告诉技术人员每个门的输出以及电路最终的输出。 电路的完整时序图可以采用图2所示的方法画出。电路输入信号X0 X1,X2,和X3从0000变到1111，求取每一组输入对应的输出。输出信号Y东西红的波形如图3所示。图3 东西方向红灯控制电路时序图有真值表可以写出逻辑表达式；由逻辑表达是可以画出电路图；分析电路图可以画出时序图。对比时序图和真值表就可以检查所完成的设计是否满足要求。 利用式（2）直接画出的如图2所示的东西方向红灯控制电路中包括与门和或门，如果式（2）中还包含输入状态信号的反变量，再添加非门即可。这说明只要具有与门、或门和非门这3中逻辑门就可以实现任何要求的组合逻辑电路。 对式（2）进行两次求反，可以得到如式（3）所示的与非表达式。式（3）和式（2）具有同样的逻辑功能，但是它显示仅适用与非逻辑门一种器件也可以实现任何要求的组合逻辑电路。 Y东西红= （3）对式（2）进行代数变换，可以得到如式（4）所示的或非表达式。式（4）和式（2）具有同样的逻辑功能，但是它显示仅适用于或逻辑门一种器件也可以实现任何要求的组合逻辑电路。 Y东西红= （4）前面提到交通灯控制信号产生电路需要产生的6路交通灯控制信号，但是每1路的实现方式是相同的，因此能够完成1路的设计就具有完成其他设计的能力。有时多路输出信号之间具有可以利用的逻辑关系，观察表1所示的交通灯控制电路真值表，可以发现东西方向红灯的控制信号与南北方向的控制信号互为反变量。利用它们之间的这种逻辑关系，设计出他们中的任何一个电路，对输出控制信号在添加一个非门就可以获得另外一个控制信号。采用这样的方法，不仅可以加快设计速度，而且可以降低电路规模，进而提高系统的可靠性，因为使用的器件越少，器件之间的连线越少，系统出故障的机率越小。注意，把一个事情变简单是很困难的，反之，把一个事情变复杂是很容易的。 观察真值表，可能还有一些其他的逻辑关系可以被用来简化系统。设计没有一个标准答案，需要不断探索，使之达到最佳。3.1.2基于译码器设计交通灯控制信号产生电路 一个n变量的完全译码器的输出包含了n变量的所有最小项。把逻辑函数中包含的所有最小相对应的译码输出端通过一个与非门输出就可以实现这个逻辑函数。数字电路逻辑设计教材中介绍了3-8译码器74138。它的电路符号和功能表分别如图7和表3所示。 图7 3-8译码器74138电路符号表3 3-8译码器74138功能表G1 G2A+G2B C B AY7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0X 1 X X X1 1 1 1 1 1 1 11 X X X X1 1 1 1 1 1 1 11 0 0 0 01 1 1 1 1 1 1 01 0 0 0 11 1 1 1 1 1 0 11 0 0 1 01 1 1 1 1 0 1 11 0 0 1 11 1 1 1 0 1 1 11 0 1 0 01 1 1 0 1 1 1 11 0 1 0 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 01 0 1 1 1 1 1 11 0 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1利用译码器可以同时实现多路逻辑函数，但是每1路逻辑函数包含的最小项不能太多，否则将要求与非门的输入端的数量很多。由于交通灯控制信号产生电路具有16个状态，因此需要2片3-8译码器74138来完成。实现东西和南北方向黄灯的控制电路的电路图8所示。由于每1路黄灯的控制电路的输出函数值包含一个最小项，因此这里可以使用非们来代替与非门。3.1.3基于标准逻辑器件设计交通灯控制信号产生电路 这里红黄和绿3种信号灯的控制电路利用两种方法来实现。红色信号灯的东西方向控制电路的实现步骤为首先由真值表写出逻辑表达式，逻辑表达式的化简，使用与门和或门实现逻辑电路。这部分为标准的设计方法。观察表1所示的交通灯控制电路真值表，可以发现东西方向红灯的控制信号与南北方向红等的控制信号互为反变量。利用它们之间的这种逻辑关系，对东西方向红色信号灯的输出控制信号在添加一个非门就可以获得南北方向红色信号灯的控制信号。这部分为特殊情况采用的设计方法。绿色信号灯的控制电路采用更多的特殊情况处理方法，首先，观察表1所示交通灯控制电路真值表，当X3=0时，南北方向绿灯不亮，因此取消了一片数据选择器。黄色信号灯的控制电路也采用了特殊情况处理办法。首先，当X3=0时，2个方向的黄灯不亮，因此取消了一片译码器；其次，每一个黄灯只亮一个状态，因此使用非门代替了与非门。3.1.3基于硬件描述语言设计交通灯控制信号产生电路 交通灯控制信号产生电路属于组合电路，因此既可以采用并行语句，也可以使用顺序语句来实现。如果式用原理图输入法实现顶层设计文件，这里将给出完整的VHDL语言代码结构。A 采用并行语句设计交通灯控制信号产生电路 采用并行语句实现表1所示的交通灯控制电路真值表中的交通灯控制信号的VHDL语言代码如代码示例1所示。代码示例1ENTITY decoder_p IS PORT(state_signal:IN BIT_VECTOR(3 DOWNTO 0); led_control: OUT BIT_VECTOR(5 DOWNTO 0);END decoder_p;ARCHITECTURE decoder_p OF decoder_p IS BEGIN WITH state_signal SELECT led_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_controlled_control=100010;end case;end process; END decoder_s; 交通灯控制信号也可以采用顺序赋值语句来实现，当然这也需要首先写出每1路交通灯控制信号的逻辑表达式。采用顺序条件语句也可以实现设计，但是这时的多重判断也将导致VHDL语言代码结构不如并行选择与巨清晰。3.2状态转换电路状态产生电路的主要功能是控制两个方向上的信号灯转换。通常十字路口的交通要道分为主干道和次干道，主干道通行时间大于次干道的通行时间。这里设计的东西方向为主干道，通行时间为8s；南北方向为次干道，通行时间为6s。准备禁止时间，即黄灯等待时间为1s。根据主干道和次干道的通行状况可以分为四种状态：S0:主干道通行8s,次干道禁行8s ;（主绿支红）S1：主干道准备禁行1s，次干道禁行1s;（主黄支红）S2:主干道禁行6s，次干道通行6s;（主红支绿）S3:主干道禁行1s，次干道准备禁止1s；（主红支黄）状态转移图如图9所示。S1S0 S2S3 图9状态产生模块状态转移图由图9可以看出，表1的交通灯控制信号可以主要由这四个状态控制。从0000到0111是S0状态，1000是S1状态，1001到1110是S2状态，1111是S3状态。由此就有了从表1交通灯控制状态到状态产生模块的联系。3.2.1基于触发器设计状态产生电路在数字系统中，常常需要存储一些数字信息。触发器是具有记忆功能、能存储数字信息的最常用的一种基本单元电路。集成触发器的种类很多，基本触发器，钟控触发器、主从触发器和边沿触发器。而基本触发器包括R-S触发器,J-K触发器,D触发器,T触发器.这里采用了74LS74来产生状态。它是一种双D触发器的芯片。它的电路符号和功能表分别如图10和表4所示图10 74LS74电路符号图表4 D触发器状态转移真值表 D QN+1 0 0 1 1当cp=1时，D触发器状态方程为QN+1= D （5）由式5，可以看出，D触发器的下一状态始终和D输入一致，因此又称D触发器为锁存器或延时触发器。本次采用74LS74设计。有状态转移图，采用同步时序电路的设计使用两个D触发器可以设计出状态产生的电路图如图11所示。图11 状态产生电路图该电路图的状态转移表如表5所示Q1NQ0NQ1N+1Q0N+1S00001S10111S21110S31000表5 状态产生模块的状态转移表状态产生模块的输入脉冲信号CP是有计时模块提供的反馈信号。状态产生模块的输出主要有两种作用：1、 控制主干道和次干道交通等的状态变换2、 为计时模块的置数单元提供输入信号 。 3.2.2基于计数器设计状态产生电路在数字系统中计数器是使用最多的时序电路，计数器可以用来对时钟脉冲计数，也可以用来作为定时、分频和执行数字运算等。几乎每一种数字设备中都有计数器。 根据计数脉冲引入方式不同，分为同步计数器和异步计数器两大类。根据计数器在技术过程中数字的增减趋势，又分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。根据计数器计数模值（数值）不同，计数器又可分为二进制计数器和非二进制计数器（常用的有二-十进制计数器）。同步技术骑士将计数脉冲同时引入到各级触发器，当输入计数时钟脉冲出发时，各级触发器的状态是同时发生转移的。常用的有CT74161. 它的电路符号和功能表分别如图12和表6所示 图12 同步计数器74161逻辑符号表6 74161功能表 输入 输出 CTT CTP CP D0 D1 D2 D3 Q0 Q1 Q2 Q30 X X X X X X X X0 0 0 01 0 X X 1 1 1 1 X X X X计数1 1 0 X X X X X X触发器保持，CO=01 1 X 0 X X X X X保持（低电平有效）为异步清零端，当=0时，Q0Q3均为0。（低电平有效）为置入控制端，当=1=0时，在时钟CP的上升沿作用下，外加输入数据D0D3同时置入，即Q0= d0 Q1 =d1 Q2 =d2 Q3=d3 ;CTT CTP为置数控制信号，在=1=1的条件下，CTT =1 CTP=1，完成4为二进制加法计数；CTT =0 CTP=1时，电路中各级触发器状态均保持，而输出CO=0; CTT =1 CTP=0时，电路各级触发器及输出均处于保持。异步计数器不同于同步计数器，构成异步计数器中的各级触发器的时钟脉冲，不一定是计数输入脉冲，各级触发器的状态转移不是在同一时钟作用下同时发生转移。因此，在分析异步计数器时，必须注意各级触发器的时钟信号。表7是4为二进制异步计数器状态转移表。序号 S(t) N(t)00000000110001*00102001000113001*1*010040100010150101*0110601*1*0*011170111100081000100191001*1010101010101111101*1*11001211001101131101*111014111011111511*1*1*0000表7 4位二进制异步计数器状态转移表。异步计数器的特点是电路结构简单，但速度慢，随着位数的增加，计数器从受时钟触发到稳定状态的建立，时延也大大增加。本设计采用74161设计状态产生电路. 由于只需要4个状态，所以只用74161输出端的两个低位端就可以达到目的。=1=1，同时ENT,ENP也置1（高电平）。状态产生模块的输入脉冲信号CP是由计时模块提供的反馈信号。该电路图的状态转移表如表8所示Q1NQ0NQ1N+1Q0N+1S00001S10110S21011S31100表8 状态产生模块的状态转移表由此可见，74161计数器可以达到和上面74174相同的功能。也更加说明了设计没有一个标准答案，需要不断探索，使之达到最佳。3.2.3基于硬件描述语言设计状态产生电路利用VHDL语言实现状态产生电路功能的代码。如代码示例3所示代码示例3LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.ALL;ENTITY zhuangtaixinhao ISPORT (clk_1hz: IN STD_LOGIC; -定义1Hz时钟输入端口 state:OUT INTEGER RANGE 0 TO 21); -定义状态输出端口END zhuangtaixinhao;ARCHITECTURE zhuangtaixinhao OF zhuangtaixinhao IS SIGNAL state_temp:INTEGER RANGE 0 TO 21; -状态暂存信号 BEGIN PROCESS(clk_1hz) -状态产生进程 BEGIN IF(clk_1hzEVENT AND clk_1hz=1)THEN IF(state_temp/=0) THENstate_temp=state_temp-1;ELSEstate_temp=21;END IF;END IF;END PROCESS;END zhuangtaixinhao;采用状态暂存信号state_temp是因为状态输出端口state的端口类型为OUT。OUT类型的端口数据是不能被读取的，但是在产生当前状态时需要知道上一个状态，系上一个状态加1产生当前状态，因此定义了状态暂存信号state_temp.3.3计时电路计时部分是交通灯的重要组成部件，它主要负责完成十字路口主干道和次干道四种通行状态的及时，分别为S0:（主绿支红）状态8sS1：（主黄支红）状态1sS2:（主红支绿）状态6sS3:（主红支黄）状态1s计时电路有两部分组成，分别为置数单元和计时单元。置数单元根据当前所处的状态，为计数单元提供对应的置数信号，作为开始计时的原始时间。计时单元以时钟产生电路提供的秒脉冲信号为基准信号，其输出信号有二路，第一路输出信号送往显示电路；第二路输出信号作为反馈信号送往状态转换模块，作为状态转换模块的输入脉冲CP。计时单元采用倒计时方式，个状态下的计时状况如表14至表17所示。输入信号输出信号输出信号反相计时值状态（编码）S0011110008S0100001117S0100101106S0S0111000011表14 S0状态下倒计时状态表 输入信号输出信号输出信号反相计时值状态（编码）S1)111000011表15 S1状态下倒计时状态表输入信号输出信号输出信号反相计时值状态（编码）S2100101106S2101001015S2101101004S2S2111000011表16 S2状态下倒计时状态表输入信号输出信号输出信号反相计时值状态（编码）S3111000011表17 S3状态下倒计时状态表前已述及，置数单元为计时单元提供计时起始值，从表可以看出，在不同的状态下，计数单元的起始值是不一样的。我们知道，状态转换模块为各个状态提供了不同的状态编码，这就为置数单元实现其功能提供了便利。有了这些状态编码作为输入信号，置数单元就可以通过一套逻辑算法，将其转换为不同状态下的计时起始值。表18列出了各状态下置数单元的输入输出关系。状态输入信号输出信号D11D01D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0S0001111 0111S1011111 1110S2111111 1001S3101111 1110表18 各状态下置数单元的输入输出关系设输入变量为D11 D01，输出变量为D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0，则输出逻辑表达式为D7=D6=D5=D4=1;D3= D11+ D01;D2= =D1;D0=;图14 置数单元电路图为了完成计时初始值的设置，需要利用计数器的同步置数功能，在状态切换的时候，同步的将计时初始值置入到计时单元的计数器中。这样，在新的状态开始时，计时单元将以新设定的即使初始值为基点开始倒计时。计时单元主要由两片74161构成，利用反馈置数法完成固定模值的计数。当计数状态到达11111111时，两片74161的进位端同时由0变为1，此时可以取二者的与非作为反馈置数信号进行置数，将D7D0端的数据置入到芯片中，置数单元的电路图如图15所示。图15 计数单元电路图由于设计的是十进制计数器，所以在一开始会有一些偏离态的数字出现，这就需要有一个启动信号，可以采用复位芯片来提供启动信号，也可以简单的直接手动来提供启动信号，比如一端接低电平（接地）的按钮开关。3.4数码管显示电路3.4.1数码管显示单元负责倒计时在数码管上的显示。包括两块阴极数码管和两片七段显示译码器7448 7448逻辑图如图所示。 图16 7448电路图数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。 七段数码管如图17所示，为共阴极数码管。当阳极输入端为“1”时，对应的数码管段就发光。通过控制发光的段，可以形成不同的数字。H段是小数点，一般用来显示控制信号，不与其它七段一起译码。图17 七段显示数码管其功能表如表19所示数字输入输出字形A3 A 2A1 A0Ya Yb Yc Yd Ye Yf Yg000001 1 1 1 1 1 001000101100001200101101101230011111100134010001100114501011011011560110001111167011111100007810001 1 1 1 1 1 189100111100119101010000110110111011001100111121100010001112131101100101113141110000111114151111000000015表19 七段显示数码管功能表而七段显示数码管的输入状态信号由计时电路提供。数码管显示单元负责倒计时在数码管上的显示，包括两块阴极数码管和两片七段显示译码器74LS48,其结构电路比较稳定。如图18所示。需要注意的是，数码管的公共端要接入一个限流保护电阻。图18数码管显示单元电路图3.4.2基于硬件描述语言设计显示电路entity shumaguan is port(a:in bit_vector(3 downto 0); b:out bit_vector(6 downto 0); end shumaguan; architecture shumaguan of shumaguan is begin WITH a SELECT b=1111110WHEN 0000, 0110000WHEN 0001, 1101101WHEN 0010, 1111001WHEN 0011, 0110011WHEN 0100, 1011011WHEN 0101, 0011111WHEN 0110, 1110000WHEN 0111, 1111111WHEN 1000, 1110011WHEN 1001; end shumaguan; 这里只是相当于写出数码管真值表如表9所示由于交通灯所用的是十进制的数字，所以大于十的数值都将不出现。3.5时钟产生电路3.5.1时钟产生电路的主要功能就是产生频率为1Hz的秒脉冲信号，为计时模块提供计数脉冲。可以用来产生时钟信号的电路有很多种，如石英晶体振荡器，RC振荡器，555多谐振荡器等，可以根据频率稳定度和精确度要求选择使用。一般来讲，对精度要求高的选用石英晶体振荡器，其他可以使用RC振荡器或555多谐振荡器，。图19为555多谐振荡器电路图图19 555多谐振荡器电路图555多谐振荡器的输出脉冲为计时单元提供一个秒脉冲，可以看出时钟部分虽然电路图很简单，但同样有着很重要的作用。3.5.2基于硬件描述语言设计代码示例4LIBRARY ieee;USE ieee.std_logic_1164.ALL;ENTITY shizhong ISPORT(clk:IN STD_LOGIC; -定义4MH