交通控制灯设计与实现

1、 实验报告九：交通控制灯系统 2011059170033一实验目的1. 学会利用现有电子技术的知识，设计一个交通控制灯并利用Multisim进行仿真。2.了解555多谐振荡触发器和分频电路的主要参数，掌握交通控制灯中相关电路的设计方法。3.学会绘制状态表的方法，并掌握通过Multisim仿真设计进行电路连接，仿真和调试的方法。二实验要求1.设计并实现一个十字路口的交通控制电路，具体要求为： 以4个红色指示灯，4个绿色指示灯和4个黄色指示灯模拟路口的东、西、南、北四个方向的红、黄、绿交通指示灯，通过控制这些指示灯，使它们按照下列的规律亮和灭：（1）东、西方向绿灯亮，南、北方向红灯亮。东、西方向通

2、车，时间为30秒；（2）东、西方向黄灯闪烁，南、北方向红灯亮，时间为2秒；（3）东、西方向红灯亮，南、北方向绿灯亮，南、北方向通车，时间30秒；（4）东、西方向红灯亮，南、北方向黄灯闪烁，时间2秒；（5）返回第一步，重新运行。2.利用555多谐振荡器及分频电路设计实现时钟信号发生器，作为交通控制灯系统中的时钟电路。3.在Multisim仿真中进行模拟，要求进行电路连接、仿真和调试，并阐明试验原理。 并记录所设计的交通控制灯电路的仿真结果和输入和输出波形。 三实验原理及内容1、交通灯系统总结构交通灯系统控制电路主要由以下几部分构成，如下图所示，包括了供电电路，秒脉冲发生电路，分频电路，定时电路，

3、(交通灯)状态控制电路以及显示电路。定时电路脉冲发生电路供电电路分频电路显示电路状态控制电路第一部分：供电电路电源电路主要由整流、滤波、稳压三部分组成，用于供给数字电路的工作电源。整流部分由变压器与整流桥KBP210G组成。220V、50Hz的交流输入经过变压器之后，输出9V、50Hz的交流电压。该电压输入整流桥，整流桥由四只整流二极管接成电桥的形式组成。整流桥输出8.1V的直流电压。滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，由1mF的电容组成电容滤波电路。电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小，适合负载电压较高，负载变动不大的场合。稳压电路用于稳定电压的输出，由三端集成稳压器L7805和

4、电容组成。C2、C3用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，C4用于减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。 供电电路第二部分：脉冲电路利用555定时器为主组成多谐振荡器，输出4Hz的矩型方波，实现脉冲电路功能。555定时器的原理图和功能表如下所示：（3）输出端vO控制电压（5）vICvI1阈值输入（6）触发输入（2）vI2放电端（7）vO1VCC电源 （8）RD复位（4）（1）5k5k5kTRSQ&1-+-C1C2 如图所示，R6、C2组成一个串联RC充放电电路，在NE555的7脚上输出一个方波信号，C2上得到一个三角波。此三角波送到NE555的2脚

5、输入端。由NE555内部的比较器和门电路共同作用，维持7脚上的方波信号和3脚上的输出方波。 取R1=10k，R2=10 k，C=1.6uF。即可实现输出4Hz的矩型方波。第三部分：状态控制电路（2）交通灯运行状态分析 如要求实现的交通灯控制电路，要求每个方向有三盏灯，分别为红、黄、绿，配以红、黄、绿三组时间到计时显示。一个方向绿灯、黄灯亮时，另一个方向红灯亮。每盏灯顺序点亮，循环往复，每个方向顺序为绿灯、黄灯、红灯。交通灯控制系统的原理主要由控制器、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

6、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。 TL: 表示东、西方向车道或南、北方向车道绿灯亮的时间间隔为30秒，为行人、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2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。 交通灯的运行状态共有四种，分别为： 状态0：东、西方向车道的绿灯亮，东、西方向车道的车辆允许通行；南、北方向车道的红灯亮，南、北方向车道的车辆禁止通行。绿灯亮足规定的时间隔TL时，控制器发出状态信号ST，转到下一工作状

7、态。 状态1：东、西方向车道的黄灯闪烁，东、西方向车道上未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；南、北方向车道的红灯亮，南、北方向车道的车辆禁止通行；黄灯亮足规定时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 状态2：东、西方向车道的红灯亮，东、西方向车道的车辆禁止通行；南、北方向车道的绿灯亮，南、北方向车道的车辆允许通行；绿灯亮足规定的时间间隔TL时，控制器发出状态转换信号ST，转到下一工作状态。 状态3：东、西方向车道的红灯亮，东、西方向车道的车辆禁止通行；南、北方向车道的黄灯闪烁，南、北方向车道未过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行；黄灯亮足规定的

8、时间间隔TY时，控制器发出状态转换信号ST，系统又由状态3循环至状态0，循环往复。交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表12、1所示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定：     表1 控制器工作状态及功能表控制状态信号灯状态车道运行状态S0（00）东、西方向绿灯亮南、北方向红 甲车道通行，南、北方向车道禁止通行S1（01） 东、西方向黄灯闪烁南、北方向红 甲车道缓行，南

9、、北方向车道禁止通行S3（11）东、西方向红、南、北方向绿灯亮东、西方向车道禁止通行，东、西方向车道通行S2（10）东、西方向红、南、北方向黄灯闪烁东、西方向车道禁止通行，东、西方向车道缓行AG=1东、西方向车道绿灯亮BG=1南、北方向车道绿灯亮AY=1东、西方向车道黄灯闪烁BY=1南、北方向车道黄灯闪烁AR=1东、西方向车道红灯亮BY=1南、北方向车道红灯亮（2）控制器 控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。选用两个D触发器FF1、FFO做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为TL和TY，当控制器处于Q1n+1Q0n+1 00状态时，如果TL

10、 0，则控制器保持在00状态；如果，则控制器转换到Q1n+1Q0n+1 01状态。这两种情况与条件TY无关，所以用无关项"X"表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号ST。 输 入 输 出CR LD CTP CPT CP D0 D1 D2 D3Q0 Q1 Q2 Q30 × × × × × × ×1 0 × × d0 d1 d2 d31 1 1 1 × × × ×1 1 0 × × × × 

11、15;1 1 × 0 × × × × ×0 0 0 0d0 d1 d2 d3计 数保 持保 持第四部分：定时电路 在交通灯系统中加入定时电路，即路口要有数字显示，作为倒计时提示，具体内容为： 当某方向绿灯亮时，置显示器为某值，然后以每s减1的计数方式工作，直至减到数为2和0，十字路口绿、黄、红灯变换，一次工作循环结束，而进入下一步某方向的工作循环。根据题目的要求南、北方向车道和东、西方向车道两条道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为30s，也就是一时间脉冲7个循环是60s，如此先显示30s后显示30s倒计时，然后再显示30s倒计时，

12、以此类推。设计时采用两块74LS193，一块是显示十位，一块是显示个位。个位接成十进制，从9开始倒计时，当到达0时，向高位发出一个借位信号，再继续从9倒计时。一开始使十位数置数为3，二进制为0011，个位数为0，二进制为0000，此时个位产生一个借位信号给十位的脉冲输入端，十位的74LS193芯片倒计时一次，结合个位的设置，电路从30开始倒计时。当主车道绿灯亮了28s，倒计时也已经数到了2了，此时，个位显示2，十位显示0，主车道的绿灯熄灭，主车道的黄灯开始倒计时闪亮2s，当倒计时到0后，个位芯片74LS193发出一个借位信号，向高位借数，但是高位已经是0了，按照要求此时十位应该是从0翻转2，即

13、二进制0010。为了实现这功能，通过研究十位的二进制数发现，十位的二进制是从0011、0010、0001到0000计数完，翻转为二进制0010，然后从0010、0001到0000倒计时，当到0000后就结束一个循环，又从0011开始新的一个循环。从二进制0011和0010两个不同的预置数，发现可以用1个D触发器74LS74接成T触发器并把Q端接至十位倒计时的最低位来完成这个功能。高位产生借位信号时将Q端的信号置入，当这个借位信号（低电平）消失后，产生一个上升沿的脉冲信号，使T触发器翻转然后保持，下一个借位信号来时就把此时的Q值置入（此时Q值为原来的非，即由0变1或由1变0），然后翻转。通过以上置数方式可实现0011和0010的交替置入。另外，通过在特定时刻（倒计时高位由0000变为0010后）对T触发器进行清零，可实现主次干道通行时间的调整。最后将电路的倒计时接到译码器74HC4511，再接到共阴极数码显示管上显示十进制数字。据此画出倒计时电路如下图所示：总体电路图 根据上面各功能电路的设计整合，用Multisim仿真软件画出总体电路图如下所示：4 实验数据1、 交通灯仿真转换数据统计仿真测试50次，其变化数据如下：绿黄 黄红 红绿 绿黄 黄红 红绿 正确 正确 正确 正确 正确 正确结论：交通灯转换无问题 5 实验结论 通过实验，利用基础的电子技