交通灯论文

摘 要

随着社会的发展，人类也越来越关注社会安全问题，而交通安全更是人们关注的焦点。其中要保证交通安全要靠大家自觉的遵守交通规则，交通灯规则是最重要规则之一，就比如我们从小就会说得一首顺口溜“红灯停，绿灯走，黄灯亮了等一等”，就是车辆在路口行驶的规则。

现在设计的这种十字路口控制器较为简单，只是应用了数电逻辑电路，实现了一些较为基础的功能，只有红、黄、绿灯和倒计时，没有转弯，所以并不能应用在实际生活中，但并不能抹杀它的用处，没用基础，怎能做更复杂的电路。 关键词：交通灯;数电;主次干道

Abstract

With the development of society, pay more and more attention to human social security problems, and the traffic safety is the focus of attention. This should ensure that traffic safety to depend on everybody conscious obey traffic rules, the traffic lights rules is the most important one of the rules, like we were brought up to a ShunKouLiu "you stop at a red light, a green light to go, yellow light the wait", it is in the corner of the vehicle driving rules.

Now the crossroads controller design is simple, and only applies to a few electric logic circuit, realized some of the more basic function, only red, yellow, green and the countdown, not to turn, so it's not used in actual life, but it doesn't take away from it of use, no basis, how to do more complicated circuit.

Key words: the traffic lights; Several electricity; Primary and secondary roads

目 录

摘 要 ......................................................... 0 引言 ........................................................... 1 1 交通灯的基本知识 ............................................ 1

1.1 交通灯的历史 ......................................................... 1 1.2 交通灯颜色选择的科学理由 ............................................. 1 1.3现代交通灯 ............................................................ 2 2 电路工作原理 ........................................................... 2 2.1实训任务 .............................................................. 2 2.3实训设计 .............................................................. 3 2.3.1震荡电路 ............................................................ 3 2.3.2逻辑组合电路 ........................................................ 3 3电子元件 ................................................................ 6 3.1 NE555 ................................................................ 6 3.2 74LS192 .............................................................. 7 3.3 74LS48 ............................................................... 8 3.4 74LS47 ............................................................... 9 3.5 其它与或非门芯片 .................................................... 11 4 调试 .................................................................. 11 5 结论 ................................................................... 11 谢 词 ................................................................... 13 参考文献 ................................................................. 14

引言

在这设计中，结合所学的内容设计一款规则较为简单的十字路口交通灯控制器。

1 交通灯的基本知识

交通灯由来已久，交通灯不是一天就形成的，而是经过时间的洗礼慢慢形成的，现在交通的规则已日益完善。一个完善的交通规则会更好的保护人们的生命安全，就目前来说，一个完善的交通规则离不开交通灯，所以我们需要了解交通灯。

1.1 交通灯的历史

19世纪初，在英国中部的约克城，红、绿装分别代表女性的不同身份。其中，着红装的女人表示我已结婚，而着绿装的女人则是未婚者。后来，英国伦敦议会大厦前经常发生马车轧人的事故，于是人们受到红绿装启发，1868年12月10日，信号灯家族的第一个成员就在伦敦议会大厦的广场上诞生了，由当时英国机械师德·哈特设计、制造的灯柱高7米，身上挂着一盏红、绿两色的提灯--煤气交通信号灯，这是城市街道的第一盏信号灯。在灯的脚下，一名手持长杆的警察随心所欲地牵动皮带转换提灯的颜色。后来在信号灯的中心装上煤气灯罩 ，它的前面有两块红、绿玻璃交替遮挡。不幸的是只面世23天的煤气灯突然爆炸自灭，使一位正在值勤的警察也因此断送了性命。

从此，城市的交通信号灯被取缔了。直到1914年，在美国的克利夫兰市才率先恢复了红绿灯，不过，这时已是“电气信号灯”。稍后又在纽约和芝加哥等城市，相继重新出现了交通信号灯。

随着各种交通工具的发展和交通指挥的需要，第一盏名副其实的三色灯(红、黄、绿三种标志)于1918年诞生。它是三色圆形四面投影器，被安装在纽约市五号街的一座高塔上，由于它的诞生，使城市交通大为改善。

黄色信号灯的发明者是我国的胡汝鼎，他怀着“科学救国”的抱负到美国深造，在大发明家爱迪生为董事长的美国通用电器公司任职员。一天，他站在繁华的十字路口等待绿灯信号，当他看到红灯而正要过去时，一辆转弯的汽车呼地一声擦身而过，吓了他一身冷汗。回到宿舍，他反复琢磨，终于想到在红、绿灯中间再加上一个黄色信号灯，提醒人们注意危险。他的建议立即得到有关方面的肯定。于是红、黄、绿三色信号灯即以一个完整的指挥信号家族，遍及全世界陆、海、空交通领域了。

从最早的手牵皮带到20世纪50年代的电气控制，从采用计算机控制到现代化的电子定时监控，交通信号灯在科学化、自动化上不断地更新、发展和完善。

交通指挥灯是非裔美国人加莱特?摩根在1923年发明的。此前，铁路交通已经使用自动转换的灯光信号有一段时间了。但是由于火车是按固定的时刻表以单列方式运行的，而且火车要停下来不是很容易，因此铁路上使用的信号只有一种命令：通行。公路交通的红绿灯则不一样，它的职责在很大程度上是要告诉汽车司机把车辆停下来。

1.2 交通灯颜色选择的科学理由

自然界中拥有那么多缤纷的色彩，为什么交通灯的颜色一直选用红黄绿这三种颜

色？其实,用这三色来作交通讯号和人的视觉机能结构和心理反应有关。

我们的视网膜含有杆状和三种锥状感光细胞。杆状细胞对黄色的光特别敏感，三种锥状细胞则分别对红光、绿光及蓝光最敏感。由于这种视觉结构，人最容易分辨红色与绿色。虽然黄色与蓝色也容易分辨，但因为眼球，对蓝光敏感的感光细胞较少，所以分辨颜色，还是以红、绿色为佳。所以，交通灯用什么颜色也是有大学问的呀 ！

颜色也有活动 (activity)的含意，要表达热或剧烈的话，最强是红色，其次是黄色。绿色则有较冷及平静的含意。因此，人们常以红色代表危险，黄色代表警觉，绿色代表安全。

而且，由于红光的穿透力最强，其他颜色的光很容易被散射，在雾天里就不容易看见，而红光最不容易被散射，即使空气能见度比较低，也容易被看见，不会发生事故。所以我们用红色表示禁止。

1.3现代交通灯

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。

交通信号灯的种类有:机动车道信号灯,人行横道信号灯,非机动车道信号灯,方向指示信号灯,移动式交通信号灯,太阳能闪光警告信号灯,收费站天棚信号灯.

交通信号灯是交通信号指挥中的重要组成部分，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。广泛用于公路交叉路口，弯道、桥梁等存有安全隐患的危险路段，指挥司机或行人交通，促进交通畅通，避免交通事故和意外事故发生。

2 电路工作原理 2.1实训任务

（1）设计一个具有三种信号灯（红、黄、绿）的十字路口交通灯控制器，红灯亮禁止通行，绿灯允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆流出时间停在禁行线外。

（2）主支干道交替允许通行，主干道每次放行60秒，黄灯亮5秒；支干道放行20秒，黄灯亮2秒。 （3）个倒计时电路显示。

（4）可自由发挥，增加其它功能，如：行人指示灯显示。

2.3实训设计

交通控制器电路按功能分成3个单元电路：振荡电路、计数器和译码显示电路、主控制电路和信号灯译码驱动。

2.3.1震荡电路

振荡电路输出频率为1Hz、幅度为5 V的时钟脉冲。可用一个555芯片、两个电阻和两个电容，通过电阻给电容C充电、放电的过程来产生振荡，从而输出矩形脉冲。

电路图

图2.3.1 震荡电路

2.3.2逻辑组合电路

74LSl92构成的计数器和译码显示电路 计数器电路具有60 s倒计时(计数范围为60～1的减数计数器)、20 s倒计时(计数范围为30～1的减数计数器)计时功能。此两种计数的实现主要是由2片十进制计数器74LSl92芯片组成，然后通过主控制电路实现转换，最终各个方向的倒计时共用一套译码显示数码管显示出来。74LSl92构成的计数器电路图中，一个用于个位数倒数，用U1代表，其中Q3、Q2、Q1、Q0分别用A、B、C、D代表；另一个用于十位数的倒计，用U2代表，Q3、Q2、Q1、Q0用E、F、G、H代表，个位和十位计数器的四个输出端都接上数码管显示。其中作为个位数的74LS192芯片的CLK接的是1 Hz时钟脉冲。U2要预置值，分别是0101和0001轮流，因为借位输出平时为1，当借位是输出为零，而且当 改变，所以用边缘脉冲触发器。

控制电路和信号灯译码驱动用各种门电路和D触发器组成，能实现计时电路的转换、各方向信号灯的控制。

LD’输入为零时预置值有效，所以借

位输出端接入LD’端。而预置值只需U2的Q3轮流输入0和1，而且在U2的0000后

设计主干道部分的电路。主干道红灯亮20秒，绿灯亮55秒，黄灯亮5秒，而绿灯和黄灯是在60秒倒计时的时候亮，红灯是在20秒时。在60秒倒计时的时候，设主干道黄灯为输出，其中黄灯亮时输出为1，有两路红绿灯，此时Q输出为1，此时主干道的黄绿灯亮，且易见只有在U2的EFGH为000时才有可能出现输出为1的情况，即应该Y1=QE’F’G’H’?,所以只用列在E’F’G’H’情况下得ABCD的真值，则真值表如下

逻辑表达函数式：Y=A’B’C’D’+A’B’C’D+A’B’CD’+A’B’CD+A’BC’D’

用卡诺图化简表2.3.2：

得Y=A’B’+A’C’D’,为了使电路简单，用或非门电路，即Y= (A+B)’+(A+C+D)’。 所以主干道的黄灯的逻辑函数式是Y=Q（E+F+G+H）’((A+B)’+(A+C+D)’)。 因为60秒时，主干道不是黄灯亮就是绿灯亮，所以绿灯的逻辑函数表达式是Y2=Q ((E+F+G+H）’((A+B)’+(A+C+D)’))’。

图2.3.2 卡诺图

而此时主干道红灯灭，也就是说主干道的红灯函数表达式是Y3=Q’。

图2.3.3 原理图

同理可得，次干道的黄灯的表达式应为Y=Q’(QE’F’G’H’)?。设在20秒倒计时的时候，ABCD为输入，黄灯为输出为1,亮时为1，则真值表如下：

即次干道黄灯的逻辑表达式为Y3=Q’(E+F+G H)’ (A+B+C)’。 次干道绿灯逻辑表达式是Y4= Q’((E+F+G H)’ (A+B+C)’)’ 次干道红灯逻辑表达式是Y5= Q’。

此时可知，电路中用或非门较多，为了电路方便，所以触发器脉冲信Y=A+B+C+D+E+F+G+H,由上可知，在ABCDEFGH为00000000之后触发器的Q输出才改变，所以选用上边缘脉冲触发器。

3电子元件 3.1 NE555

555选用NE555，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同。

Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信 号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。

Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA。

Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。

Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。

图3.1.1 NE555引脚

Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON对地为低阻抗，当输出为OFF时对地为高阻抗

Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)

3.2 74LS192

计数器是一个用以实现计数功能的时序部件，它不仅可用来计脉冲数，而且常用作数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能，在电路设计中应用相当广泛。74LSl92是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟十进制可逆计数器、异步并

图3.2.1 74LS192引脚

行置数功能、保持功能以及清零功能。CLR是清零端，LOAD是置数控制端，D0D1D2D3是预设法计数时的初值设置引脚，满足8421编码关系，Q0Q1Q2Q3是数据输出引脚，满足8421编码关系。

表3.2.2 74LS192功能表

电路可进行反馈，而很容易的被级联。即把借位输出端和进位输出端分别反馈到后级计数器的减计数输入端和加计数输入端上即可。

3.3 74LS48

74LS48是7段显示译码器，但除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（a～g）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。

由74LS48真值表可获知7448所具有的逻辑功能：

（1）7段译码功能（LT=1，RBI=1）

在灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI）都接无效电平时，输入DCBA经7448译码，输出高电平有效的7段字符显示器的驱动信号，显示相应字符。除DCBA = 0000外，RBI也可以接低电平。

（2）消隐功能（BI=0）

此时BI/RBO端作为输入端，该端输入低电平信号时，表1倒数第3行，无论LT 和RBI输入什么电平信号，不管输入DCBA为什么状态，输出全为“0”，7段显示器熄灭。该功能主要用于多显示器的动态显示。

（3）灯测试功能（LT = 0）

此时BI/RBO端作为输出端， 端输入低电平信号时，表1最后一行，与 及DCBA输入无关，输出全为“1”，显示器7个字段都点亮。该功能用于7段显示器测试，判别是否有损坏的字段。

图3.3.1 74LS48

（4）动态灭零功能（LT=1，RBI=1）

此时BI/RBO端也作为输出端，LT 端输入高电平信号，RBI 端输入低电平信号，若此时DCBA = 0000，表1倒数第2行，输出全为“0”，显示器熄灭，不显示这个零。DCBA≠0，则对显示无影响。该功能主要用于多个7段显示器同时显示时熄灭高位的零。工作原理:

3.4 74LS47

SD 和RD 接至基本RS 触发器的输入端，它们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=0且RD=1时,不论输入端D为何种状态，都会使Q=1，Q=0，即触发器置1；当SD=1且RD=0时，触发器的状态为0,SD和RD通常又称为直接置1和置0端。我们设它们均已加入了高电平，不影响电路的工作。工作过程如下：

1.CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号将这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5=D。

2.当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4打开，它们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5=D，Q4=Q6=D。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=D。

3.触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。这是因为G3和G4打开后，它们的输出Q3和Q4的状态是互补的,即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁，即封锁了D通往基本RS 触发器的路径；该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用,故该反馈线称为置0维持线,置1阻塞线。Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。Q4输出端至G6反馈线起到使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线；Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用,称为置0阻塞线。因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。总之，该触发器是在CP正跳沿前接受输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成，所以有边沿触发器之称。与主从触发器相比,同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。

图 3.4.1 74LS74

74LS74

脉冲特性:

1.建立时间:由维持阻塞触发器的电路可见,由于CP信号是加到门G3和G4上的,因而在CP上升沿到达之前门G5和G6输出端的状态必须稳定地建立起来。输入信号到达D端以后，要经过一级门电路的传输延迟时间G5的输出状态才能建立起来,而G6的输出状态需要经过两级门电路的传输延迟时间才能建立,因此D端的输入信号必须先于CP的上升沿到达，而且建立时间应满足： tset≥2tpd。

2.保持时间：为实现边沿触发,应保证CP=1期间门G6的输出状态不变,不受D端状态变化的影响。为此，在D=0的情况下，当CP上升沿到达以后还要等门G4输出的低电平返回到门G6的输入端以后,D端的低电平才允许改变。因此输入低电平信号的保持时间为tHL≥tpd。在 D=1的情况下，由于CP上升沿到达后G3的输出将G4封锁，所以不要求输入信号继续保持不变,故输入高电平信号的保持时间tHH=0。

3.传输延迟时间：从CP上升沿到达时开始计算,输出由高电平变为低电平的传输延迟时间tPHL和由低电平变为高电平的传输延迟时间tPLH分别是:tPHL=3tpd tPLH=2tpd

3.5 其它与或非门芯片

图3.5.1 与或非芯片引脚

74LS04是非门芯片，A是输入，Y是输出，Y=A’。

74LS08是与门芯片，A、B是输入，Y是输出，Y=AB。

74LS27是三输入或非门，A、B、C是输入，Y是输出，Y=(A+B+C)’.

74LS32是或门，A、B是输入，Y是输出，Y=A+B。

4 调试

问题接电时数码管显示的是00，无计数功能。

猜测555没有产生1HZ的脉冲，NE555是管脚3输出脉冲，用示波器测，发现有脉冲产生；猜测电路开路或短路，无脉冲传输到74LS192，用示波器测试，发现有脉冲；猜测74LS192已经损坏，用实验箱测试，结果74LS192完好，有计数功能。

原因是74LS192电路接错，检查电路，发现数码管清零端空置，而74LS192输入空置时，默认输入为1，此时清零有效，所以74LS192输出为0。

解决方法清零端接正电源。

问题倒计时是49秒和09秒。

原因是74LS192是同步计数器，应设的预设值=显示的预设值+1，

解决方案是十位数的74LS192的D1应接正电源。

5 结论

实训设计已经结束，通过这次设计，我受益匪浅。实训设计是一次综合性的实践，

它将各种知识结合到一起综合运用到实践上来扩展、弥补、串联所学的知识。通过本次实训设计我得到了很多收获。首先，了解数电逻辑电路的基本知识和在控制领域的作用和地位。掌握了如何收集、查阅、应用文献资料，如何根据实际需要有选择的阅读书籍和正确确定系统所要使用的元器件的类型。再次，在精神方面锻炼了思想、磨练了意志。面对存在的困难首先分析问题根据目的要求确定可实现的部分，定出那不准的方面找同学和老师讨论研究，再完善、再修改、再发现问题、再解决培养了自己的耐心、恒心及遇事不乱的精神。总之，我明白了理论和实践之间存在的距离只有靠不断的思考不断的动手才能将所学的知识真正运用到实践上来。在实训中我的很多方面的能力都得到了提高，尤其在一些芯片和CAD方面让我感触颇深。我个人认为CAD是个即灵活又细腻的工作，它要求耐心和细心去不断完善，同时还需要有良好的逻辑思维能力。通过这次实训，我分析问题和解决问题的能力有所提高，也巩固了所学的知识，加深了对理论知识的理解，更重要的是锻炼自己的独立性，为我今后的工作和学习打下坚实的基础。

在论文完成之际，我的心情万分激动。从论文的选题、资料的收集到论文的撰写编排整个过程中，我得到了许多的热情帮助。

我首先要感谢孟老师，本课题在选题及研究过程中得到老师的悉心指导。老师为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励老师花费大量了的时间和心血在我的论文上，才有我今天的定稿。老师，是你教会我很多有用的知识，特别是教会了我解决问题思考问题的方式和习惯，我在做论文的时候才能有自己的思想和规划，论文工作才有了目标和方向。在此我代表大家向所有老师表示最诚挚的谢意。

[1] 尹雪飞，陈克安.集成电路速查大全.西安电子科技大学出版社

[2] 杨静，徐磊，华容茂.电工、电子技术实习与课程设计.中国电力出版社

[3] 邱寄帆，唐程山.数字电子技术实验与结合实训.人发邮电出版社

[4] 吕思忠，施齐云.数字电路实验与课程设计.哈尔滨工程大学版社