十字路口交通灯控制器
十字路口交通灯控制器
1 设计主要内容及要求
1.1 设计目的：
（1）掌握十字路口交通灯控制器的构成、原理与设计方法； （2）熟悉集成电路的使用方法。 1.2 基本要求
（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，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆留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40秒，黄灯亮5秒；支干道放行20秒，黄灯亮5秒；
（3）各计时电路显示
2 设计过程及论文的基本要求：
2.1 设计过程的基本要求
（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选2个方向： （2）符合设计要求的报告一份，其中包括逻辑电路图；
（3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。
2.2 课程设计论文的基本要求
（1）参照毕业设计论文规范打印，包括报告中的所有电路图。
（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（逻辑电路图）。
3 时间进度安排
1 设计任务描述
1.1 设计题目：十字路口交通灯控制器 1.2 设计要求
每个选题最多只允许8人进行设计，每题的n 个设计必须保证不雷同——包括设计和报告；否则，轻微雷同的影响成绩，严重的不及格。尽量能够进行仿真验证运行，仿真工具可自选MultiSim/ModelSim/QuartusII/ISE/Protous中之一。 1.2.1 设计目的
(1) 掌握十字路口交通灯控制器的构成、原理与设计方法； (2) 熟悉集成电路的使用方法 1.2.2 基本要求
(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，绿灯亮允许通行，黄灯亮则给行驶中的车辆留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40秒，黄灯亮5秒；支干道放行20秒，黄灯亮5秒；
(3)各计时电路显示。
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2 设计思路
如今，可以这样说在世界的的各个地方的马路上都可以看见红绿灯，正是有了这个高科技的产品，减少了许多人力在指挥交通上，同时也避免了许多本可以避免的交通事故。如今他已经成为疏导交通车辆最长见和最有效的手段。
但这一技术早在19世纪就已经问世了，而且随着时代的发展，社会的进步，信号灯的技术也得到了发展。1858年，在英国伦敦的主要街头安装了以燃煤气为光源的红、蓝两色的机械扳手式信号灯，用以指挥马车通行，这是世界上最早的交通信号灯。1868年，英国机械工程师纳伊特在伦敦威斯敏斯特区的议会大厦前的广场上，安装了世界上最早的煤气红绿灯。1914年，电器启动的红绿灯出现在美国，他被安装在纽约市5号大街的一座高塔上。1918年，又出现了带控制的红绿灯和红外线红绿灯。
现在正在应用的红绿灯主要有三种类型，定周期的信号机，多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能式信号机。其中定周期信号机这一类型以其设计简单，成本低，安装及维护方便等特点得到了广泛的应用。本次课程设计中我所设计的十字路口交通灯控制器就属于这一类型。
在本次课程设计中针对“十字路口交通灯控制器”这一课题，我采用了555脉冲发生器产生1KHz 的方波，并通过三个74160分频器进行分频，产生大小为1KHz 的方波，即1秒的脉冲信号供电路使用。我选择74163对信号进行计数，通过非门和6线与门产生T30秒，Ts20秒，Ty5秒的计数范围为74153数据选择器提供信号，同时返回St 是计数器清零重新计数。数据选择器输出的信号通过D 触发器向译码器传递，然后通过非门和或门产生四种分配状态，即主绿——支红，主黄——支红，主红——支绿，主红——支黄的循环，达到十字路口交通灯的作用，满足课程设计的要求。
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3 设计方框图
由对十字路口交通灯控制器的分析可以画出十字路口交通灯控制器的原理方框图，如上图所示。他是由控制器、定时器、译码器
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信号灯状态与车道运行状态如下：
S0：主干道车道的绿灯亮，车道通行；支干道车道的红灯亮，车道禁止通行。 S1：主干道车道的黄灯亮，车道缓行；支干道车道的红灯亮，车道禁止通行。 S2：主干道车道的红灯亮，车道禁止通行；支干道车道的绿灯亮，车道通行。 S3：主干道车道的红灯亮，车道禁止通行；支干道车道的黄灯亮，车道缓行。
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4 各部分电路设计及参数计算
4.1 秒脉冲信号发生器
本电路中的振荡器是由555定时器和R 和C 构成的多谐振荡器。由于555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。 工作原理：通过调整电阻R 的阻值与电容C 的容值来调节振荡器的产生频率，此次设计中振荡器的振荡频率为1Hz ，即所需要的秒脉冲信号。 秒信号产生电路参数计算
参数标注如图4.1所示，555振荡器电路的振荡周期可由下式估算： T=t1+t2=1 s
t1=0.7(R1+R2 +R2)C1 t2=0.7R2C1
δ为0.6，可得 若选定脉冲占空比t 1
δ=t 1+t 2=0.6
t1=0.6⨯1s=0.6s t2=T-t1=1-0.6=0.4s
取电容C=470μF ，则R2=
t 20. 7C 1
0. 6⨯0. 001
=0. 7⨯0. 1⨯0. 000001=1kΩ
则R1=1 kΩ.
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4.2定时器
4.2.1 设计思路
定时器由计数器构成，且该计数器与系统的秒脉冲同步。首先，计数器在状态转换信号St 的作用下清零。然后，当时钟脉冲上升沿到来的时候，计数器从零开始计数。接着计数器分别向控制器提供模5的定时信号TY 和模30、20的定时信号Tl Ts 。因此选用具有同步清零、同步计数的计数器会比较简单，在这次设计中选用了74163。 4.2.2 主要元器件介绍
74163 为中规模集成计数器芯片，是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。它的管脚排列及功能表如下
表3.1 74163功能表
Q D 由功能表可见，当清零端 CLR=1 ，置入 CLOD ，计数允许端 P=T=1 时工作在计数状态，管脚 15 输入进位脉冲。 该芯片也可以实现可编程计数器，即它的每一个输出可被预置为任一电平，当置入端 CLOD=0 时，在下一个时钟脉冲到来后，输出端的数据便和输入数据一致。这种计数器的清零是同步清零，即清零端 CLR=0 时在一个时钟脉冲到来后才能清零。
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4.2.3电路组成
从与门中输出的信号被输送到下一级数据选择器中进行选择。
4.3控制器
4.3.1设计思路
控制器的核心部分，它应该按照交通灯管理规则控制信号灯的工作状态的转换。根据前面的分析可知设计思路
控制器是交通交通灯有四种正常工作状态： S0 S1 S2 S3
根据分析及图可列出控制器状态转移表：
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表3.2 控制器状态转移表
现态 状态转换条件 次态 状态转换信号 Q 1N Q0N T l T Y Q 1N+1 Q0N+1 S R 0 0 0 * 0 0 0 0 0 1 * 0 1 1 0 1 * 0 0 1 0 0 1 * 1 1 1 1 1 1 0 * 1 1 0 1 1 1 * 1 0 1 1 0 * 0 1 0 0 1 0 * 1 0 0 1
根据表所示，现态与次态相同，故可以选用两个D 触发器FF0和FF1作为时序寄存器产生四中状态。制器状态转换的条件为T l 和T Y ，当控制器处于Q 1n Q 0n ＝ 00状态时，如果T l ＝ 0，则控制器保持在00状态；如果T l ＝1，则控制器转换到Q 1n+1Q 0n+1＝ 01状态。这两种情况与条件T Y 无关，所以用无关项"*"表示。其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号S R
根据表可以列出状态方程：
Q 1n+1=Q1n Q 0n TY +Q0n Q 1n + Q1n Q 0n T Y Q 0n+1=Q1n Q 0n Tg +Q0n Q 1n + Q1n Q 0n T g
Sr=Q1n Q 0n Tg + Q 1n Q 0n TY +Q0n Q 1n Tg + Q1n Q 0n T y
根据以上方程，可以选用数据选择器74153来实现每个D 触发器的输入函数。
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4.3.2主要元器件介绍 1.D 触发器
D 触发器的功能表：
表3.3 D触发器功能表
根据功能表可知该触发器的次态总是与输入端D 保持一致，可被应用于数据存储。 2.74153
74153是双四选一的数据选择器，即一个芯片中包含了2个四选一电路，功能表为： 输入 输出 ST A 1 A o Y H * * L L L L D0 L L H D1 L H L D2 L H H D3
表3.4 74152功能表
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4.3.3电路组成
4.4 译码器
译码器器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的四种工作状态翻译成东西道、南北道上6 个信号灯的工作状态。在正常情况下控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系 如下表所示：
Q 1 Q 0 Y3 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0
通过译码器传出的信号，再通过有或门和非门组成的电路，将最终信号传送到发光二极管。
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5 工作过程分析
交通灯控制器的工作过程分析如下：
1. 第一个工作状态：由上控制器输出状态Q 1=0，Q 0=0，根据控制器状态编码与信号灯关系表可知，主干道绿灯亮，支干道绿灯亮。根据电路图，数据选择器74153的共用地址输入端A 1、A 0与输出状态Q 1、Q 0相同A 1=Q1=0，A 0=Q0=0，当计数器未记到30时，计数器没有输出；当计数器计到30时，输出时间间隔T l 即T l =1，T l 和经过反相器的T l 同时送到数据选择器中，跟据第二片数据选择器A 1、A 0的状态可以判断出输出信号Y=D0即输出T l ，该信号又被送入第二片D 触发器中，输出Q 0=Tl 即Q 0=1，Q 1持续上一状态 Q1=0。与此同时，根据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号S t ，这样计数器清零，开始进入下一工作状态。
2. 第二个工作状态：主干道黄灯亮，支干道红灯亮，有表4即控制器状态编码与信号灯关系表可知，控制器输出状态Q 1=0,Q0=1。根据电路图，数据选择器74153的共用地址输入端A 1、A 0与输出状态Q 0、A 1=Q0=1，A 0=Q1=0。当计数器未记到5时，计数器没有输出；当计数器计到5时，输出时间间隔T Y 即T Y =1，T Y 和经过反相器的T Y 同时送到数据选择器中，跟据第一片数据选择器A 1、A 0的状态可以判断出输出信号Y=D2即输出T Y ，该信号又被送入第一片D Q 1=TY 即Q 1=0，Q 0持续上一状态 Q0=0。与此同时，根据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号S R 状态。
3. 第三个工作状态：由上控制器输出状态Q 1=1，Q 0=1，根据控制器状态编码与信号灯关系表可知，主干道红灯亮，支干道黄灯亮。根据电路图，数据选择器74153的共用地址输入端A 1、A 0与输出状态Q 0、Q 1相同A 1=Q0=0，A 0=Q1=1，当计数器未记到20时，计数器没有输出；当计数器计到20时，输出时间间隔T Y 即T Y =1，T Y 和经过反相器的T Y 同时送到数据选择器中，跟据第一片数据选择器A 1、A 0的状态可以判断出输出信号Y=D1即输出T Y ，该信号又被送入第一片D 触发器中，输出Q 1=TY 即Q 1=1，Q 0持续上一状态 Q0=1。与此同时，根据第三片数据选择器可知，输出状态转换信号S R ，这样计数器清零，开始进入下一工作状态。
4. 第四工作状态：由上控制器输出状态Q 1=1，Q 0=0，根据控制器状态编码与信号灯关系表可知，主干道红灯亮，支干道绿灯亮。根据电路图，数据选择器74153的共用地址输入端A 1、A 0与输出状态Q 1、Q 0相同A 1=Q1=1，A 0=Q0=1，当计数器未记到5时，计数器没有输出；当计数器计到5时，输出时间间隔T G 即T G =1，T G 和经过反相器的T G 同时送到数据选择器中，跟据第二片数据选择器A 1、A 0的状态可以判断出输出信号Y=D3即输出T G ，该信号又被送入第二片D 触发器中，输出Q 0=TG 即Q O =0，Q 1持续上一状态 Q1=1。与此同时，根据第S R ，这样计数器清零，开始进入下一工作状态。
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6 元器件清单
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7 主要元器件介绍
7.1 555
555定时器是一种将模拟电路和数字电路混合在一起的集成电路，本次设计中选用的555是一种应用特别广泛、作用很大的的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。该电路是由三个5千欧的电阻组成分压器、两个高精度电压比较器、一个基本R-S 触发器、反相缓冲器及放电管组成，它结构简单，使用灵活方便，因此应用很广泛。
若选集成计数器74160，74160是一个具有同步清零、同步置数、可保持状态不变的4位二进制加法计数器。
74163 为中规模集成计数器芯片，是4位二进制同步计数器，它具有同步清零、同步置数的功能。当清零端 CLR=1 ，置入 CLOD ，计数允许端 P=T=1 时工作在计数状态，管脚 15 输入进位脉冲。 该芯片也可以实现可编程计数器，即它的每一个输出可被预置为任一电平，当置入端 CLOD=0 时，在下一个时钟脉冲到来后，输出端的数据便和输入数据一致。这种计数器的清零是同步清零，即清零端 CLR=0 时在一个时钟脉冲到来后才能清零。
7.2
74163
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7.3
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