交通信号灯控制器

目 录 第一部分 设计任务 1.1 设计题目及要求 1.2 备选方案设计与比较 1.2.1 方案一 1.2.2 方案二 1.2.3 各方案分析比较 第二部分 设计方案 2.1 总体设计方案说明 2.2 模块结构与方框图 第三部分 单元电路设计与参数计算 3.1 功能模块一-----PI（倒计时计数模块） 3.1.1 模块电路及参数计算 3.1.2 工作原理和功能说明 3.1.3 器件说明 3.2 功能模块二 -----YU（红黄绿灯状态转换） 3.2.1 模块电路及参数计算 3.2.2 工作原理和功能说明 3.2.3 器件说明 3.3 功能模块三------AN（秒脉冲产生电路） 3.3.1 模块电路及参数计算 3.3.2 工作原理和功能说明 3.3.3 器件说明 第四部分 整体电路 4.1 整体电路图 4.2 元件清单 第五部分 电路仿真结果 5.1 电路仿真调试 5.1.1 调试步骤及测量数据 5.1.2 故障分析及处理 5.2 整体性能指标测量 第六部分 设计总结 第七部分 参考文献 第一部分 设计任务 设计题目：交通灯信号控制器 1.1 设计要求 （1）有东西方向和南北方向两条车道，东西方向为主干道，通行时间设为 45 秒，南北 方向为匝道，通行时间设为 20 秒，两条交叉道路上的车辆交替运行，并且两条车道上的预 置时间均可修改; （2）在路灯转为红灯时，要求黄灯先亮 5 秒钟，才能变换运行车道; （3）黄灯亮时，要求每秒闪亮一次； （4）东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显 示器进行显示（采用倒计时的方法） 。 1.2 备选方案设计与比较 1.2.1 方案一：采用计数器 74163实现 74163是一个具有同步清零、 同步置数、 可保持状态不变的 4 位二进制同步加法计数器， 其功能如下表所示。 输入 输出 ENT ENP CLK Qn 0 x x x 1 0 x x 1 1 1 1 1 1 0 x 1 1 x 0 ↑ ↑ ↑ x x 同步清除 同步预置 计数 保持 保持 若选用集成计数器 74163来实现，则其输出状态编码与车道状态的对应关系为 S0=0000，S1=0001,S2=0010,S3=0011(输出的编码从左至右分别为 QD、 QC、QB、QA )。 通过信号灯与车道状态的关系可进一步得到， 计数器输出状态编码与信号灯状态的对应关系 如下表所示。 表 2 状态编码与信号灯状态关系表 QD QC QB QA GA YA RA GB YB RB 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 由表 2 可以得出信号灯状态的逻辑表达式： GA=AQBQCQDQ YA=QABQCQDQ RA=QB GB=AQQBCQDQ YB=AQBQCQDQ RB=BQ 车道状态由 S0-S1-S2-S3的逐步变换实际上就是计数器74163一个加法计数器的过程。 74163的输出由 0000开始加法计数，加至 0011后又返回 0000重新计数。因此观察 74163 的功能表，只要在计数时给 CLR高电平，计满 0011后给 CLR一个低电平，这样就可以实现 上述变化。因此，只需将 74163的输出端 QA、QB 用一与非门连接后接在 CLR端即可。同时， 74163的引脚 LOAD、ENP、ENT置高电平，CLK输入时钟脉冲（暂时由时钟信号源替代） ，引 脚 A 、B 、C 、D 、RCO悬空。按此方法连接后的电路如下图所示。 图 1 74163构成的信号转换器 1.2.2 方案二：采用 JK 触发器实现 若选用 JK 触发器，设状态编码为 S0=00,S1=01,S2=11,S3=10,其输出为 Q1、Q0，则其 与信号状态关系如表 3 所示。 表 3 状态编码与信号灯关系表 现态 次态 输出 nQ 1 nQ 0 1 1 nQ 1 0 nQ GA YA RA GB YB RB 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 由表 3 可以得出信号灯状态的逻辑表达式： GA= nQ 1 nQ 0 YA= nQ 1 nQ 0 RA= nQ 1 GB= nQ 1 nQ 0 YB= nQ 1 nQ 0 RB= nQ 1 JK 触发器的输出状态是与 J 输入端的状态是相同的， 同时分析表 3 ， 触发器 0 的现态与 触发器 1 的次态相同，触发器 1 的现态与触发器 0 的次态相反，因此可以将触发器 0 的输 出端 Q ，Q( 现态) 分别接触发器 1 的 J 、K 输入端（次态） ，触发器 1 的输出端 Q ，Q（现态） 分别接触发器 0 的 K 、J 端（次态） ，取触发器 0 为 U1A、触发器 1 为 U1B，连接后的电路图 如图 3 所示。 图 3 JK触发器构成的信号转换器 对方案一和方案二进行比较， 发现方案二无论是从原理还是从接法画线上， 都是比较简 单易懂的，工作效率高，而且不容易出错。故信号灯转换器选择方案二的接法，即用 JK 触 发器进行信号灯的转换。 第二部分 设计方案 2.1 总体设计方案说明 依据功能要求，交通灯控制系统主要由秒表脉冲信号发生器、倒计时计数电路和信号灯 转换器组成，原理框图如下图 1.1.1所示。秒表脉冲发生器是该系统倒计时计数电路和 黄灯闪烁控制电路的标准时钟信号源。倒计时计数器输出两组驱动信号 T5 和 T0，分别 为黄灯闪烁和变换为红灯的控制信号，这两个信号经信号灯转换器控制信号灯工作、倒 计时计数电路是系统的主要部分，有它控制信号灯转换工作。 东西方向 秒脉冲 发生器 倒计时 计时器 信号灯 转换器 南北方向 图 1.1.1 （1 ）图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止 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 态。 （2 ）甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲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，乙车道禁止通行。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。 （3 ）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通 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。 （4 ）甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线 的车辆停止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车