交通信号灯设计

                        -------交通信号灯控制电路的设计

学院：机电与汽车工程学校

专业：机械电子工程一班

学号：********

 姓名： 

1.设计任务及主要技术指标和要求

设计任务：设计制作一个十字路口交通信号灯的控制电路

设计要求： 1、主干道经常通行 ；

2、支干道有车才通行 ；

3、主支干道都有车时，两者交替通行，并要求主干道每次至少放行30秒，支干道每次至多放行20秒；

4、每次绿灯变红灯时，要求黄灯先亮五秒钟（此时原红灯不变）

交通信号灯控制电路的工作原理

有这样一个十字交叉路口如图1所示。每个路口都设有交通信号灯，红灯表示禁止通行；绿灯表示可以通行；红绿灯交替时，黄灯表示已越过停车线的车辆继续通行，而停车线内的车辆停止运行。B车道车辆多而A车道车辆少，所以B经常通行而A有车才通行，A、B都有车时按照规定的时间交替通行。（ B干道为主干道，A干道为支干道）

A

B

图 1

路口车辆运行情况有以下四种：

a: B车道通行，A车道不通行。

b: B车道停车，A车道不通行。

c: B车道不通行，A车道通行。

d: B车道不通行，A车道停车。

这就是求主控制电路也有四种状态：

   首先，假设B车道通行，有车辆过来，这时“B绿灯”和“A红灯”亮，；此时A车道来车，B车道无车，传感器发出信号，使A灯黄灯而B灯红灯，黄灯延时后，计时器发出信号使B灯亮红灯而A亮绿灯，这时A车道的车可以通行了；A车道无车后，传感器又发出信号让A亮黄灯，B灯亮红灯，之后重复上述内容。若两车道同时有车时，通过传感器和计时器发出的信号不断切换，以保证车道运行通畅。

当只要有一条道没车时，计数器不计数，只亮灯。

设计方案方框图

根据交通信号灯的工作原理可知，本设计由传感器、译码驱动电路、主控制器、计时器、时钟信号组成，具体的框图如下图2所示。

图 2

1：计时器

主要是完成30秒、20秒、5秒的计时任务，向主控制器发出相应的定时信号，来控制A、B干道通车时间以及红黄绿灯的时间转化。

2：传感器

监测A、B干道是否有车，如果有车就向主控制器发出信号。

3：时钟信号发生器

产生稳定的秒脉冲信号，即CP信号，确保整个电路装置同步工作并实现定时控制。

4：主控制器

主要是根据传感器和计时器送来的信号，保持或改变电路的状态，以实现对A、B干道的车辆运行状态的控制。

5：译码驱动电路

按照主控制器的状态进行译码，在驱动红黄绿灯进行转变，指挥路上的车辆和行人。

由上，将图2框图进一步的变化，使之更明确，详细，即下图3

图 3

二、主控制电路的设计

A、B干道都没有红黄绿灯，所以它们在正常情况下工作是发亮的灯只有以下四种可能：（ B干道为主干道，A干道为支干道）

①：B干道通行——B绿灯A红灯

②：B干道停车——B黄灯A红灯

③：A干道通行——B红灯A绿灯

④：A干道停车——B红灯A黄灯

A：  状态转换图

根据上面所述四种可能，可画出下图4的状态转

                               图 4

假设：B道有车表示为：A=1，无车：A=0

A道有车表示为：B=1，无车：B=0

A、B道有车过30秒为：L=1

未过30秒为：L=0

A、B道有车过20秒为：S=1

未过20秒为：S=0

黄灯亮过5秒表示为：P=1

未过5秒：P=0

B干道通行状态表示为：S0

B干道停车状态表示为：S1

A干道通行状态表示为：S2

        A干道停车状态表示为：S3

由上述可将图4转化为图5：

图5                                

B：   选择触发器的数目并进行状态分配：

   由上可得状态数目为四，则N=四，选n个触发器须满足以下关系 ：

2n≥N=4    所以：n=2

选J、K触发器，两个触发器的状态输出为：Q1Q2

可令：S0=00，S1=01，S2=11，S3=10

C:                            状态转换表;

注：表中×为任意状态

D：  求状态方程

根据表（二）可以写出状态方程、并化简如下：

1

=

=

=

=

=

2

=

=

=

E:求驱动方程

JK触发器的特性方程为：  

=

=     

根据D中①②两式触发器的驱动方程为：

=

=

F:逻辑电路图

根据E的驱动方程，可将控电路的逻辑电路图画出，如下图6所示。

元件选择：两块JK触发器、与非门、与门、非门、或门。

图6主控制电路逻辑电路图

图  6

图中右上方输出端为，右下方输出端为。

三、计时电路的设计

    根据A、B干道的通车情况、通车时间以及黄灯切换时间的要求，需要30秒，20秒，5秒的计时器。30秒计时器是在A、B车道都有车的时候，处于B干道通行的状态是开始计时，30秒后会发出信号给主控秒计时器一样制器，并产生一个复位脉冲使计时器复位。20秒计时与30，也是在亮干道都有车时，并且主控制电路处于A干道通行状态时开始计时。5秒计时器主要用于延时，使已经出线的车辆通行，所以是在    A干道通行或者B干道通行时开始计时的，待到规定时间分别输出S=1,P=1的信号，使计时器恢复。

元件选择：74160TTL可预置四位二进制异步清除计数器，采用置数法实现各进制的计数

74160（十进制）引脚说明：

1、CLR’,低电平清零，同不清零

2、CLK，时钟信号，上升沿有效

3-6A-D,置数输入端

7、10-EP\\ET=1时，应许计数

8、16-地、电源

9-LD’，低电平置数，异步清零

11-14，计数器输出端

15-C，进位输出端

1：30秒计时器电路如图7所示：

有两个74160计时器，高、低位片接十进制，高位片接2，低位片接9，正好组成三十进制的计数器,CP脉冲是频率为1Hz的秒信号。开始计时条件：A、B车道都有车，主控制器处于  状态即    =00，译成逻辑函数式为AB    =1是开始计算。用路灯情况反馈来控制计时开始，当AB    =1是主干绿，支干红为1，CP信号进入计时器，开始计时：

图 7

由上图可见两片的进输入CP端接1Hz的脉冲，低电平的输出端RCO输出C接高电位的一个置数端，当第九个CP脉冲到来时，低位片的=1001,此时C==1，当第十个CP脉冲到来时，低位片的=0000，此时C==0,进位输出C从1变0成了一个下降沿，正好提供给高位片，使高位片触发成=001，这样高位片和低位片合起来就是数字10，同理也可以产生20及30。

结束计时条件: =1,此信号经与非门变成“0”从而使门9接上低电位，使两计数器异步清零。

2:  20秒计时的电路如图8所示

  开始计时条件是：与30秒计时电路相似，即用路灯情况反馈来控制计时开始。

  结束计时条件是：=1，此信号经与非门变成“0”从而使门9接上低电位，使两计数器异步清零。

图8

3:  5秒计时电路如图 9所示（只需一个计数器）

  开始条件是：与30秒计时电路相似，即用路灯情况反馈来控制计时开始。  结束条件是: =1，此信号经与非门变成“0”从而使门9接上低电位，使计数器异步清零。

图 9

元件选择：74160TTL可预置四位二进制异步清除计数器  五块

         与非门T065         三块                                          

四、控制信号灯译码电路的设计

主控制电路主要是控制两干道的红、黄、绿灯的亮与灭，才能形成四种状态。即：令灯亮为“1”，灯灭为“0”，真值表如下表（三）所示：

由上可以得出各个灯的逻辑表达式：

R==Q2

Y=

G=

r=+

y=

g=

译码电路逻图如图10: 下图中左上角输入端为，左中角输入端

图 10

元件选择：非门、或非门。

交通信号灯电路总图

如下图11

由开关A、B分别表示A\\B干道有没有车的情况。有车时为1，没车时为0

只有当A、B都为1时，计数器才开始计数，与路灯的变化有规律的进行变化。否则在其他情况下只有灯在亮。

L、S、P分别是从30、20、5计数器的置数端输出。

由A、B、L、S、P作为主控制器的输入端，而输入端为、。

由、作为译码器电路的输入端，控制电路的路灯情况即R、Y、G、r、y、g的高低电位。

在把路灯的高低电位情况反馈给计数器，来控制计数器的计数情况。

在A、B输入端接出一个电路来控制计数器，接到清零端，当只要有一端没车时就停止计数器的工作即都为零。

综上所述，在A、B不同输入的情况下，路灯有规律又合理的变化，计数器也有规律又合理的计数。

图11

实验总结：

通过这次实验，我把已学的一大堆理论知识跟实际有机结合起来，对电工技术这门课程有更深的掌握，更加了解本课程在现实社会中的应用，更加深了我对本课程学习的兴趣。但在实验中，我学到了很多，也发现了自己许多方面有待很大的提高，归结如下：

一、课本知识学得不牢靠，当遇到百思不得其解的难处时，回过头来仔细地看看自己以前不大在意的课本，突然豁然开朗，茅塞顿开。通过本次试验，我对平时在课堂上的满不在乎深感惭愧，间接提高我的学习态度。

二、在本次试验，在遇到问题时我应该怎样想办法给予解决，比如在图书馆查资料，在网上搜索信息等，我现在已有了一定经验，对在海量的信息中快速学习的能力得到了极大地提高。

三、在本次试验中，我自学能力到了提高，并且提高了战胜看似很难的问题，只要静下心来认真研究就一定把它完成。