交通信号灯设计说明

2023年11月30日发(作者：)

交通信号灯设计说明

DOC专业

综述

分析了现代城市交通操纵与治理问题的现状，本次数字电子

课程设计容是设计交通信号灯操纵电路。交通信号灯的出现，使

交通得以有效管制，对于疏导交通流量、提高道路通行能力，削

减交通事故有明显效果。随着ZG加入WTO，我们不但要在经

济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通操纵方面也应与国

际接轨。俗话说“要想富，先修路〞，但路修好了假如在交通操

纵方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通操纵的重要

组成部份的交通信号灯也应国际化。交通信号灯操纵电路主要是

由操纵器、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操纵器的标准时钟信号源，译码

器输出两组信号灯的操纵信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，

操纵器是系统的主要部分，由它操纵定时器和译码器的工作，最

终实现操纵交通信号的目的。

1 交通信号灯操纵电路的设计

设计系统工作的十字路口由通行量较大的主干道和通行量

较小的支干道组成。四个路口均设有红、黄、绿三色信号灯和两

位8421BCD码的计数、译码显示器，信号灯指挥系统示意图如

1

图1-1所示。

主干道支干道

主干道

支干道

图1-1 十字路口交通指挥系统示意图

1﹒1 系统工作流程图与结构框图

设主干道通行时间为N1，支干道通行时间为N2，主、支

干道黄灯亮的时间均为N3，按主、支干道通行量，通常设置

N1N2N3。

1﹒1﹒1 系统工作流程图

依据设计要求设计系统工作流程图如图1-2所示。

主干道绿灯亮，支干道红灯亮，计数器由N1到1递减计数

码相机 数码相机数主干道黄灯亮，支干道红灯亮，计数器由N3

到1递减计数

主干道绿灯亮，支干道红灯亮，计数器由N1到1递减计数

码相机 数码相机数

主干道黄灯亮，支干道红灯亮，计数器由N3到1递减计数

主干道红灯亮，支干道绿灯亮，计数器由N2到1递减计数

主干道红灯亮，支干道黄灯亮，计数器由N3到1递减计数

图1-2 系统工作流程图

1﹒1﹒2 系统硬件结构框图

依据系统工作流图，设计系统硬件结构框图如图1-3所示。

1

计时显示器

计时显示器

主干道信号灯

支干道信号灯

可预置减计数器

定时置数电路

状态译码器

秒脉冲发生器

定时操纵器

状态操纵器

图1-3 系统硬件结构框图

2 系统单元电路设计

2﹒1?状态操纵器

由流程图可见，系统有4种不同的工作状态〔S0～S3〕，通

过状态操纵器进行操纵。

2﹒1﹒1 选用74163N作状态操纵器

选用4位二进制递增集成计数器74163N作状态操纵器，

74163N的功能表如表2-1所示。

表2-1、74163N功能表

CLR’

LOD’

1

ENP

ENT

CLK

B C D

Q QB QC QD RCO

0

1

1

1

1

X

0

1

1

1

X

0

1

1

X

X

0

1

1

X

1

X

POS

POS

X

X

X X X X

X X X X

X X X X

X X X X

X X X X

0 0 0 0 0

B C D *1

计数 *1

保持 *1

保持 *1

2．1．2 三色信号灯规律操纵电路

电路符号在图2-1中可见，取低两位输出QB 、Q作状

态操纵器的输出。状态编码S0、S1、S2、S3分别为00、01、

1

10、11。

2﹒2 状态译码器

译码器的规律功能是将每个输入的二进制代码译成对应的

输出高，低电平信号或另外一个代码。

以状态操纵器输出〔Q、QB〕作译码器的输入变量，依据四

个不同通行状态对主、支干道三色信号灯的操纵要求，列出灯控

函数真值表，如表2-2所示。

操纵器状态

操纵器状态

QB Q

主干道

R〔红〕 Y〔黄〕 G〔绿〕

支干道

r〔红〕 y〔黄〕 g〔绿〕

0 0

0 1

1 0

1 1

0 0 1

0 1 0

1 0 0

1

1 0 0

1 0 0

1 0 0

0 0 1

0 1 0

由灯控函数真值表可写出六盏灯的规律式，经化简获得六盏

灯的规律式为：

R=QB r=Q′B

Y=Q′BQ y=QBQ

G=Q′BQ′ g=QBQ′

依据灯控函数规律表达式，可画出由与门和非门组成的状态

译码器电路，如图2-1所示。将状态操纵器、状态译码器以及模

拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯规律操纵电路如图2-1

所示。

图2-1 三色信号灯规律操纵电路

2．2．1 三色信号灯规律操纵子电路

为了便于调试和系统总图简洁明了，将图2-1的主要部分电

路用其子电路“灯控规律〞表示。用子电路表示的三色信号灯规

律操纵电路如图2-2所示

如图2-2三色信号灯规律操纵子电路

2﹒3 计时显示规律电路

信号灯计时显示规律电路主要是由可逆计数器来完成。所谓

1

“可逆计数器〞是指该器件不仅能完成加法计数，而且也能实现

减法计数。

2．3．1 信号灯计时显示规律电路

选用两片74190N十进制可逆计数器构成2位十进制可预

置数的减法计数器，如图2-3所示。两片计数器之间接受异步级

连方式，利用个位计数器的借位输出脉冲〔RCO′〕直接作为十

位计数器的计数脉冲〔CLK〕，个位计数器输入秒脉冲作为计数

脉冲。选用两只带译码器功能的七段显示数码管实现两位十进制

数显示。D1、C1、B1、1和D0、C0、B0、0是十位和个位计

数器的8421码置数输入端。由74190N功能表可知，该计数器

在零状态时RCO′端输出低电平。将个位与十位计数器的RCO’

端通过或门操纵两片计数器的置数操纵端LOD′〔低电平有效〕，

从而实现了计数器减计数至“00〞状态瞬间完成置数的要求。

将数据输入端的8421BCD码置入计数器。可以选择100以的

预置数值，实现0～100S的计时显示要求。仿真效果如图2-3

所示。

图2-3 信号灯计时显示规律电路

2．3．2 信号灯计时显示子电路

同样，为了简化系统，可将图2-3的主要部分电路用其子电

路 “计时显示〞替代，将减计数器中或门〔OR〕输出的置数操

纵信号由ZS端引出作为状态操纵器的状态转换操纵脉冲。用子

电路表示的具有预置数功能的减计数器如图2-4所示。

1

图2-4信号灯计时显示子电路

2﹒4 信号灯顺序定时置数规律电路

为使系统简化，如上所述，用同一减法计数器分时显示主、

支干道通行时间〔即主、支干道绿灯亮的时间〕和主支干道通行

转换中黄灯亮的时间，为此，必需解决好按顺序定时置数问题。

8路单向三态传输门74LS465N的功能表如表2-2所示。

表2-2 8路三态传输门74LS465N功能表

输入

输出

G1’G

0 0

X X

1

X

X

2

X

X

3

X

X

1

4

X

X

5

X

X

6

X

X

7

3

z

Y4

4

z

Y5

5

z

Y6

6

z

Y7

7

z

Y8

8

z

2．4．1 信号灯定时置数规律电路

选用三片74LS465N可组成按顺序定时置数的操纵电路，

如图2-5所示。三片74LS465N输入端分别以8421BCD码形

式设定主、支干道通行时间和黄灯亮的时间，输出端分别按高、

低位对应关系并联后按D7～D0由高位到低位排列后，接到递

1

减计数器的置数输入端。三片74LS465N的选通操纵端G2ˊ分

别命名为Gˊ、gˊ和Yˊ，分别表示主干道的绿灯、支干道的绿灯

和黄灯选通〔低电平有效〕，并完成对递减计数器的预置数。三

片74LS465N任何时刻只能有一片选通，其他两片输出均处于

高阻态。

图2-5 信号灯定时置数规律电路

2．4．2 信号灯定时置数子电路

在图2-5所示减法计数器顺序定时置数规律电路中，将其主

要部分电路用其子电路“定时置数〞表示，得到简化顺序定时置

数规律电路如图2-6所示。

图2-6信号灯定时置数子电路

2﹒5 秒脉冲发生器

秒脉冲发生器可由555多谐振荡器构成。555多谐振荡器

是由555定时器接成的施密特触发器，在施密特触发器的基础

上就可以改接成多谐振荡器，即只要把施密特触发器的反相输出

端经RC积分电路接回到它的输入端，就构成了多谐振荡器。因

此，只要将555定时器的VI1和VI2连在一起接成施密特触发

器，然后再将

V0经RC积分电路接回输入端就可以了。

2﹒6 顺序定时置数操纵电路

为了使顺序定时置数规律电路中的三片74LS465N依次顺

1

序工作，并保证三片74LS465N任何时刻只能有一片选通，其

他两片输出端均处于高阻态。需要设计顺序定时置数操纵电路。

2．6．1 交通信号灯自动指挥系统

设计顺序定时置数操纵电路，图2-7是交通信号灯自动指挥

系统中与子电路“灯控规律〞相连接的两个非门、一个或非门可

实现这一功能。

图2-7 交通信号灯自动指挥系统

3．仿真试验

在Multisim V7的主界面，用粘贴的方法将上述各部分单

元电路置于同一界面，再根据各自对应关系互相连接构成的交通

信号灯自动指挥系统如图2-7所示。很明显，由于接受了子电路

表示方法，使系统电路大大简化了。在该系统中，由G7～G0

设定主干道通行时间为35s，G`由主干道绿灯亮时选通。由g7～

g0设定支干道通行时间25s，g`由支干道绿灯亮时选通。由Y7～

Y0设定黄灯亮的时间为5s，Y`由主干道或支干道黄灯亮时选通。

当减法计数器回零瞬间，置数操纵端产生一个窄负脉冲，经反相

器变为正脉冲，送至状态操纵器时钟脉冲输入端，使状态操纵器

翻转为下一个工作状态，状态译码器完成换灯的同时，由顺序定

时置数操纵电路选通下一片74LS465B，计数器置入新的定时值

并开始新状态下和减法计数，当计数器减计数再次回零时又重复

上述过程，这样信号灯就自动按设定时间顺序交替转换。

在上述系统中，置数输入是依据定时时间的8421编码将相

1

应输入端接高、低电平实现的，在实际应用系统中，可接受8421

码数码拨盘，实现减法计数器的预置数操纵。在系统安装调试中，

首先将各单元电路调试正常，然后再进行各单元电路之间的连接，

要特别留意电路之间的高、低电平协作。若系统组装完毕，“通

电〞测试，工作不正常，仍可将各单元电路拆开，引入秒脉冲单

独调试。

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