综述
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，本次数字电子课程设计内容是设计交通信号灯控制电路。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，减少交通事故有明显效果。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。交通信号灯控制电路主要是由控制器、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控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作，最终实现控制交通信号的目的。
1 交通信号灯控制电路的设计
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N1>N2>N3[1]。
1﹒1﹒1 系统工作流程图
根据设计要求设计系统工作流程图如图1-2所示。
图1-2 系统工作流程图
﹒2 系统硬件结构框图
根据系统工作流图，设计系统硬件结构框图如图1-3所示。
图1-3 系统硬件结构框图
1﹒1
2 系统单元电路设计
2﹒1 状态控制器
由流程图可见，系统有4种不同的工作状态（S0～S3），通过状态控制器进行控制。
2﹒1﹒1 选用74163N作状态控制器
选用4位二进制递增集成计数器74163N作状态控制器，74163N的功能表如表2-1所示[2]。
表2-1、74163N功能表
CLR’ LOAD’ ENP ENT CLK A B C D 0
1 1 1 1
X 0 1 1 1
X 0 1 1 X
X 0 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
QA QB QC QD RCO 0 0 0 0 0 A B C D *1 计数 *1
保持 *1 保持 *1
2．1．2 三色信号灯逻辑控制电路
电路符号在图2-1中可见，取低两位输出QB 、QA作状态控制器的输出。状态编码S
0、S1、S2、S3分别为00、01、10、11。
2﹒2 状态译码器
译码器的逻辑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。 以状态控制器输出（QA、QB）作译码器的输入变量，根据四个不同通行状态对主、支干道三色信号灯的控制要求，列出灯控函数真值表，如表2-2所示。
表2-2 灯控函数真值表
R=QB r=Q′B Y=Q′BQA y=QBQA G=Q′BQ′A g=QBQ′A
根据灯控函数逻辑表达式，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。将状态控制器、状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路如图2-1所示。
图2-1 三色信号灯逻辑控制电路
2．2．1
三色信号灯逻辑控制子电路
为了便于调试和系统总图简洁明了，将图2-1内的主要部分电路用其子电路“灯控逻辑”表示。用子电路表示的三色信号灯逻辑控制电路如图2-2所示
如图2-2三色信号灯逻辑控制子电路
2﹒3 计时显示逻辑电路
信号灯计时显示逻辑电路主要是由可逆计数器来完成。所谓“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[3]。
2．3．1 信号灯计时显示逻辑电路
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。两片计数器之间采用异步级连方式，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、A1和D0、C0、B0、A0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’端通过或门控制两片计数器的置数控制端LOAD′（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以内的预置数值，实现0～100S内的计时显示要求。仿真效果如图2-3所示。
图2-3 信号灯计时显示逻辑电路
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内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）输出的置数控制信号由ZS端引出作为状态控制器的状态转换控制脉冲。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。
图2-4信号灯计时显示子电路
2﹒4 信号灯顺序定时置数逻辑电路
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，必须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[4]。
表2-2 8路三态传输门74LS465N功能表
电子技术课程设计
0 0 X X X X X X X X A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
2．4．1 信号灯定时置数逻辑电路
选用三片74LS465N可组成按顺序定时置数的控制电路，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，接到递减计数器的置数输入端。三片74LS465N的选通控制端G2ˊ分别命名为AGˊ、Agˊ和AYˊ，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。
交通信号灯控制电路
图2-5 信号灯定时置数逻辑电路
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逻辑电路中，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逻辑电路如图2-6所示[5]。
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[6]。
2﹒6 顺序定时置数控制电路
为了使顺序定时置数逻辑电路中的三片74LS465N依次顺序工作，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控制电路。
2．6．1 交通信号灯自动指挥系统
设计顺序定时置数控制电路，图2-7是交通信号灯自动指挥系统中与子电路“灯控逻辑”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．仿真实验
在Multisim V7的主界面内，用粘贴的方法将上述各部分单元电路置于同一界面内，再按照各自对应关系相互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，由于采用了子电路表示方法，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，AG`由主干道绿灯亮时选通。由g7～g0设定支干道通行时间25s，Ag`由支干道绿灯亮时选通。由Y7～Y0设定黄灯亮的时间为5s，AY`由主干道或支干道黄灯亮时选通。当减法计数器回零瞬间，置数控制端产生一个窄负脉冲，经反相器变为正脉冲，送至状态控制器时钟脉冲输入端，使状态控制器翻转为下一个工作状态，状态译码器完成换灯的同时，由顺序定时置数控制电路选通下一片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，置数输入是根据定时时间的8421编码将相应输入端接高、低电平实现的，在实际应用系统中，可采用8421码数码拨盘，实现减法计数器的预置数控制。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，要特别注意电路之间的高、低电平配合。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。
综述
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，本次数字电子课程设计内容是设计交通信号灯控制电路。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，减少交通事故有明显效果。随着中国加入WTO，我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨，在交通控制方面也应与国际接轨。俗话说“要想富，先修路”，但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。交通信号灯控制电路主要是由控制器、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控制器的标准时钟信号源，译码器输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作，控制器是系统的主要部分，由它控制定时器和译码器的工作，最终实现控制交通信号的目的。
1 交通信号灯控制电路的设计
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N1>N2>N3[1]。
1﹒1﹒1 系统工作流程图
根据设计要求设计系统工作流程图如图1-2所示。
图1-2 系统工作流程图
﹒2 系统硬件结构框图
根据系统工作流图，设计系统硬件结构框图如图1-3所示。
图1-3 系统硬件结构框图
1﹒1
2 系统单元电路设计
2﹒1 状态控制器
由流程图可见，系统有4种不同的工作状态（S0～S3），通过状态控制器进行控制。
2﹒1﹒1 选用74163N作状态控制器
选用4位二进制递增集成计数器74163N作状态控制器，74163N的功能表如表2-1所示[2]。
表2-1、74163N功能表
CLR’ LOAD’ ENP ENT CLK A B C D 0
1 1 1 1
X 0 1 1 1
X 0 1 1 X
X 0 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
QA QB QC QD RCO 0 0 0 0 0 A B C D *1 计数 *1
保持 *1 保持 *1
2．1．2 三色信号灯逻辑控制电路
电路符号在图2-1中可见，取低两位输出QB 、QA作状态控制器的输出。状态编码S
0、S1、S2、S3分别为00、01、10、11。
2﹒2 状态译码器
译码器的逻辑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。 以状态控制器输出（QA、QB）作译码器的输入变量，根据四个不同通行状态对主、支干道三色信号灯的控制要求，列出灯控函数真值表，如表2-2所示。
表2-2 灯控函数真值表
R=QB r=Q′B Y=Q′BQA y=QBQA G=Q′BQ′A g=QBQ′A
根据灯控函数逻辑表达式，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。将状态控制器、状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路如图2-1所示。
图2-1 三色信号灯逻辑控制电路
2．2．1
三色信号灯逻辑控制子电路
为了便于调试和系统总图简洁明了，将图2-1内的主要部分电路用其子电路“灯控逻辑”表示。用子电路表示的三色信号灯逻辑控制电路如图2-2所示
如图2-2三色信号灯逻辑控制子电路
2﹒3 计时显示逻辑电路
信号灯计时显示逻辑电路主要是由可逆计数器来完成。所谓“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[3]。
2．3．1 信号灯计时显示逻辑电路
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。两片计数器之间采用异步级连方式，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、A1和D0、C0、B0、A0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’端通过或门控制两片计数器的置数控制端LOAD′（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以内的预置数值，实现0～100S内的计时显示要求。仿真效果如图2-3所示。
图2-3 信号灯计时显示逻辑电路
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内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）输出的置数控制信号由ZS端引出作为状态控制器的状态转换控制脉冲。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。
图2-4信号灯计时显示子电路
2﹒4 信号灯顺序定时置数逻辑电路
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，必须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[4]。
表2-2 8路三态传输门74LS465N功能表
电子技术课程设计
0 0 X X X X X X X X A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
2．4．1 信号灯定时置数逻辑电路
选用三片74LS465N可组成按顺序定时置数的控制电路，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，接到递减计数器的置数输入端。三片74LS465N的选通控制端G2ˊ分别命名为AGˊ、Agˊ和AYˊ，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。
交通信号灯控制电路
图2-5 信号灯定时置数逻辑电路
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逻辑电路中，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逻辑电路如图2-6所示[5]。
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[6]。
2﹒6 顺序定时置数控制电路
为了使顺序定时置数逻辑电路中的三片74LS465N依次顺序工作，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控制电路。
2．6．1 交通信号灯自动指挥系统
设计顺序定时置数控制电路，图2-7是交通信号灯自动指挥系统中与子电路“灯控逻辑”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．仿真实验
在Multisim V7的主界面内，用粘贴的方法将上述各部分单元电路置于同一界面内，再按照各自对应关系相互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，由于采用了子电路表示方法，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，AG`由主干道绿灯亮时选通。由g7～g0设定支干道通行时间25s，Ag`由支干道绿灯亮时选通。由Y7～Y0设定黄灯亮的时间为5s，AY`由主干道或支干道黄灯亮时选通。当减法计数器回零瞬间，置数控制端产生一个窄负脉冲，经反相器变为正脉冲，送至状态控制器时钟脉冲输入端，使状态控制器翻转为下一个工作状态，状态译码器完成换灯的同时，由顺序定时置数控制电路选通下一片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，置数输入是根据定时时间的8421编码将相应输入端接高、低电平实现的，在实际应用系统中，可采用8421码数码拨盘，实现减法计数器的预置数控制。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，要特别注意电路之间的高、低电平配合。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。