交通控制灯

电子技术应用实验 实验报告（九）

一、 二、

1. 2.

实验项目名称：交通控制灯 实验内容和具体要求：

实验内容：设计并实现一个十字路口的交通灯控制电路 具体要求

以4个红色指示灯、4个绿色指示灯和4个黄色指示灯模拟路口的东、南、西、北4个方向的红、绿、黄交通灯。控制这些指示灯，使它们按下列规律亮和灭。

1) 东、西方向绿灯亮，南、北方向红灯亮，东、西方向通车，时间30秒； 2) 东、西方向黄灯闪烁，南、北方向红灯亮，时间2秒；

3) 东、西方向红灯亮，南、北方向绿灯亮，南、北方向通车，时间30秒； 4) 东、西方向红灯亮，南、北方向黄灯闪烁，时间2秒。 ? 黄灯闪烁可通过连续亮0.5秒和灭0.5秒实现；

? 设计中的时钟信号可由555多谐振荡器及分频电路产生。

三、 方案论证

通过上面的实验内容可知，该交通灯控制系统的运行过程具有非常明显的周期性，整个交通灯运行一个周期持续时间为64秒，其中东、西和南、北路口路灯各亮30秒，每个路口黄灯闪烁各占用2秒。由此，本实验采用64进制计数器，以每秒钟计数器值加1的方式为交通灯控制系统的运行进行计时，并且将计数器的输出送进交通灯控制电路中，控制各路口的交通灯的运行。

交通灯控制系统框图如图1所示。

时钟源64进制计数器控制电路路口交通灯图1 交通灯控制系统框图

四、 电路原理简介

1. 时钟源

从“方案论证”中的描述可知，系统中的时钟源需要向后面的电路模块提供1Hz（周期T=1s）和2Hz（周期T=0.5s）的标准时钟信号，分别用于计数器计时和黄灯闪烁。由此，时钟源电路可以使用555定时器构成多谐振荡器来提供原始高频率时钟信号（fs>>2Hz）。之后，原始高频率时钟信号被送进时钟源内部的计数器，由计数器对高频率时钟信号进行分频得到可供后面的电路模块使用的1Hz和2Hz标准时钟信号。 2. 计数器

该系统使用64进制计数器对系统运行情况进行计时。从系统连接复杂性和电路工作稳定性（电路延时会产生计时误差）考虑，本实验采用单片集成计数器来实现该电路模块。常见的单片集成计数器无法单独实现64进制计数，因此，64进制计数器模块可由多种单片集成计数器通过级联的方式来构成。 3. 控制电路

64进制计数器输出结果为000000~111111，当计数时间达到30s和62s的时候，计数器会产生特殊的输出结果（011110和111110）。将计数器的这两个特殊结

果送到该控制电路中可以控制各路口黄灯是否闪烁。此外，在一个计数周期（64s）中，前32s和后32s计数器的最高位可以被用来控制路口的红、绿灯交替工作（前32s最高位输出0，后32s最高位输出1）。根据以上分析可以认为，该控制电路可以使用简单的逻辑门来完成交通灯控制任务。

五、 单元电路设计

1. 时钟源设计

时钟源使用555定时器构成多谐振荡器来提供原始高频率时钟信号（fs>>2Hz）。之后，原始高频率时钟信号被送进时钟源内部的计数器，由计数器对高频率时钟信号进行分频得到可供后面的电路模块使用的1Hz和2Hz标准时钟信号。

1) 555定时器电路设计

本实验使用555定时器构成多谐振荡器。多谐振荡器的特点是：没有稳定状态，只有两个暂稳态；两个暂稳态相互交替产生自激振荡，无需外触发；输出的信号为矩形脉冲信号，可用作时钟脉冲信号。555构成的多谐振荡器电路如图3所示，输入输出波形如图4所示。

图2 多谐振荡器电路 图3电路输入输出波形

图3中输出矩形信号的参数为： i. ii. iii.

周期：T?tw1?tw2

正脉宽：tw1?ln2(R1?R2)C?0.7(R1?R2)C 负脉宽：tw2?ln2R2C?0.7R2C 占空比：q?iv.

tw1tw1R?R2??1 Ttw1?tw2R1?2R2本实验使用多谐振荡器产生50Hz、占空比为50%的时钟信号作为后面

电路的时钟源。根据上面矩形信号参数公式可以算得多谐振荡器电路参数为：

R1?1.804kΩ, R2?144.3kΩ, C?0.1μF

2) 分频器电路设计

多谐振荡器产生50Hz方波信号，而后续的计数器电路需要1Hz的时钟信号，黄灯闪烁需要2Hz的时钟信号。因此，多谐振荡器产生的信号还

需要通过分频器进行分频，得到最终我们需要的时钟信号。

a) 产生1Hz时钟信号

50Hz信号经过50分频可以得到1Hz信号，该工作可以用50进制计数器完成。50进制计数器可以使用5进制计数器和10进制计数器的级联来构成。本设计使用74LS90（异步2-5-10进制加法计数器）构成5进制计数器和10进制计数器，5进制计数器驱动10进制计数器工作，从而在10进制计数器的最高输出位产生1Hz的时钟信号。74LS90构造的十进制和五进制计数器如

74LS908421BCD0174LS905进制0图2所示。

图4 用74LS90构造10进制计数器（左）和5进制计数器（右）

b) 产生2Hz时钟信号

50Hz信号经过25分频可以得到2Hz信号，该工作可以用25进制计数器完成。25进制计数器可以使用两个5进制计数器的级联来构成。本设计使用74LS90构成5进制计数器，低位5进制计数器驱动高位5进制计数器工作，从而在高位5进制计数器的最高输出位产生2Hz的时钟信号。

由于74LS90为时钟下降沿有效的计数器，故上面分频器的输出也为时钟下降沿有效。为了能够驱动后续电路正常工作，便于检查电路时序关系，本设计还需要将分频器产生的时钟信号进行反相处理，从而得到上升沿有效的时钟信号。

此外，分频器产生的2Hz信号用于黄灯闪烁，而74LS90输出的2Hz信号占空比不是50%（由74LS90计数顺序造成），因此，74LS90输出的2Hz信号还需要经过一个由D触发器组成的翻转触发器并生成最终可用的占空比为50%的2Hz信号。

最终的时钟源电路如图5所示。

图5 时钟源电路

2. 计数器设计

这里使用64进制计数器为电路的工作进行计时。本实验采用单片集成计数器来实现该电路模块。常见的单片集成计数器无法单独实现64进制计数，因此，64进制计数器模块可由多种单片集成计数器通过级联的方式来构成。设计数器的输出为B5B4B3B2B1B0，则64进制计数器在一个周期内的计数值为B5B4B3B2B1B0=000000~111111。在30s~32s和62s~64s时计数器B4B3B2B1的输出为1111，而30s~32s和62s~64s为黄灯工作时间，因此中间四位B4B3B2B1可以用来控制黄灯是否工作；计数器前32个计数周期B5为0，后32个计数周期B5为1，因此最高位B5可以用来控制路口红、绿灯的工作状态。

根据以上分析，本实验采用74LS90和74LS161（四位二进制同步计数器）构成64进制计数器。两片74LS90分别产生计数输出的最低位B0和最高位B5，74LS161产生中间四位B4B3B2B1，其中最低位74LS90驱动74LS161，74LS161驱动最高位74LS90。

计数器电路如图6所示。“clk_1s”为1Hz驱动信号输入端。由于输入的时钟信号为上升沿有效，而74LS90为下降沿有效。为了让电路时序能都对齐，这里使用1个由74LS00与非门构成的非门将时钟信号反相，然后利用反相的时钟信号驱动计数器电路工作。