交通信号灯控制器设计

交通信号灯控制器设计内容摘要：

起见，把灯的代号和灯的驱动信号合二为一，并作如下规定： AG=1：甲车道绿灯亮； BG=1：乙车道绿灯亮； AY=1：甲车道黄灯亮； BY=1：乙车道黄灯亮； AR=1：甲车道红灯亮； BR=1：乙车道红灯亮； 设控制器的初始状态为 S0（用状态框表示 S0），当 S0 的持续时间小于 25 6 秒时， TL=0（用判断框表示 TL），控制器保持 S0 不变。 只有当 S0 的持续时间等于 25 秒时， TL=1，控制器发出状态转换信号 ST（用条件输出框表示 ST），并转换到下一个工作状态。 由此得到交通灯的 ASM（ Algorithmic State Machine算法状态） 图，如 图 所示。 图 交通灯控制器的 ASM 单元电路的设计 一 、集成电路 CT74LS190 简介 本电路复杂程度为 58 个等效门，是同步可逆 BCD 计数器。 本电路通过同时触发所有触发器而提供同步操作，以便在使用控制逻辑结构时，输出端的变化可相 互吻合。 本工作方式避免了一般用异步 (行波时钟 )计数器所带来的计数输出的尖峰脉冲。 若使能输入端置低电平，四个主从触发器的输出将在时钟输入从低到高的跳变中被触发。 使能输入端置高电平时，禁止计数。 仅当时钟输入端是高电平时，使能输入端才能有电平变化。 当可逆（ UD/ ）输入端处于低电平时，进行加计数，当可逆（ UD/ ）输入端处于高电平时，进行减计数。 仅当时钟输入是高 电平时，可逆输入才能有电平变化。 这种计数器是可编程序的，即可通过将置数输入置于低电平并在数据输入端送入所需数据而将输出端预置到任一电 7 平。 输出随数据输入而变，不受时钟输入电平的影响。 根据这一特点，用置数输入将计数长度略加改变便可将计数器作模 — N 除法器使用。 时钟、加 /减和置数输入都加了缓冲器，从而大大降低驱动要求。 为便于进行级联，采用了两个输出：脉冲时钟输出和最大 /最小计数输出。 当计数器发生溢出或下溢时，后一输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度约等于时钟的一个整周期。 出现溢出或下溢情况时，脉冲时钟输出将产 生一个低电平输出脉冲，其宽度等于时钟输入的低电平部分。 若使用并行时钟脉冲，则计数器的级联方式是把脉冲时钟输出送到下一级计数器的使能输入；若使用并行使能，则级联方法是把脉冲时钟输出送到下一级计数器的时钟输入。 高速应用时，可用最大 /最小计数输出进行超前进位。 图 74LS190 的外引线排列 图 CT74LS190 的时序波形 8 表 CT74LS190 功能表 二、定时器 定时器由与系统秒脉冲（由时钟脉冲产生器提供） 和十进制 的 减法 计 数器构成，要求计数器在状态信号 ST 作用下，首先 置数 25，然后在时钟脉冲上升沿作用下，计数器从 25 开始进行 减 1倒 计数，向控制器提供模 5 的定时信号 TY 和模25的定时信号 TL。 由两片 74LS190 级联组成的定时器电路如图 所示。 图 定时器电路图 9 三、 控制器 控制器是交通管理的核心，它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。 从 ASM 图可以列出控制器的状态转换表，如表 所示。 选用两个 D触发器 1FF 、 0FF 做为时序寄存器产生 4种状态，控制器状态转换的条件为 LT 和YT ，当控制器处于 1000nn 状态时，如果 LT ＝ 0，则控制器保持在 00 状态。 如果 LT =1，则控制器转换到 111001nn 状态。 这两种情况与条件 YT 无关，所以用无关项 “” 表示。 其余情况依次类推，同时表中还列出了状态转换信号 ST。 表 控制器状态转换表 根据表 可以推出状态方程和转换信号方程，其方法是：将 11nQ 、 10nQ 和TS 为 1 的项所对应的输人或状态转换条件变量相与，其中 “ 1” 用原变量表示，“ 0” 用反变量表示，然后将各与项相或， 其状态转换方程如图 所示；其中，LT 表示 25进制的进位， YT 表示 5 进制的进位。 图 状态转换图 写出状态方程和状态转换信号方程为 ： 11 1 0 1 0 1 0n n n n n n nYYQ Q Q T Q Q Q Q T    （ 31） 10 1 0 1 0 1 0n n n n n n nLLQ Q Q T Q Q Q Q T    （ 32） 1 0 1 0 1 0 1 0n n n n n n n nT L L L LS Q Q T Q Q T Q Q T Q Q T    （ 33） 根据 以上三个逻辑函数可用多种方法实现，本设计采用四选一数据选择器74LS153 来实现，这种方法比较简单。 00 01 11 10T Y =1T Y =1 T L =1T L =1 10 则 控制器的逻辑图如图 所示。 图 控制器逻辑电路图 三、 74LS53 和 74LS74 简介 图 74LS153 的外引线排列 图 所示为 74LS153 的外引线排列，包含了两个选择器，其中 C0、 C CC3为数据输入端； A、 B为公共地址输入端； 1G、 2G 为附加控制端，用于控制电路工作状态和扩展功能。 其功能表如表 所示： 11 表 74LS153 的功能表 由于 74LS153 不具备储存功能，所以无法使各输出保持要求达到的时间，因此必须用触发器，这里选用了 74LS74 双上升沿 D 触发器，其外引线排列图如图 所示，其特性表如表 所示。 图 74LS74 的外引线排列 表 74LS74 特性表 四、译码器 译码器的主要任务是将控制器的输出 1Q 、 0Q 的 4种工作状态，翻译成甲、乙车道上 6 个信号灯的工作状态。 灯亮状态用“ 1”表示，灯灭状态用“ 0”表示；甲车道的绿、黄、红灯分别用 AG、 AY和 AR 表示；乙车道的绿、黄、红灯分别用 BG。