交通信号灯设计说明

时间：2021-01-05 16:23:33　来源：勤学考试网本文已影响人

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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

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。

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

根据系统工作流图，设计系统硬件结构框图如图1-3所示。

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

定时控制器

状态控制器

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

QA QB QC QD RCO

POS

X X X X

0 0 0 0 0

A B C D *1

计数 *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S0、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。

控制器状态

QB QA

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

0 0 1

0 1 0

由灯控函数真值表可写出六盏灯的逻辑式，经化简获得六盏灯的逻辑式为：

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

输入

输出

G1’G

0 0

X X

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。

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，用粘贴的方法将上述各部分单元电路置于同一界面，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。

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