十字路口交通信號(hào)燈電路設(shè)計(jì)

摘要：論文闡述了交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)思想，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)要求開(kāi)始分析，將整個(gè)信號(hào)燈電路分成秒脈沖發(fā)生器、分頻器、控制電路、譯碼電路幾個(gè)部分介紹，巧妙地設(shè)計(jì)電路，畫出各子電路圖。通過(guò)多次電路制作和調(diào)試檢測(cè)，論證了本電路性能優(yōu)良、安全可靠，成本低廉，對(duì)提高學(xué)生專業(yè)技能效果顯著，為工程人員提供參考和借鑒價(jià)值[1]。

關(guān)鍵詞：交通信號(hào)燈；分頻器；控制電路；譯碼器

引言：交通信號(hào)燈電路設(shè)計(jì)已有很多方案，但有的方案存在設(shè)計(jì)繁瑣、性能不太穩(wěn)定現(xiàn)象，從實(shí)用性、穩(wěn)定性等方面考慮，設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的交通信號(hào)燈方案。

1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通信號(hào)燈控制電路，因?yàn)閮芍Ц傻儡嚨罃?shù)不同，車流量不同，故按照實(shí)際需要一條車道設(shè)置為主干道，另一條車道為支干道，十字路口紅、綠、黃燈工作情況有所不同，具體要求如下：（1）兩條交叉道路上的車輛交替運(yùn)行，主干道放行28s，支干道放行20s。（2）綠燈熄滅后，黃燈先亮4s（另一干道的紅燈不變），當(dāng)黃燈滅后紅燈才亮，此時(shí)方可變換運(yùn)行車道。（3）黃燈亮?xí)r，每秒閃爍一次，提醒駕駛員減速停車等待紅燈。（4）夜間所有紅、綠燈熄滅，兩條道路的黃燈亮，且每秒閃爍一次。

2 參考元器件

（1）集成電路 7474×2、74LS164×1、74LS08、74LS32、74LS04若干。（2）4MHz石英晶振 1片。（3）電位器、電阻、電容若干。

3 基本原理及設(shè)計(jì)方法

十字路口由一條主干道和一條支干道匯合而成，在每個(gè)入口處設(shè)置紅、綠、黃三色信號(hào)燈。紅燈亮表示禁止通行，綠燈亮表示允許通行，黃燈亮表示提醒變道（給行駛中的車輛有時(shí)間停在禁行線以內(nèi)），主干道放行時(shí)間較長(zhǎng)。

要實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的放行時(shí)間，各干道紅、黃、綠燈的運(yùn)行情況如圖1所示。其中主干道：綠燈亮28s、黃燈閃爍4s、紅燈亮24s；支干道：綠燈亮20s、黃燈閃爍4s、紅燈亮32s；夜間模式：紅燈和綠燈熄滅，黃燈每秒閃爍，提醒注意。

交通信號(hào)燈控制電路框圖如圖2所示。控制系統(tǒng)由秒脈沖發(fā)生器、分頻器、控制電路、譯碼電路和信號(hào)顯示電路等部分組成[2]。秒脈沖發(fā)生器給系統(tǒng)提供1Hz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，譯碼電路輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作。控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制譯碼電器的工作，現(xiàn)分別介紹主要單元電路。

3.1 分頻器

十字路口主干道紅、黃、綠燈亮的時(shí)間分別為24s、4s和28s，選4s為一個(gè)時(shí)間單位，其亮燈時(shí)間比例分別為6：1：7，支干道比例為8：1：5。每4秒一個(gè)時(shí)間單位的輸出可采用集成電路7474構(gòu)成四分頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示，圖中CP0為1Hz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖。

3.2 控制電路

控制器是交通信號(hào)燈管理的核心，由圖1所示的交通信號(hào)燈運(yùn)行框圖可知，主干道和支干道紅、黃、綠燈亮的工作循環(huán)周期為14個(gè)時(shí)間單位，因此選用14進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)構(gòu)建工作周期。計(jì)數(shù)器的種類很多，這里我們選用中規(guī)模74LSl64組成扭環(huán)形計(jì)數(shù)器[3]。

74LS164是一個(gè)八位移位寄存器，引腳排列如圖4所示，其中：A、B ——串行輸入數(shù)據(jù)端；[RD] ——異步清零端；CP ——移位脈沖輸入端（即CP 端）；QA～QH——數(shù)據(jù)輸出端。

74LS164移位寄存器可以實(shí)現(xiàn)以下邏輯功能：

（1）[RD]=0，實(shí)現(xiàn)異步清零，即：

[Qn+1A=Qn+1B=Qn+1C??????Qn+1H=0]

（2）[RD]=1且CP上升沿時(shí)，輸出為：

[Qn+1A=AB，Qn+1B=QnA，Qn+1C=QnB??????Qn+1H=QnG]

將74LS164的[QG]（12腳）通過(guò)非門引回A、B作為輸入信號(hào)，即可構(gòu)成14進(jìn)制扭環(huán)形計(jì)數(shù)器，電路如圖5所示，工作循環(huán)如表1中74LS164的[QA～QH]的輸出狀態(tài)。

當(dāng)夜間開(kāi)關(guān)“S”斷開(kāi)時(shí)，[RD]=1，扭環(huán)形計(jì)數(shù)器工作，當(dāng)開(kāi)關(guān)“S”閉合時(shí)，[RD]=0，計(jì)數(shù)器異步清零。[RD]作為夜間控制信號(hào)送譯碼電路。

3.3 譯碼電路

在一個(gè)工作循環(huán)周期內(nèi)（14個(gè)時(shí)間單位），紅、綠、黃燈的變化規(guī)律如狀態(tài)表1所示。要使信號(hào)燈按照設(shè)計(jì)要求運(yùn)行，只需找出74LS164的輸出與信號(hào)燈之間的邏輯關(guān)系即可。

根據(jù)控制信號(hào)燈的譯碼電路狀態(tài)表，從[QF]、[QG]、[QH]中尋找滿足紅、綠、黃燈變化規(guī)律的邏輯控制關(guān)系，從而找到各信號(hào)燈的函數(shù)關(guān)系。

（1）主干道信號(hào)燈的邏輯表達(dá)式

紅燈：[1R=QG?QH?RD]； 黃燈：[1Y=（QG?QH+RD）?CP0]； 綠燈：[1G=QG?RD]。

（2）支干道信號(hào)燈的邏輯表達(dá)式

紅燈：[2R=（QG+QH）?RD]； 黃燈：[2Y=（QG?QF+RD）?CP0]；綠燈：[2G=QF?QH?RD]。

根據(jù)主干道和支干道的邏輯表達(dá)式連接十字路口信號(hào)譯碼電路，如圖6所示。在白天，夜間控制開(kāi)關(guān)“S”斷開(kāi)[RD]輸出高電平，紅、黃、綠燈按設(shè)計(jì)的邏輯表達(dá)式正常工作，當(dāng)夜晚來(lái)臨時(shí)，夜間控制開(kāi)關(guān)“S”閉合，[RD]輸出低電平，關(guān)閉紅燈和綠燈，黃燈閃爍。

4、組裝和調(diào)試要求

在數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀上按各功能單元分別連接秒脈沖發(fā)生器、分頻器、控制和譯碼電路。然后按照以下步驟進(jìn)行調(diào)試：（1）用數(shù)字頻率計(jì)測(cè)試秒脈沖發(fā)生器獲得的脈沖是否為1Hz。（2）將秒脈沖信號(hào)送入分頻器，觀察輸出脈沖是否為4s一個(gè)周期（1個(gè)時(shí)間單位）。（3）將秒脈沖信號(hào)送入控制電路，觀察74LS164組成的14進(jìn)制扭環(huán)形計(jì)數(shù)器是否按照控制信號(hào)燈的譯碼電路狀態(tài)表中的規(guī)律變化。（4）將秒脈沖信號(hào)送入十字路口信號(hào)譯碼電路中的CP0，時(shí)間單位脈沖送入控制電路，觀察黃燈是否按1s閃爍，信號(hào)燈是否按要求變化。（5）整機(jī)聯(lián)調(diào)，使交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)能正常工作。

5、結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今社會(huì)科技發(fā)展到了較成熟階段，中國(guó)已經(jīng)倡導(dǎo)并開(kāi)始實(shí)施建設(shè)智慧城市，交通安全一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，一個(gè)成熟的交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)方案對(duì)于制作電路是很重要的。本論文的設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)電路等各方面優(yōu)化與之前的設(shè)計(jì)，通過(guò)多次的制作驗(yàn)證，本電路能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作，效果良好，能對(duì)交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)人員起到很高的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]周華，李良榮，張榮芬.電工與電子技術(shù)因材施教方法探索[J].中國(guó)教育改革與教學(xué)研究，2012（7）：1-3.

[2]數(shù)電交通燈課程設(shè)計(jì)[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/791af8d276eeaeaad1f330ed.html

[3]周華.《數(shù)字電子技術(shù)》[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社.2009

作者簡(jiǎn)介：周華（1975-）女，貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，碩士，貴州凱里人，研究方向：通信與信息工程；電子信息工程；電路與系統(tǒng)。endprint