簡易的十字路口交通信號燈控制電路

劉云豪

摘 要

我國的交通問題一直廣泛受到人們的關注，在上下班高峰時經常會出現交通堵塞的情況。因此，十字路口交通信號燈的控制系統只有正常運行，才能有效解決交通問題，避免出現交通事故。本文將主要分析交通信號燈的設計要求，介紹信號燈電路的相關部分，并試圖進行控制電路的設計。

【關鍵詞】交通信號燈 控制電路 分析

隨著我國社會經濟的飛速發展，交通設備也朝著現代化和科學化的方向發展。十字路口不再站著指揮車輛行駛的交通警察，取而代之的是自動指路的交通信號燈。因此，十字路口交通信號燈控制電路的設計成為被關注的對象。

1 十字路口交通信號燈簡介

十字路口一般有兩條交叉的道路，這兩條道路有主次之分。其中有一條車流量很大，被稱為主干道；另一條車流量較小，被稱為次干道。

在主干道和次干道的交叉路口，每一邊都會設置相應的交通信號燈。交通信號燈分為紅、綠、黃三種顏色，紅燈表示禁止車輛通行；黃燈表示交叉路口停車線以外的車輛禁止通行，交叉路口停車線以內的車輛可快速通過；綠燈則表示允許車輛通行。

2 設計要求

設計一個十字路口的交通信號燈控制電路，要模擬主干道和次干道的車流量和車道數。在設計過程中，以符合要求的一條車道為主干道，交叉的道路為次干道，具體要求如下：

（1）兩條交叉道路的車輛交替放行，主干道的時間是28秒，次干道的放行時間是20秒。

（2）主干道的紅燈亮著，次干道綠燈熄滅，黃燈亮4秒。次干道黃燈熄滅后，紅燈亮起。

（3）黃燈點亮時，每秒閃爍一次，讓行車人員計數等待。

（4）夜間行駛時，紅綠燈熄滅，只剩主干道和次干道的黃燈閃爍，并保持每秒閃爍一次的狀態。

3 參考元器件

在設計過程中，有一些需要的元器件，如集成電路、石英晶振、電位器、電阻、電容器等等。

4 基本原理

十字路口是由主干道和次干道交叉形成的，因此需要在每個入口設置紅、綠、黃三色信號燈。紅燈禁止通行，綠燈允許通行，黃燈指示駕駛員變道。主干道的放行時間應當長于次干道的放行時間。

想要滿足上述的設計要求，應該對主干道和次干道的信號燈進行設置。主干的綠燈亮28秒，黃燈閃爍4秒，紅燈亮24秒；次干道的綠燈亮20秒，黃燈閃爍4秒，紅燈亮32秒。到了夜間時，紅燈和綠燈都熄滅，只剩下每秒閃爍一次的黃燈，提醒駕駛員安全行駛。

交通信號燈的控制電路應該由幾部分組成，這幾部分分別是秒脈沖發生器、分頻器、控制電路、譯碼電路、信號顯示電路和驅動等。秒脈沖發生器是提供標準時鐘信號源的，譯碼電路是對主干道和次干道的信號燈發出控制信號的，驅動電路是驅動信號燈進行工作的。控制器是電路的關鍵部分，它控制著譯碼電器的工作。

5 單元電路介紹

5.1 分頻器

上文已述，十字路口主干道紅黃綠燈亮的時間是24秒、4秒和28秒，其比例是6：1：7；次干道紅黃綠燈亮的時間是32秒、4秒和20秒，比例是8：1：5。按照比例，可以以4秒作為一個時間單位，采用分頻器實現。

5.2 控制器

控制器是電路的關鍵部分。經過計算，主干道和次干道交通信號燈的工作循環周期是14個時間單位，在這里可以采用14進制計數器，如扭環形計數器等。

5.3 譯碼電路

在一個工作周期即14個時間單位內，紅綠黃燈具有固定的變化規律。要使設計要求順利實現，需要找到滿足紅綠黃燈變化規律的邏輯控制關系，從而確定函數關系，進行表達式的分析。在譯碼電路的設置過程中，白天需要斷開夜間控制開關，讓紅、黃、綠燈按照表達式正常工作。在夜晚來臨時，需要閉合夜間控制開關，使紅燈和綠燈關閉，保持黃燈閃爍的狀態，從而實現最初的設計要求。

6 交通信號燈的控制電路設計

6.1 系統時鐘

系統時鐘是利用555時基電路組成自激多諧振蕩器。在具體的使用過程中，應該計算電路輸出脈沖的震蕩周期，讓固定電阻和電位器串聯，從而取代需要替換的電阻。在調試電路時，也要相應地進行電位器調節，觀察電壓的波形，使系統周期固定。

6.2 狀態控制

根據前文的設計要求，主干道紅黃綠燈亮的時間是24秒、4秒和28秒，次干道紅黃綠燈亮的時間是32秒、4秒和20秒。主次干道的交通信號燈在具體的狀態控制過程中，可以用譯碼器來完成，并使用計數器實現這種變化。

6.3 倒計時的設計及顯示

交通信號燈在由綠燈轉變成為紅燈的過程中，需要經過黃燈。主干道紅燈亮的時間等于次干道綠燈加黃燈亮的時間總和。計數器的初始值是一個變量，通過減法計數器能實現信號燈的切換過程。上下班的高峰期是一個特殊階段，在交通堵塞的情況下可以適當改變一條道路的通行時間，具體方法是增加減法計數器的倒計時時間。

6.4 信號燈閃爍電路設計

當通道的通行時間不足3秒或等于3秒時，信號燈會持續閃爍，提醒車輛注意。以綠燈為例，在電路設計過程中，可以通過設真值的辦法實現信號燈的閃爍。當輸出小于等于3，與對應的綠燈電路結合，可以達到閃爍效果。

7 組裝和調試要求

數字實驗儀上連接著秒脈沖發生器、分頻器、控制電路譯碼電路等等，這些連接都是以功能作為區分的。在具體的調試過程中可以遵循以下幾個步驟：第一，用數字頻率計對脈沖進行測試，看秒脈沖發生器的脈沖是否是1赫茲。第二，在秒脈沖信號進入分頻器以后，要觀察輸出脈沖是否是一個時間單位，每個時間單位是4秒一個周期。第三，秒脈沖信號進入控制電路后，要觀察計數器的變化，看它是否符合交通信號中紅黃綠等的變化規律。第四，秒脈沖信號進入譯碼電路之后，時間單位脈沖信號在控制電路中發生作用，從而使信號燈發生變化。這時要看黃燈是否按照每秒閃爍一次的概率進行。第五，可以采用整機聯調的方法，對交通信號控制系統的各個方面進行檢查，確保交通信號燈能夠正常運行，避免造成重大的交通事故。

8 結論

交通信號燈的設計對控制電路的設計環節非常重要，它關系著交通信號控制系統能否正常工作。因此，使用科學高效的方法、做好十字路口交通信號燈的設計工作、完善相應的交通信號控制系統是保障交通系統正常運行的重要途徑。

參考文獻

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作者單位

湖南廣益實驗中學K1408班 湖南省長沙市 410014