尹凡+潘潔

摘要：隨著城市的發(fā)展，城市的交通樞紐問題越來越引起人們的關注。在道路交通形勢日益緊張的城市道路系統(tǒng)中，如何利用現(xiàn)有道路交通系統(tǒng)對人、車、路三者的通行結構進行調配，是當前交通管理系統(tǒng)亟需解決的問題。本文闡述了城市交通控制系統(tǒng)中最關鍵的控制系統(tǒng)——交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，提出了一種簡單實用的基于數(shù)字集成電路的設計方法。

Abstract： With the development of the city， the transportation hub of the city gets more and more attention. In the urban road system of the road traffic situation， how to allocate the traffic structure of people， vehicles and road by the existing road traffic system is an urgent problem to be solved in the current traffic management system. This paper describes the most critical control system in the urban traffic control system： the principle of traffic lights control system and puts forward a simple and practical design method based on digital integrated circuits.

關鍵詞：交通信號燈；數(shù)字集成電路；控制器；譯碼電路

Key words： traffic light；digital integrated circuit；controller；decoding circuit

中圖分類號：U665.16 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）35-0152-03

0 引言

隨著城市化的逐步發(fā)展，城市交通也發(fā)生了巨大的變化，雖然新修建數(shù)條高速公路及普通道路，但隨著汽車的日益增長，市區(qū)交通仍然變得十分擁擠，而這些因素對人們的安全出行也帶來很大隱患。各交通路口的信號燈作為交管部門管理交通的重要工具之一，其合理使用可以為人們的安全出行提供保障。

交通信號燈主要由城市交通控制系統(tǒng)控制?，F(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中的城市交通控制系統(tǒng)一個綜合化的計算機道路交通管理系統(tǒng)，其主要功能包括城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測、交通信號燈控制以及交通疏導。在以計算機為主體的信息化交通管理系統(tǒng)中，如何運用科學的控制方法對已建的城市道路結構進行優(yōu)化調度，緩解道路的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃系統(tǒng)亟待研究的課題。

數(shù)字電路具有邏輯性強和靈活性強的特點，數(shù)字電路芯片只要在一定范圍內輸入，都能得到穩(wěn)定的輸出，調試起來比較容易，電路工作也比較穩(wěn)定，所以被廣泛用于各種領域。本文著重介紹運用數(shù)字集成電路進行控制的交通燈的設計思路。

1 交通燈的設計要求及總體方案

1.1 設計要求

主干道和支干道十字路口設置交通燈，控制兩條交叉道路上的車輛通行。

①每條道路設1組由黃、紅、綠燈組成的信號燈，綠燈表示允許通行，紅燈表示禁止通行，黃燈表示該車道上已過停車線的車輛繼續(xù)通行，而未過停車線的車輛停止。

②當主干道綠燈亮時，支干道紅燈亮，且主干道綠燈亮的時間不少于60s。

③當主干道紅燈亮時，支干道綠燈亮，且支干道綠燈亮的時間不超過30s。

④每次變換通行車道前，要求黃燈先亮5s。

1.2 總體方案

根據(jù)設計要求，交通燈控制系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示：十字路口交通燈工作狀態(tài)數(shù)據(jù)由狀態(tài)控制器進行監(jiān)測記錄，通過狀態(tài)譯碼器分別點亮相應狀態(tài)的信號燈，秒脈沖發(fā)生器產生整個定時系統(tǒng)時基脈沖，通過減數(shù)計數(shù)器對脈沖減計數(shù)，達到控制每一種工作狀態(tài)的持續(xù)時間，減數(shù)計數(shù)器的回零脈沖使狀態(tài)控制器完成狀態(tài)轉換，同時譯碼器根據(jù)系統(tǒng)的下一個工作狀態(tài)決定計數(shù)器下一次減計數(shù)的初始值，減計數(shù)器的狀態(tài)由BCD譯碼器、數(shù)碼管顯示。

2 設計的主體內容

2.1 狀態(tài)控制器的設計

①S0狀態(tài)表示主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，60s定時開始計時，且通車時間未超過60s。

②S1狀態(tài)表示主干道通車時間已達到30s，此時主干道黃燈亮，支干道紅燈亮，5s定時器開始計時。

③S2狀態(tài)表示主干道黃燈時間已超過5s，此時，主干道紅燈亮，支干道綠燈亮，30s定時器開始計時。

④S3狀態(tài)表示支干道通車時間已超過30s，此時，主干道紅燈亮，支干道黃燈亮，5s定時器開始計時，以后當支干道黃燈計時超過5s時，接S0狀態(tài)。

這四個狀態(tài)可以用二進制編碼表示，S0用00表示，S1用01表示，S2用10表示，S3用11表示，其狀態(tài)轉換圖2所示。

這是一個二位二進制計數(shù)器，可采用中規(guī)模集成計數(shù)器CD4029構成狀態(tài)控制器。CD4029是一種CMOS電路二進制/十進制可異步置數(shù)的可逆計數(shù)器，若要實現(xiàn)多級級聯(lián)，只需將前級計數(shù)器的進/借位信號CO連到下級計數(shù)器控制端C1即可，CD4029可實現(xiàn)二進制/十進制的可進位，可預置的加/減數(shù)。

狀態(tài)器的脈沖可以用來自減法計數(shù)器的借位輸出，根據(jù)譯碼顯示器的借位變化來改變狀態(tài)器的輸入，控制狀態(tài)器的輸出。

由CD4029所組成的狀態(tài)控制器如圖3所示。

2.2 譯碼電路的設計

主干道上紅、綠、黃信號燈的狀態(tài)主要取決于狀態(tài)控制器的輸出狀態(tài)，它們之間的關系見真值表，如表1。對于信號燈狀態(tài)，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅，兩個方向的信號燈有4種輸出狀態(tài)。由真值表分析可以求出各信號燈的邏輯關系。

選用半導體發(fā)光二極管來模擬交通燈，由于門電路的帶灌電流的能力比一般帶拉電流的能力強，要求門電路輸出低電平時，點亮相應的發(fā)光二極管，所以在狀態(tài)輸出端設置了與非門和非門，以滿足低電平的要求。狀態(tài)譯碼電路如圖4所示。

2.3 定時電路的設計

定時要求主干道綠燈顯示60s，支干道綠燈顯示30s，黃燈顯示5s，故需要一個能實現(xiàn)自動調節(jié)不同時間的定時器74LS245，通過使能端和控制端可以控制不同數(shù)字的輸出。預置到減數(shù)計數(shù)器的時間可以通過3片74LS245來實現(xiàn)，3片74LS245的輸入數(shù)據(jù)分別接入60、30、5這3個不同的數(shù)字，74LS245的輸出數(shù)據(jù)和減法計數(shù)器相連，實現(xiàn)設計要求的計時時間。三片74LS245的輸出與否由狀態(tài)控制器來實現(xiàn)，當狀態(tài)控制器在S0（Q2Q1=01）狀態(tài)S4（Q2Q1=11）狀態(tài)時要求黃燈亮，要求減法計數(shù)器從初始值5開始計時，可以看出黃燈亮時Q1必須為1，所以可以用Q1來控制接數(shù)字5的74LS245。當主干道綠燈亮時，60s計數(shù)器開始計時，由于74LS245的EN端接入低電平有效，而信號燈也是接人低電平有效，所以可以把74LS245的EN端與主干道的綠燈連接，同理，輸入數(shù)據(jù)20的74LS245可以與支干道的綠燈信號相連，74LS245的管腳圖如圖5所示。

它主要實現(xiàn)的是三態(tài)門的功能，輸出端除了有高電平和低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)高阻狀態(tài)。其邏輯功能是：當使能控制信號EN=0時，若DIR=1，則數(shù)據(jù)傳輸通路為A到B，若DIR=0，則數(shù)據(jù)傳輸通路為B到A；而EN=1時，無論DIR為何值，A、B之間均呈高阻狀態(tài)。

定時器的減數(shù)器主要是由異步可逆二/十進制計數(shù)器來實現(xiàn)，譯碼和顯示電路主要是由74LS47和數(shù)碼管來產生，74LS47管腳圖如圖6所示。

2.4 脈沖產生電路的設計

脈沖的產生電路主要是由555定時器產生的。555定時器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當?shù)膸讉€元件，就可以構成施密特觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及多諧振蕩器等脈沖與變換電路，該器件的電源電壓為4.5～16V，驅動電流可達到200mA左右，并且可以與TTL、CMOS邏輯電平相兼容。

多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)電路。對該電路通電后，電路狀態(tài)可以自動變換并且產生矩形波的輸出。555定時器組成的的脈沖發(fā)生器如圖7所示。

將以上各模塊進行邏輯連接，得到系統(tǒng)的電路原理圖，如圖8所示。

將各單元部分按照電路圖連接后，進行各單元電路調試及整體調試，并通過軟件仿真驗證，完全達到設計要求。

數(shù)字集成電路具有體積小、重量輕、壽命長、可靠性高、性能好等優(yōu)點，同時成本低，便于大規(guī)模生產，由數(shù)字集成電路控制的交通信號燈也會越來越廣泛地使用。

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