劉云豪

摘 要

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

【關(guān)鍵詞】交通信號燈 控制電路 分析

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，交通設(shè)備也朝著現(xiàn)代化和科學(xué)化的方向發(fā)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(shè)計成為被關(guān)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(shè)置相應(yīng)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(nèi)的車輛可快速通過；綠燈則表示允許車輛通行。

2 設(shè)計要求

設(shè)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(shù)。在設(shè)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(diǎn)亮?xí)r，每秒閃爍一次，讓行車人員計數(shù)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(tài)。

3 參考元器件

在設(shè)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(shè)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(yīng)當(dāng)長于次干道的放行時間。

想要滿足上述的設(shè)計要求，應(yīng)該對主干道和次干道的信號燈進(jìn)行設(shè)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(yīng)該由幾部分組成，這幾部分分別是秒脈沖發(fā)生器、分頻器、控制電路、譯碼電路、信號顯示電路和驅(qū)動等。秒脈沖發(fā)生器是提供標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號源的，譯碼電路是對主干道和次干道的信號燈發(fā)出控制信號的，驅(qū)動電路是驅(qū)動信號燈進(jìn)行工作的。控制器是電路的關(guān)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(shí)現(xiàn)。

5.2 控制器

控制器是電路的關(guān)鍵部分。經(jīng)過計算，主干道和次干道交通信號燈的工作循環(huán)周期是14個時間單位，在這里可以采用14進(jìn)制計數(shù)器，如扭環(huán)形計數(shù)器等。

5.3 譯碼電路

在一個工作周期即14個時間單位內(nèi)，紅綠黃燈具有固定的變化規(guī)律。要使設(shè)計要求順利實(shí)現(xiàn)，需要找到滿足紅綠黃燈變化規(guī)律的邏輯控制關(guān)系，從而確定函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行表達(dá)式的分析。在譯碼電路的設(shè)置過程中，白天需要斷開夜間控制開關(guān)，讓紅、黃、綠燈按照表達(dá)式正常工作。在夜晚來臨時，需要閉合夜間控制開關(guān)，使紅燈和綠燈關(guān)閉，保持黃燈閃爍的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)最初的設(shè)計要求。

6 交通信號燈的控制電路設(shè)計

6.1 系統(tǒng)時鐘

系統(tǒng)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(yīng)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(lián)，從而取代需要替換的電阻。在調(diào)試電路時，也要相應(yīng)地進(jìn)行電位器調(diào)節(jié)，觀察電壓的波形，使系統(tǒng)周期固定。

6.2 狀態(tài)控制

根據(jù)前文的設(shè)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(tài)控制過程中，可以用譯碼器來完成，并使用計數(shù)器實(shí)現(xiàn)這種變化。

6.3 倒計時的設(shè)計及顯示

交通信號燈在由綠燈轉(zhuǎn)變成為紅燈的過程中，需要經(jīng)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(shù)器的初始值是一個變量，通過減法計數(shù)器能實(shí)現(xiàn)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(dāng)改變一條道路的通行時間，具體方法是增加減法計數(shù)器的倒計時時間。

6.4 信號燈閃爍電路設(shè)計

當(dāng)通道的通行時間不足3秒或等于3秒時，信號燈會持續(xù)閃爍，提醒車輛注意。以綠燈為例，在電路設(shè)計過程中，可以通過設(shè)真值的辦法實(shí)現(xiàn)信號燈的閃爍。當(dāng)輸出小于等于3，與對應(yīng)的綠燈電路結(jié)合，可以達(dá)到閃爍效果。

7 組裝和調(diào)試要求

數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀上連接著秒脈沖發(fā)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(qū)分的。在具體的調(diào)試過程中可以遵循以下幾個步驟：第一，用數(shù)字頻率計對脈沖進(jìn)行測試，看秒脈沖發(fā)生器的脈沖是否是1赫茲。第二，在秒脈沖信號進(jìn)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(jìn)入控制電路后，要觀察計數(shù)器的變化，看它是否符合交通信號中紅黃綠等的變化規(guī)律。第四，秒脈沖信號進(jìn)入譯碼電路之后，時間單位脈沖信號在控制電路中發(fā)生作用，從而使信號燈發(fā)生變化。這時要看黃燈是否按照每秒閃爍一次的概率進(jìn)行。第五，可以采用整機(jī)聯(lián)調(diào)的方法，對交通信號控制系統(tǒng)的各個方面進(jìn)行檢查，確保交通信號燈能夠正常運(yùn)行，避免造成重大的交通事故。

8 結(jié)論

交通信號燈的設(shè)計對控制電路的設(shè)計環(huán)節(jié)非常重要，它關(guān)系著交通信號控制系統(tǒng)能否正常工作。因此，使用科學(xué)高效的方法、做好十字路口交通信號燈的設(shè)計工作、完善相應(yīng)的交通信號控制系統(tǒng)是保障交通系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要途徑。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

湖南廣益實(shí)驗(yàn)中學(xué)K1408班 湖南省長沙市 410014