城市交通信號(hào)燈的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)

尹凡+潘潔

摘要：隨著城市的發(fā)展，城市的交通樞紐問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。在道路交通形勢(shì)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(duì)人、車(chē)、路三者的通行結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)配，是當(dāng)前交通管理系統(tǒng)亟需解決的問(wèn)題。本文闡述了城市交通控制系統(tǒng)中最關(guān)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(jiǎn)單實(shí)用的基于數(shù)字集成電路的設(shè)計(jì)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(guān)鍵詞：交通信號(hào)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(lèi)號(hào)：U665.16 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(chē)的日益增長(zhǎng)，市區(qū)交通仍然變得十分擁擠，而這些因素對(duì)人們的安全出行也帶來(lái)很大隱患。各交通路口的信號(hào)燈作為交管部門(mén)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(hào)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(gè)綜合化的計(jì)算機(jī)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(cè)、交通信號(hào)燈控制以及交通疏導(dǎo)。在以計(jì)算機(jī)為主體的信息化交通管理系統(tǒng)中，如何運(yùn)用科學(xué)的控制方法對(duì)已建的城市道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，緩解道路的交通擁堵?tīng)顩r，越來(lái)越成為交通運(yùn)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(qiáng)和靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，數(shù)字電路芯片只要在一定范圍內(nèi)輸入，都能得到穩(wěn)定的輸出，調(diào)試起來(lái)比較容易，電路工作也比較穩(wěn)定，所以被廣泛用于各種領(lǐng)域。本文著重介紹運(yùn)用數(shù)字集成電路進(jìn)行控制的交通燈的設(shè)計(jì)思路。

1 交通燈的設(shè)計(jì)要求及總體方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

主干道和支干道十字路口設(shè)置交通燈，控制兩條交叉道路上的車(chē)輛通行。

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

②當(dāng)主干道綠燈亮?xí)r，支干道紅燈亮，且主干道綠燈亮的時(shí)間不少于60s。

③當(dāng)主干道紅燈亮?xí)r，支干道綠燈亮，且支干道綠燈亮的時(shí)間不超過(guò)30s。

④每次變換通行車(chē)道前，要求黃燈先亮5s。

1.2 總體方案

根據(jù)設(shè)計(jì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)記錄，通過(guò)狀態(tài)譯碼器分別點(diǎn)亮相應(yīng)狀態(tài)的信號(hào)燈，秒脈沖發(fā)生器產(chǎn)生整個(gè)定時(shí)系統(tǒng)時(shí)基脈沖，通過(guò)減數(shù)計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖減計(jì)數(shù)，達(dá)到控制每一種工作狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，減數(shù)計(jì)數(shù)器的回零脈沖使?fàn)顟B(tài)控制器完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)的下一個(gè)工作狀態(tài)決定計(jì)數(shù)器下一次減計(jì)數(shù)的初始值，減計(jì)數(shù)器的狀態(tài)由BCD譯碼器、數(shù)碼管顯示。

2 設(shè)計(jì)的主體內(nèi)容

2.1 狀態(tài)控制器的設(shè)計(jì)

①S0狀態(tài)表示主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，60s定時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，且通車(chē)時(shí)間未超過(guò)60s。

②S1狀態(tài)表示主干道通車(chē)時(shí)間已達(dá)到30s，此時(shí)主干道黃燈亮，支干道紅燈亮，5s定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。

③S2狀態(tài)表示主干道黃燈時(shí)間已超過(guò)5s，此時(shí)，主干道紅燈亮，支干道綠燈亮，30s定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。

④S3狀態(tài)表示支干道通車(chē)時(shí)間已超過(guò)30s，此時(shí)，主干道紅燈亮，支干道黃燈亮，5s定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，以后當(dāng)支干道黃燈計(jì)時(shí)超過(guò)5s時(shí)，接S0狀態(tài)。

這四個(gè)狀態(tài)可以用二進(jìn)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(zhuǎn)換圖2所示。

這是一個(gè)二位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可采用中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器CD4029構(gòu)成狀態(tài)控制器。CD4029是一種CMOS電路二進(jìn)制/十進(jìn)制可異步置數(shù)的可逆計(jì)數(shù)器，若要實(shí)現(xiàn)多級(jí)級(jí)聯(lián)，只需將前級(jí)計(jì)數(shù)器的進(jìn)/借位信號(hào)CO連到下級(jí)計(jì)數(shù)器控制端C1即可，CD4029可實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制/十進(jìn)制的可進(jìn)位，可預(yù)置的加/減數(shù)。

狀態(tài)器的脈沖可以用來(lái)自減法計(jì)數(shù)器的借位輸出，根據(jù)譯碼顯示器的借位變化來(lái)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(shè)計(jì)

主干道上紅、綠、黃信號(hào)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(guān)系見(jiàn)真值表，如表1。對(duì)于信號(hào)燈狀態(tài)，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅，兩個(gè)方向的信號(hào)燈有4種輸出狀態(tài)。由真值表分析可以求出各信號(hào)燈的邏輯關(guān)系。

選用半導(dǎo)體發(fā)光二極管來(lái)模擬交通燈，由于門(mén)電路的帶灌電流的能力比一般帶拉電流的能力強(qiáng)，要求門(mén)電路輸出低電平時(shí)，點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管，所以在狀態(tài)輸出端設(shè)置了與非門(mén)和非門(mén)，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(shí)電路的設(shè)計(jì)

定時(shí)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(gè)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)不同時(shí)間的定時(shí)器74LS245，通過(guò)使能端和控制端可以控制不同數(shù)字的輸出。預(yù)置到減數(shù)計(jì)數(shù)器的時(shí)間可以通過(guò)3片74LS245來(lái)實(shí)現(xiàn)，3片74LS245的輸入數(shù)據(jù)分別接入60、30、5這3個(gè)不同的數(shù)字，74LS245的輸出數(shù)據(jù)和減法計(jì)數(shù)器相連，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的計(jì)時(shí)時(shí)間。三片74LS245的輸出與否由狀態(tài)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)狀態(tài)控制器在S0（Q2Q1=01）狀態(tài)S4（Q2Q1=11）狀態(tài)時(shí)要求黃燈亮，要求減法計(jì)數(shù)器從初始值5開(kāi)始計(jì)時(shí)，可以看出黃燈亮?xí)rQ1必須為1，所以可以用Q1來(lái)控制接數(shù)字5的74LS245。當(dāng)主干道綠燈亮?xí)r，60s計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，由于74LS245的EN端接入低電平有效，而信號(hào)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(hào)相連，74LS245的管腳圖如圖5所示。

它主要實(shí)現(xiàn)的是三態(tài)門(mén)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(dāng)使能控制信號(hào)EN=0時(shí)，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(shí)，無(wú)論DIR為何值，A、B之間均呈高阻狀態(tài)。

定時(shí)器的減數(shù)器主要是由異步可逆二/十進(jìn)制計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，譯碼和顯示電路主要是由74LS47和數(shù)碼管來(lái)產(chǎn)生，74LS47管腳圖如圖6所示。

2.4 脈沖產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)

脈沖的產(chǎn)生電路主要是由555定時(shí)器產(chǎn)生的。555定時(shí)器是一種中規(guī)模集成電路，只要在外部配上適當(dāng)?shù)膸讉€(gè)元件，就可以構(gòu)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(qū)動(dòng)電流可達(dá)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(wú)穩(wěn)態(tài)電路。對(duì)該電路通電后，電路狀態(tài)可以自動(dòng)變換并且產(chǎn)生矩形波的輸出。555定時(shí)器組成的的脈沖發(fā)生器如圖7所示。

將以上各模塊進(jìn)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(jìn)行各單元電路調(diào)試及整體調(diào)試，并通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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

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