十字路口交通信號燈電路設計

摘要：論文闡述了交通信號燈的設計思想，優化了電路設計，從設計要求開始分析，將整個信號燈電路分成秒脈沖發生器、分頻器、控制電路、譯碼電路幾個部分介紹，巧妙地設計電路，畫出各子電路圖。通過多次電路制作和調試檢測，論證了本電路性能優良、安全可靠，成本低廉，對提高學生專業技能效果顯著，為工程人員提供參考和借鑒價值[1]。

關鍵詞：交通信號燈；分頻器；控制電路；譯碼器

引言：交通信號燈電路設計已有很多方案，但有的方案存在設計繁瑣、性能不太穩定現象，從實用性、穩定性等方面考慮，設計了一個全新的交通信號燈方案。

1 設計要求

設計一個十字路口交通信號燈控制電路，因為兩支干道車道數不同，車流量不同，故按照實際需要一條車道設置為主干道，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），當黃燈滅后紅燈才亮，此時方可變換運行車道。（3）黃燈亮時，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 基本原理及設計方法

十字路口由一條主干道和一條支干道匯合而成，在每個入口處設置紅、綠、黃三色信號燈。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間停在禁行線以內），主干道放行時間較長。

要實現設計要求的放行時間，各干道紅、黃、綠燈的運行情況如圖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。

交通信號燈控制電路框圖如圖2所示。控制系統由秒脈沖發生器、分頻器、控制電路、譯碼電路和信號顯示電路等部分組成[2]。秒脈沖發生器給系統提供1Hz的標準時鐘信號源，譯碼電路輸出兩組信號燈的控制信號，經驅動電路驅動信號燈工作。控制器是系統的主要部分，由它控制譯碼電器的工作，現分別介紹主要單元電路。

3.1 分頻器

十字路口主干道紅、黃、綠燈亮的時間分別為24s、4s和28s，選4s為一個時間單位，其亮燈時間比例分別為6：1：7，支干道比例為8：1：5。每4秒一個時間單位的輸出可采用集成電路7474構成四分頻器來實現，如圖3所示，圖中CP0為1Hz的標準時鐘脈沖。

3.2 控制電路

控制器是交通信號燈管理的核心，由圖1所示的交通信號燈運行框圖可知，主干道和支干道紅、黃、綠燈亮的工作循環周期為14個時間單位，因此選用14進制計數器來構建工作周期。計數器的種類很多，這里我們選用中規模74LSl64組成扭環形計數器[3]。

74LS164是一個八位移位寄存器，引腳排列如圖4所示，其中：A、B ——串行輸入數據端；[RD] ——異步清零端；CP ——移位脈沖輸入端（即CP 端）；QA～QH——數據輸出端。

74LS164移位寄存器可以實現以下邏輯功能：

（1）[RD]=0，實現異步清零，即：

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

（2）[RD]=1且CP上升沿時，輸出為：

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

將74LS164的[QG]（12腳）通過非門引回A、B作為輸入信號，即可構成14進制扭環形計數器，電路如圖5所示，工作循環如表1中74LS164的[QA～QH]的輸出狀態。

當夜間開關“S”斷開時，[RD]=1，扭環形計數器工作，當開關“S”閉合時，[RD]=0，計數器異步清零。[RD]作為夜間控制信號送譯碼電路。

3.3 譯碼電路

在一個工作循環周期內（14個時間單位），紅、綠、黃燈的變化規律如狀態表1所示。要使信號燈按照設計要求運行，只需找出74LS164的輸出與信號燈之間的邏輯關系即可。

根據控制信號燈的譯碼電路狀態表，從[QF]、[QG]、[QH]中尋找滿足紅、綠、黃燈變化規律的邏輯控制關系，從而找到各信號燈的函數關系。

（1）主干道信號燈的邏輯表達式

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

（2）支干道信號燈的邏輯表達式

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

根據主干道和支干道的邏輯表達式連接十字路口信號譯碼電路，如圖6所示。在白天，夜間控制開關“S”斷開[RD]輸出高電平，紅、黃、綠燈按設計的邏輯表達式正常工作，當夜晚來臨時，夜間控制開關“S”閉合，[RD]輸出低電平，關閉紅燈和綠燈，黃燈閃爍。

4、組裝和調試要求

在數字實驗儀上按各功能單元分別連接秒脈沖發生器、分頻器、控制和譯碼電路。然后按照以下步驟進行調試：（1）用數字頻率計測試秒脈沖發生器獲得的脈沖是否為1Hz。（2）將秒脈沖信號送入分頻器，觀察輸出脈沖是否為4s一個周期（1個時間單位）。（3）將秒脈沖信號送入控制電路，觀察74LS164組成的14進制扭環形計數器是否按照控制信號燈的譯碼電路狀態表中的規律變化。（4）將秒脈沖信號送入十字路口信號譯碼電路中的CP0，時間單位脈沖送入控制電路，觀察黃燈是否按1s閃爍，信號燈是否按要求變化。（5）整機聯調，使交通信號燈控制系統能正常工作。

5、結束語

當今社會科技發展到了較成熟階段，中國已經倡導并開始實施建設智慧城市，交通安全一直是社會關注的焦點，一個成熟的交通信號燈設計方案對于制作電路是很重要的。本論文的設計理念、設計電路等各方面優化與之前的設計，通過多次的制作驗證，本電路能長期穩定可靠工作，效果良好，能對交通信號燈的設計人員起到很高的參考價值。

參考文獻

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

[2]數電交通燈課程設計[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/791af8d276eeaeaad1f330ed.html

[3]周華.《數字電子技術》[M]. 成都：西南交通大學出版社.2009

作者簡介：周華（1975-）女，貴州電子信息職業技術學院，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。endprint