一種交通紅綠燈的設計初探

王建華， 鄭義海

（1，安徽工業大學電氣與信息工程學院， 安徽 馬鞍山 243032；2，廣西大學林學院， 廣西 南寧 530004）

1 設計要求

1.1 紅綠燈的管理

1）對信號燈的基本要求：要求東和西方向綠燈亮時（表示允許東和西方向車輛直行通過以及向右轉彎通過交通路口），東西以外的方向燈源為紅色。

2）信號燈的設置有自動與人工兩種控制模式：自動模式下，東西南北四個方向的燈源顯示時間有一定的間隔，東西南北四個方向燈源顯示時間相同，常規顯示時長為40 s，人工介入時間10 s。黃燈用2 Hz頻率閃爍，區間為5 s左右。人工模式下，保證實現兩個方向燈源的控制。手動模式下，控制相對兩個方向的燈源自由交替。

1.2 時間控制

1）人工模式切換為自動模式下時，燈源的現實時間不包括人工時間，進入自動控制時間范疇。

2）緊急情況時，關閉控制單元，信號燈應立刻熄滅。

2 具體操作設計

秒脈沖信號發生器作為主要控制構建﹑倒計時計數電路以及信號燈轉換器組成，具體見圖1所示。系統中的倒計時計數電路以及警示黃色燈閃動控制電路的標準信號源都由秒脈沖信號發生器實現。倒計時計數電路主要有兩部分作用：一是實現燈源的轉換，二是驅動T_0、T_5信號源。

圖1 交通燈控制原理圖

3 基本電路構架

3.1 燈源轉換器

道路與信號燈狀態情景模擬如下。A：東與西方向綠燈，南北向紅燈，東西向行車，南北向停車；B：南與北方向綠燈，東西向紅燈，南北向行車，東西向停車；D：對向亮黃燈時，車輛緩行；轉彎亮綠燈時，過彎通過；以6個符號來分別代表東西（A）、南北（B）方向上各燈的狀態：

GA=1，東西綠燈亮；

YA=1，東西黃燈亮；

RA=1，東西紅燈亮；

GB=1，東西綠燈亮；

YB=1，東西黃燈亮；

RB=1，東西紅燈亮。

3.2 設計方案

利用計算數器中的74163模式控制：74163模式可維持狀態恒定的4位同二進制算法，具體如下頁表2。

集成計數器的74163模式，保持輸出編碼與車道狀況為 S0=0000，S1=0001，S2=0010，S3=0011（操作的編碼從右至左邊分別為 QA、QB、QC、QD）。燈源顯示與具體的道路狀態，計數器的輸出編碼與燈源燈顯示如下頁表3所示。由表3可以得出信號燈狀態的邏輯表達式：

表2 74163控制表

表3 狀態編碼與信號燈狀態關系表

道路狀態按照S0—S1—S2—S3變換的實質就是計數器74163的加法過程。該模式先輸出由初始狀態開始逐漸加法運算，加到0011時又回歸初始0000狀態。通過觀察可以發現，計數器電平量在CLR狀態下，計算到0011時，CLR所獲電平量較低，為低電平狀態，從而實現設計的基本要求。所以，利用74163的QA、QB輸出端，接入CLR端路即可。與此同時，74163引入 ENP、ENT、LOAD 高置電平，同時 CLK輸出時間刻度脈沖，A、B、C、D、RCO引腳置空，不連接。具體見圖2所示。

4 設計電路流動測試

圖2 74163構成的信號轉換器

1）開啟初始按鈕啟動系統回路，實現信號燈系統的仿真模擬，初始信號連同時間為40 s，同時初始狀態下所有信號燈點亮，保持時間約3 s。初始設定的40 s鐘時間，按照每秒減低一個單位的速度遞減，減到5時，黃燈出現在東西方向，黃燈閃動是，南北方向的紅燈保持常亮。遞減到單位1時，東向與西向黃燈轉變為紅燈，順延，南北車道的信號燈變為綠燈，相應車道可以正常行車。當下一個周期，減到了單位“5”時，南與北的方向道路的綠燈轉換為黃燈，黃燈閃動時，東與西方向信號燈保持不變。

2）通車時間的設定區間為1～99 s，這一步是通過預制時間來控制的，實現的效果參照步驟1）?？偪刂崎_關開啟后，東西方向車道的綠燈亮，時間倒計數5，也以5 s為一個轉換周期，如此循環。

5 電路延伸拓展

1）電路的拓展功能，主要為增加行人道路指示燈。人行道的紅綠燈變化應該與主道路信號燈同步，并且用行人標志進行區分，所用到的控制單元與主道路系統保持一致。

2）電路拓展的另一部分可以考慮對主道路與匝道的區分，由于同行車輛以及路面狀態的不同，匝道與主道路的信號燈控制要進行區分，燈源控制器的主控系統也要用兩個系統，匝道的燈源面板顯示也應該與主道路有所區分。