一種基于Proteus 的交通燈設計

杜思玉

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶400074）

1 設計要求

主干道經常通行；支干道有車才通行；主、支干道均有車時，兩者交替通行，并要求主干道每次至少放行30 s，支干道每次至多放行20 s；每次綠燈變紅燈時，要求黃燈先亮5 s（此時原紅燈不變）。

2 總體方案的確定

交通燈控制電路的設計方案由控制器、時鐘信號、計時器、傳感器、譯碼驅動電路、主干道信號燈、支干道信號燈等部分組成，它們之間的關系如圖1 所示。

圖1 交通燈原理框圖

3 單元電路設計

3.1 時鐘電路的設計

3.1.1 74LS160 的功能

74LS160 十進制同步計數器是由4 個D 型觸發器和若干個電路構成，內部有超前進位，具有計數、置數、直接（異步）清零等功能[1]。可以利用74LS160 十進制同步計數器通過異步清零端反饋清零來實現不同進制的計數器。根據設計要求，采用一塊74LS160 十進制同步計數器實現五進制的計數器，而30 s、20 s 的計時器分別采用2 塊74LS160 計數器來完成。

3.1.2 計數器

利用74LS160 設計成五進制計數器原理電路如圖2（a）所示，由74LS160 和非門組成，在CLK 輸入1 Hz 的脈沖信號，計數器從Q3Q2Q1Q0=0000 開始計數，當第4 個CP 到達后，記到0010，此時不會立即清零，而是等到下一脈沖上沿到來后，計數器會被置換成0000，完成5 進制的計時。

二十進制計數器原理電路如圖2（b）所示，74LS160是一個十進制的計數器，選用2 個74LS160 芯片級聯成一個00～99 的計數器[2]。其中，作為個位數的74LS160 芯片，輸入頻率為1 Hz 的脈沖信號，再RCO 端與十位數的74LS160芯片的ENP 相連，作為十位的74LS160 計數器也同樣連接頻率為1 Hz 的脈沖信號，并用一個非門與清零端LOAD 相連；當個位數74LS160 的第十個CP 到達后，向十位數74LS160 芯片進一位，當十位數記到0010 時，會計數器會被置換成0000，完成一次二十進制的計數。

三十進制計數器原理電路如圖2（c）所示，三十進制計數器的原理與二十進制計數器相似。

3.2 傳感器信號

本設計中，用邏輯開關輸出傳感器信號，選用2 個單刀雙擲開關，分別表示主干道和支干道，2 個開關的兩端分別接電源和接地，當開關連接電源時表示此時干道上有車，若接到地，則表示無車。

3.3 控制器電路設計

根據設計要求，可以得知，交通燈有4 種不同的狀態，選用2 個J-K 觸發器Q2Q1進行控制。將這4 種狀態分別記為：S0表示主干道綠燈亮、支干道紅燈亮（用Q2Q1=00 表示）；S1表示主干道黃燈亮、支干道紅燈亮（用Q2Q1=01 表示）；S2表示主干道紅燈亮、支干道綠燈亮（用Q2Q1=11 表示）；S3表示主干道紅燈亮、支干道黃燈亮（用Q2Q1=10 表示）。

根據設計要求，可以確定在狀態變換中的輸入量：A 表示主干道有車通過，B 表示支干道有車通過，L 表示三十進制計數器記完30 s，S 表示二十進制計數器記完20 s，P 表示五進制計數器記完5 s。

圖2 計數器原理圖

隨后，對狀態轉換的方向以及狀態轉換的條件進行分析，并用邏輯函數表示可得到如下式子：

根據上述的狀態轉換的方向以及狀態轉換的條件，可得交通燈的狀態方程：

從而得到驅動方程：

3.4 譯碼驅動電路

主、支干道上的交通燈的紅、黃、綠信號燈的狀態主要取決于J-K 觸發器的輸出狀態。它們之間的關系如表1 所示。對于信號燈的狀態，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。

表1 信號燈信號真值表

根據真值表，可求出各自信號燈的邏輯函數表達式為：

4 仿真測試結果

繪制出交通燈設計原理圖，用Proteus 進行仿真，仿真結果如圖3 所示，可改變主、支干道的不同狀態，可得到相應的仿真結果，達到設計要求。