基于数字电路对交通灯控制的研究与设计

中国科技论文

统计源期刊

实 验 技 术 与 管 理 Vo.l22 No.6 2005

基于数字电路对交通灯

控制的研究与设计

刘明丹

(四川农业大学信息与工程技术学院,四川雅安 625014)

摘 要:通过采用数字电路对交通灯控制电路的设计,提出使交通灯控制电路用数字信号

自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的新方法,指挥各种车辆和行人安全通行,实现十子路口交通管理的自动化。M图;单元电路;译码器;控制器关键词:AS

中图分类号:U49115 文献标识码:B 文章编号:1002-4956(2005)06-0030-04

1 设计任务与要求

十字路口的交通灯在工作时应具有如下特点:红灯亮表示该条道路禁止通行;黄灯亮表示该条道路上未过停车线的车辆禁止通行,已过停车线的车辆继续通行;绿灯亮表示该条道路允许通行。设计任务与要求:(1)设计一个十字路口的交通灯控制电路,要求甲车道和乙车道两条交叉道路上的车辆交替运行,每次通行时间都为25秒;(2)黄灯先亮5秒钟,才能变换运行车道;(3)黄灯亮时,要求每秒闪亮一次。

2 设计原理与电路

211 分析系统的逻辑功能,画出其框图

交通灯控制系统的原理框图如图1所示。它主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源,译码器输出两组信号灯的控制信号,经驱动电路后驱动信号灯工作,控制器是系统的主要部分,由它控制定时器和译码器的工作。图中的TL表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为25秒,即车辆正常通行的时间间隔,定时时间到,TL=1,否则,TL=0;TY表示黄灯亮的时间间隔为5秒,定时时间到,TY=1,否则,TY=0;ST表示定时器到了规定的时间后,由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开始下一个工作状态的定时。212 设计交通灯控制器的ASM(Algorithmicstatemachine)图

根据设计任务与要求分析,交通灯的控制系统工作过程如下:

(1)甲车道绿灯亮,乙车道红灯亮。表示甲车道上车辆允许通行,乙车道禁止通行。

收稿日期:2004-10-20

作者简介:刘明丹(1965)),男,重庆江津人,讲师,主要从事电子技术、电机与拖动的教学与研究1

刘明丹:基于数字电路对交通灯控制的研究与设计31

绿灯亮足规定的时间间隔TL时(设为25秒),控制器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。

(2)甲车道黄灯亮,乙车道红灯亮。表示甲车道上未过停车线的车辆停止通行,已过停车线的车辆继续通行,同时乙车道禁止通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY(设为5秒)时,控制器发出状态转换信号ST,转换到下一工作状态。

(3)甲车道红灯亮,乙车道绿灯亮。表示甲车道禁止通行,乙车道上的车辆允许通行。绿灯亮足规定的时间间隔TL(设为25秒)时,控制器发出状态转换信号ST,转到下一工作状态。

(4)甲车道红灯亮,乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行,乙车道上未过停车线的车辆禁止通行,已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间隔TY(设为5秒)时,控制器发出状态转换信号ST,系统又转换到第(1)种工作状态。

交通灯以上4种工作状态的转换是由控制器进行控制的。在图2中,设控制器的四种状态编码为00、01、11、10,并分别用S0、S1、S3、S2表示。

图1 交通灯系统控制图图2 交通灯控制器ASM图

控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见,把灯的代号和灯的驱动信号合二为一,并作如下规定:

AG=1:甲车道绿灯亮;BG=1:乙车道绿灯亮;AY=1:甲车道黄灯亮;BY=1:乙车道黄灯亮;AR=1:甲车道红灯亮;BR=1:乙车道红灯亮;

在图2中,控制器的初始状态为S0(用状态框表示),当S0的持续时间小于25秒时,TL=0(用判断框表示),控制器保持S0状态不变。只有当S0的持续时间等于25秒时,TL

=1,控制器发出状态转换信号ST(用条件框表示),并转换到下一个状态。

3 单元电路设计

311 定时器

定时器由与系统秒脉冲(时钟脉冲产生器提供)同步的计数器构成。计数器在状态转换信号ST的作用下,首先清零,然后在时钟脉冲上升沿作用下,计数器从零开始进行增1记数,向控制器提供模5的定时信号TY和模25的定时信号TL。

32实 验 技 术 与 管 理

312 控制器

控制器是交通管理的核心,它应该能够按照交通管理规则控制信号灯工作状态的转换。从ASM图可以列出控制器的状态转换表,如表1所示。选用两个D触发器FF1、FF0

nn

做为时序寄存器产生4种状态,控制器状态转换的条件为TL和TY,当控制器处于Q1Q0=00状态时,如果TL=0,则控制器保持在00状态;如果TL=1,则控制器转换到Q1Q0=01状态。这两种情况与条件TY无关,所以用无关项/@0表示。其余情况依次类推,同时表中还列出了状态转换信号ST。

根据表1,即可得到下面的方程:n+1nnnnnnQ1=Q1Q0TY+Q1Q0+Q1Q0TY(1)Q01=Q1 Q0TL+Q1Q0+Q1Q0TL(2)ST=Q1 Q0TL+Q1Q0TY+Q1Q0TL+Q1Q0TY

(3)

根据以上方程,选用数据选择器74LS153来实现每个D触发器的输入函数,控制器中的电阻、电容构成上电复位电路。313 译码器

译码器的主要任务是将控制器的输出Q1、Q0的四种工作状态,翻译成甲、乙车道上6个信号灯的工作状态。表2为控制器的状态编码与信号灯控制信号之间的关系。 由表2得到低电平有效的译码电路设计,见图3。

AG=Q1Q0 BG=Q1Q0AY=Q1Q0#CPAR=Q1

BY=Q1Q0#CPBR=Q1

表2 控制器状态编码与信号灯关系表

状 态

Q1 Q00 00 11 11 0

AG1000

AY0100

AR0011

BG0010

BY0001

BR1100

n

n

n

n

n

n

n

n

n+1

n

n

n

n

n

nn+1

n+1

图3 交通灯译码电路设计

4 整体电路设计图

如图4,整体电路由定时器、控制器、译码器、CP脉冲发生器等组成,其中译码器的设

刘明丹:基于数字电路对交通灯控制的研究与设计33

计采用了六只发光二极管的共阳极接法,比共阴极接法少用了74LS10与非门集成块两只。计数器选用集成电路74LS163进行设计较简便。该集成电路是4位二进制同步计数器,它具有同步清零、同步置数的功能。CR是低电平有效的同步清零输入端,LD为低电平有效的同步并行置数控制端,CTp、CTT是计数控制端。

图4 整体电路图

5 实验结果

各信号用示波器进行观察、记录,得该电路的时序波形图,见图5。用示波器观察多个波形时,采用了外触发方式,并且选用频率最低的电压Q3作为外触发电压才得以正常观察。经实验证明,该电路状态转换运行正常。参考文献:

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