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交通信号灯设计
交通信号灯设计
综述
分析了现代城市交通控制与管理问题的现状,本次数字电子课程设计内容是设计交通信号灯控制电路。
交通信号灯的出现,使交通得以有效管制,对于疏导交通流量、提高道路通行能力,减少交通事故有明显效果。
随着中国加入WTO,我们不但要在经济、文化、科技等各方面与国际接轨,在交通控制方面也应与国际接轨。
俗话说“要想富,先修路”,但路修好了如果在交通控制方面做不好道路还是无法保障畅通安全。
作为交通控制的重要组成部份的交通信号灯也应国际化。
交通信号灯控制电路主要是由控制器、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,最终实现控制交通信号的目的。
1﹒1 系统工作流程图与结构框图
设主干道通行时间为N1,支干道通行时间为N2,主、支干道黄灯亮的时间均为N3,按主、支干道通行量,通常设置N1>N2>N3[1]。
1﹒1﹒1 系统工作流程图
根据设计要求设计系统工作流程图如图1-2所示。
图1-2系统工作流程图
1﹒1﹒2 系统硬件结构框图
根据系统工作流图,设计系统硬件结构框图如图1-3所示。
图1-3系统硬件结构框图
2 系统单元电路设计
2﹒1 状态控制器
由流程图可见,系统有4种不同的工作状态(S0~S3),通过状态控制器进行控制。
2﹒1﹒1选用74163N作状态控制器
选用4位二进制递增集成计数器74163N作状态控制器,74163N的功能表如表2-1所示[2]。
表2-1、74163N功能表
CLR’
LOAD’
ENP
ENT
CLK
ABCD
QAQBQCQDRCO
0
1
1
1
1
X
0
1
1
1
X
0
1
1
X
X
0
1
X
1
X
POS
POS
X
X
XXXX
XXXX
XXXX
XXXX
XXXX
00000
ABCD*1
计数*1
保持*1
保持*1
2.1.2 三色信号灯逻辑控制电路
电路符号在图2-1中可见,取低两位输出QB、QA作状态控制器的输出。
状态编码S0、S1、S2、S3分别为00、01、10、11。
2﹒2 状态译码器
译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应的输出高,低电平信号或另外一个代码。
以状态控制器输出(QA、QB)作译码器的输入变量,根据四个不同通行状态对主、支干道三色信号灯的控制要求,列出灯控函数真值表,如表2-2所示。
控制器状态
QBQA
主干道
R(红)Y(黄)G(绿)
支干道
r(红)y(黄)g(绿)
00
01
10
11
001
010
100
100
100
100
001
010
表2-2灯控函数真值表
由灯控函数真值表可写出六盏灯的逻辑式,经化简获得六盏灯的逻辑式为:
R=QBr=Q′B
Y=Q′BQAy=QBQA
G=Q′BQ′Ag=QBQ′A
根据灯控函数逻辑表达式,可画出由与门和非门组成的状态译码器电路,如图2-1所示。
将状态控制器、状态译码器以及模拟三色信号灯相连接,构成三色信号灯逻辑控制电路如图2-1所示。
图2-1三色信号灯逻辑控制电路
2.2.1 三色信号灯逻辑控制子电路
为了便于调试和系统总图简洁明了,将图2-1内的主要部分电路用其子电路“灯控逻辑”表示。
用子电路表示的三色信号灯逻辑控制电路如图2-2所示
如图2-2三色信号灯逻辑控制子电路
2﹒3计时显示逻辑电路
信号灯计时显示逻辑电路主要是由可逆计数器来完成。
所谓“可逆计数器”是指该器件不仅能完成加法计数,而且也能实现减法计数[3]。
2.3.1信号灯计时显示逻辑电路
选用两片74190N十进制可逆计数器构成2位十进制可预置数的减法计数器,如图2-3所示。
两片计数器之间采用异步级连方式,利用个位计数器的借位输出脉冲(RCO′)直接作为十位计数器的计数脉冲(CLK),个位计数器输入秒脉冲作为计数脉冲。
选用两只带译码器功能的七段显示数码管实现两位十进制数显示。
D1、C1、B1、A1和D0、C0、B0、A0是十位和个位计数器的8421码置数输入端。
由74190N功能表可知,该计数器在零状态时RCO′端输出低电平。
将个位与十位计数器的RCO’端通过或门控制两片计数器的置数控制端LOAD′(低电平有效),从而实现了计数器减计数至“00”状态瞬间完成置数的要求。
将数据输入端的8421BCD码置入计数器。
可以选择100以内的预置数值,实现0~100S内的计时显示要求。
仿真效果如图2-3所示。
图2-3信号灯计时显示逻辑电路
2.3.2信号灯计时显示子电路
同样,为了简化系统,可将图2-3内的主要部分电路用其子电路“计时显示”替代,将减计数器中或门(OR)输出的置数控制信号由ZS端引出作为状态控制器的状态转换控制脉冲。
用子电路表示的具有预置数功能的减计数器如图2-4所示。
图2-4信号灯计时显示子电路
2﹒4信号灯顺序定时置数逻辑电路
为使系统简化,如上所述,用同一减法计数器分时显示主、支干道通行时间(即主、支干道绿灯亮的时间)和主支干道通行转换中黄灯亮的时间,为此,必须解决好按顺序定时置数问题。
8路单向三态传输门74LS465N的功能表如表2-2所示[4]。
表2-28路三态传输门74LS465N功能表
输入
输出
G1’G2’
00
XX
A1
X
X
A2
X
X
A3
X
X
A4
X
X
A5
X
X
A6
X
X
A7
X
X
A8
X
X
Y1
A1
z
Y2
A2
z
Y3
A3
z
Y4
A4
z
Y5
A5
z
Y6
A6
z
Y7
A7
z
Y8
A8
z
2.4.1信号灯定时置数逻辑电路
选用三片74LS465N可组成按顺序定时置数的控制电路,如图2-5所示。
三片74LS465N输入端分别以8421BCD码形式设定主、支干道通行时间和黄灯亮的时间,输出端分别按高、低位对应关系并联后按D7~D0由高位到低位排列后,接到递减计数器的置数输入端。
三片74LS465N的选通控制端G2ˊ分别命名为AGˊ、Agˊ和AYˊ,分别表示主干道的绿灯、支干道的绿灯和黄灯选通(低电平有效),并完成对递减计数器的预置数。
三片74LS465N任何时刻只能有一片选通,其他两片输出均处于高阻态。
图2-5信号灯定时置数逻辑电路
2.4.2 信号灯定时置数子电路
在图2-5所示减法计数器顺序定时置数逻辑电路中,将其主要部分电路用其子电路“定时置数”表示,得到简化顺序定时置数逻辑电路如图2-6所示[5]。
图2-6信号灯定时置数子电路
2﹒5 秒脉冲发生器
秒脉冲发生器可由555多谐振荡器构成。
555多谐振荡器是由555定时器接成的施密特触发器,在施密特触发器的基础上就可以改接成多谐振荡器,即只要把施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回到它的输入端,就构成了多谐振荡器。
因此,只要将555定时器的VI1和VI2连在一起接成施密特触发器,然后再将
V0经RC积分电路接回输入端就可以了[6]。
2﹒6 顺序定时置数控制电路
为了使顺序定时置数逻辑电路中的三片74LS465N依次顺序工作,并保证三片74LS465N任何时刻只能有一片选通,其他两片输出端均处于高阻态。
需要设计顺序定时置数控制电路。
2.6.1 交通信号灯自动指挥系统
设计顺序定时置数控制电路,图2-7是交通信号灯自动指挥系统中与子电路“灯控逻辑”相连接的两个非门、一个或非门可实现这一功能。
图2-7交通信号灯自动指挥系统
3.仿真实验
在MultisimV7的主界面内,用粘贴的方法将上述各部分单元电路置于同一界面内,再按照各自对应关系相互连接构成的交通信号灯自动指挥系统如图2-7所示。
很明显,由于采用了子电路表示方法,使系统电路大大简化了。
在该系统中,由G7~G0设定主干道通行时间为35s,AG`由主干道绿灯亮时选通。
由g7~g0设定支干道通行时间25s,Ag`由支干道绿灯亮时选通。
由Y7~Y0设定黄灯亮的时间为5s,AY`由主干道或支干道黄灯亮时选通。
当减法计数器回零瞬间,置数控制端产生一个窄负脉冲,经反相器变为正脉冲,送至状态控制器时钟脉冲输入端,使状态控制器翻转为下一个工作状态,状态译码器完成换灯的同时,由顺序定时置数控制电路选通下一片74LS465B,计数器置入新的定时值并开始新状态下和减法计数,当计数器减计数再次回零时又重复上述过程,这样信号灯就自动按设定时间顺序交替转换。
在上述系统中,置数输入是根据定时时间的8421编码将相应输入端接高、低电平实现的,在实际应用系统中,可采用8421码数码拨盘,实现减法计数器的预置数控制。
在系统安装调试中,首先将各单元电路调试正常,然后再进行各单元电路之间的连接,要特别注意电路之间的高、低电平配合。
若系统组装完毕,“通电”测试,工作不正常,仍可将各单元电路拆开,引入秒脉冲单独调试。
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