十字路口交通信号灯电路设计

摘要：论文阐述了交通信号灯的设计思想，优化了电路设计，从设计要求开始分析，将整个信号灯电路分成秒脉冲发生器、分频器、控制电路、译码电路几个部分介绍，巧妙地设计电路，画出各子电路图。通过多次电路制作和调试检测，论证了本电路性能优良、安全可靠，成本低廉，对提高学生专业技能效果显著，为工程人员提供参考和借鉴价值[1]。

关键词：交通信号灯；分频器；控制电路；译码器

引言：交通信号灯电路设计已有很多方案，但有的方案存在设计繁琐、性能不太稳定现象，从实用性、稳定性等方面考虑，设计了一个全新的交通信号灯方案。

1 设计要求

设计一个十字路口交通信号灯控制电路，因为两支干道车道数不同，车流量不同，故按照实际需要一条车道设置为主干道，另一条车道为支干道，十字路口红、绿、黄灯工作情况有所不同，具体要求如下：（1）两条交叉道路上的车辆交替运行，主干道放行28s，支干道放行20s。（2）绿灯熄灭后，黄灯先亮4s（另一干道的红灯不变），当黄灯灭后红灯才亮，此时方可变换运行车道。（3）黄灯亮时，每秒闪烁一次，提醒驾驶员减速停车等待红灯。（4）夜间所有红、绿灯熄灭，两条道路的黄灯亮，且每秒闪烁一次。

2 参考元器件

（1）集成电路 7474×2、74LS164×1、74LS08、74LS32、74LS04若干。（2）4MHz石英晶振 1片。（3）电位器、电阻、电容若干。

3 基本原理及设计方法

十字路口由一条主干道和一条支干道汇合而成，在每个入口处设置红、绿、黄三色信号灯。红灯亮表示禁止通行，绿灯亮表示允许通行，黄灯亮表示提醒变道（给行驶中的车辆有时间停在禁行线以内），主干道放行时间较长。

要实现设计要求的放行时间，各干道红、黄、绿灯的运行情况如图1所示。其中主干道：绿灯亮28s、黄灯闪烁4s、红灯亮24s；支干道：绿灯亮20s、黄灯闪烁4s、红灯亮32s；夜间模式：红灯和绿灯熄灭，黄灯每秒闪烁，提醒注意。

交通信号灯控制电路框图如图2所示。控制系统由秒脉冲发生器、分频器、控制电路、译码电路和信号显示电路等部分组成[2]。秒脉冲发生器给系统提供1Hz的标准时钟信号源，译码电路输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路驱动信号灯工作。控制器是系统的主要部分，由它控制译码电器的工作，现分别介绍主要单元电路。

3.1 分频器

十字路口主干道红、黄、绿灯亮的时间分别为24s、4s和28s，选4s为一个时间单位，其亮灯时间比例分别为6：1：7，支干道比例为8：1：5。每4秒一个时间单位的输出可采用集成电路7474构成四分频器来实现，如图3所示，图中CP0为1Hz的标准时钟脉冲。

3.2 控制电路

控制器是交通信号灯管理的核心，由图1所示的交通信号灯运行框图可知，主干道和支干道红、黄、绿灯亮的工作循环周期为14个时间单位，因此选用14进制计数器来构建工作周期。计数器的种类很多，这里我们选用中规模74LSl64组成扭环形计数器[3]。

74LS164是一个八位移位寄存器，引脚排列如图4所示，其中：A、B ——串行输入数据端；[RD] ——异步清零端；CP ——移位脉冲输入端（即CP 端）；QA～QH——数据输出端。

74LS164移位寄存器可以实现以下逻辑功能：

（1）[RD]=0，实现异步清零，即：

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

（2）[RD]=1且CP上升沿时，输出为：

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

将74LS164的[QG]（12脚）通过非门引回A、B作为输入信号，即可构成14进制扭环形计数器，电路如图5所示，工作循环如表1中74LS164的[QA～QH]的输出状态。

当夜间开关“S”断开时，[RD]=1，扭环形计数器工作，当开关“S”闭合时，[RD]=0，计数器异步清零。[RD]作为夜间控制信号送译码电路。

3.3 译码电路

在一个工作循环周期内（14个时间单位），红、绿、黄灯的变化规律如状态表1所示。要使信号灯按照设计要求运行，只需找出74LS164的输出与信号灯之间的逻辑关系即可。

根据控制信号灯的译码电路状态表，从[QF]、[QG]、[QH]中寻找满足红、绿、黄灯变化规律的逻辑控制关系，从而找到各信号灯的函数关系。

（1）主干道信号灯的逻辑表达式

红灯：[1R=QG?QH?RD]； 黄灯：[1Y=（QG?QH+RD）?CP0]； 绿灯：[1G=QG?RD]。

（2）支干道信号灯的逻辑表达式

红灯：[2R=（QG+QH）?RD]； 黄灯：[2Y=（QG?QF+RD）?CP0]；绿灯：[2G=QF?QH?RD]。

根据主干道和支干道的逻辑表达式连接十字路口信号译码电路，如图6所示。在白天，夜间控制开关“S”断开[RD]输出高电平，红、黄、绿灯按设计的逻辑表达式正常工作，当夜晚来临时，夜间控制开关“S”闭合，[RD]输出低电平，关闭红灯和绿灯，黄灯闪烁。

4、组装和调试要求

在数字实验仪上按各功能单元分别连接秒脉冲发生器、分频器、控制和译码电路。然后按照以下步骤进行调试：（1）用数字频率计测试秒脉冲发生器获得的脉冲是否为1Hz。（2）将秒脉冲信号送入分频器，观察输出脉冲是否为4s一个周期（1个时间单位）。（3）将秒脉冲信号送入控制电路，观察74LS164组成的14进制扭环形计数器是否按照控制信号灯的译码电路状态表中的规律变化。（4）将秒脉冲信号送入十字路口信号译码电路中的CP0，时间单位脉冲送入控制电路，观察黄灯是否按1s闪烁，信号灯是否按要求变化。（5）整机联调，使交通信号灯控制系统能正常工作。

5、结束语

当今社会科技发展到了较成熟阶段，中国已经倡导并开始实施建设智慧城市，交通安全一直是社会关注的焦点，一个成熟的交通信号灯设计方案对于制作电路是很重要的。本论文的设计理念、设计电路等各方面优化与之前的设计，通过多次的制作验证，本电路能长期稳定可靠工作，效果良好，能对交通信号灯的设计人员起到很高的参考价值。

参考文献

[1]周华，李良荣，张荣芬.电工与电子技术因材施教方法探索[J].中国教育改革与教学研究，2012（7）：1-3.

[2]数电交通灯课程设计[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/791af8d276eeaeaad1f330ed.html

[3]周华.《数字电子技术》[M]. 成都：西南交通大学出版社.2009

作者简介：周华（1975-）女，贵州电子信息职业技术学院，副教授，硕士，贵州凯里人，研究方向：通信与信息工程；电子信息工程；电路与系统。endprint