城市交通信号灯的数字集成电路设计

尹凡+潘洁

摘要：随着城市的发展，城市的交通枢纽问题越来越引起人们的关注。在道路交通形势日益紧张的城市道路系统中，如何利用现有道路交通系统对人、车、路三者的通行结构进行调配，是当前交通管理系统亟需解决的问题。本文阐述了城市交通控制系统中最关键的控制系统——交通灯控制系统的工作原理，提出了一种简单实用的基于数字集成电路的设计方法。

Abstract： With the development of the city， the transportation hub of the city gets more and more attention. In the urban road system of the road traffic situation， how to allocate the traffic structure of people， vehicles and road by the existing road traffic system is an urgent problem to be solved in the current traffic management system. This paper describes the most critical control system in the urban traffic control system： the principle of traffic lights control system and puts forward a simple and practical design method based on digital integrated circuits.

关键词：交通信号灯；数字集成电路；控制器；译码电路

Key words： traffic light；digital integrated circuit；controller；decoding circuit

中图分类号：U665.16 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）35-0152-03

0 引言

随着城市化的逐步发展，城市交通也发生了巨大的变化，虽然新修建数条高速公路及普通道路，但随着汽车的日益增长，市区交通仍然变得十分拥挤，而这些因素对人们的安全出行也带来很大隐患。各交通路口的信号灯作为交管部门管理交通的重要工具之一，其合理使用可以为人们的安全出行提供保障。

交通信号灯主要由城市交通控制系统控制。现代城市交通监控指挥系统中的城市交通控制系统一个综合化的计算机道路交通管理系统，其主要功能包括城市交通数据监测、交通信号灯控制以及交通疏导。在以计算机为主体的信息化交通管理系统中，如何运用科学的控制方法对已建的城市道路结构进行优化调度，缓解道路的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划系统亟待研究的课题。

数字电路具有逻辑性强和灵活性强的特点，数字电路芯片只要在一定范围内输入，都能得到稳定的输出，调试起来比较容易，电路工作也比较稳定，所以被广泛用于各种领域。本文着重介绍运用数字集成电路进行控制的交通灯的设计思路。

1 交通灯的设计要求及总体方案

1.1 设计要求

主干道和支干道十字路口设置交通灯，控制两条交叉道路上的车辆通行。

①每条道路设1组由黄、红、绿灯组成的信号灯，绿灯表示允许通行，红灯表示禁止通行，黄灯表示该车道上已过停车线的车辆继续通行，而未过停车线的车辆停止。

②当主干道绿灯亮时，支干道红灯亮，且主干道绿灯亮的时间不少于60s。

③当主干道红灯亮时，支干道绿灯亮，且支干道绿灯亮的时间不超过30s。

④每次变换通行车道前，要求黄灯先亮5s。

1.2 总体方案

根据设计要求，交通灯控制系统的组成框图如图1所示：十字路口交通灯工作状态数据由状态控制器进行监测记录，通过状态译码器分别点亮相应状态的信号灯，秒脉冲发生器产生整个定时系统时基脉冲，通过减数计数器对脉冲减计数，达到控制每一种工作状态的持续时间，减数计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时译码器根据系统的下一个工作状态决定计数器下一次减计数的初始值，减计数器的状态由BCD译码器、数码管显示。

2 设计的主体内容

2.1 状态控制器的设计

①S0状态表示主干道绿灯亮，支干道红灯亮，60s定时开始计时，且通车时间未超过60s。

②S1状态表示主干道通车时间已达到30s，此时主干道黄灯亮，支干道红灯亮，5s定时器开始计时。

③S2状态表示主干道黄灯时间已超过5s，此时，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，30s定时器开始计时。

④S3状态表示支干道通车时间已超过30s，此时，主干道红灯亮，支干道黄灯亮，5s定时器开始计时，以后当支干道黄灯计时超过5s时，接S0状态。

这四个状态可以用二进制编码表示，S0用00表示，S1用01表示，S2用10表示，S3用11表示，其状态转换图2所示。

这是一个二位二进制计数器，可采用中规模集成计数器CD4029构成状态控制器。CD4029是一种CMOS电路二进制/十进制可异步置数的可逆计数器，若要实现多级级联，只需将前级计数器的进/借位信号CO连到下级计数器控制端C1即可，CD4029可实现二进制/十进制的可进位，可预置的加/减数。

状态器的脉冲可以用来自减法计数器的借位输出，根据译码显示器的借位变化来改变状态器的输入，控制状态器的输出。

由CD4029所组成的状态控制器如图3所示。

2.2 译码电路的设计

主干道上红、绿、黄信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态，它们之间的关系见真值表，如表1。对于信号灯状态，“1”表示灯亮，“0”表示灯灭，两个方向的信号灯有4种输出状态。由真值表分析可以求出各信号灯的逻辑关系。

选用半导体发光二极管来模拟交通灯，由于门电路的带灌电流的能力比一般带拉电流的能力强，要求门电路输出低电平时，点亮相应的发光二极管，所以在状态输出端设置了与非门和非门，以满足低电平的要求。状态译码电路如图4所示。

2.3 定时电路的设计

定时要求主干道绿灯显示60s，支干道绿灯显示30s，黄灯显示5s，故需要一个能实现自动调节不同时间的定时器74LS245，通过使能端和控制端可以控制不同数字的输出。预置到减数计数器的时间可以通过3片74LS245来实现，3片74LS245的输入数据分别接入60、30、5这3个不同的数字，74LS245的输出数据和减法计数器相连，实现设计要求的计时时间。三片74LS245的输出与否由状态控制器来实现，当状态控制器在S0（Q2Q1=01）状态S4（Q2Q1=11）状态时要求黄灯亮，要求减法计数器从初始值5开始计时，可以看出黄灯亮时Q1必须为1，所以可以用Q1来控制接数字5的74LS245。当主干道绿灯亮时，60s计数器开始计时，由于74LS245的EN端接入低电平有效，而信号灯也是接人低电平有效，所以可以把74LS245的EN端与主干道的绿灯连接，同理，输入数据20的74LS245可以与支干道的绿灯信号相连，74LS245的管脚图如图5所示。

它主要实现的是三态门的功能，输出端除了有高电平和低电平两种状态外，还有第三种状态高阻状态。其逻辑功能是：当使能控制信号EN=0时，若DIR=1，则数据传输通路为A到B，若DIR=0，则数据传输通路为B到A；而EN=1时，无论DIR为何值，A、B之间均呈高阻状态。

定时器的减数器主要是由异步可逆二/十进制计数器来实现，译码和显示电路主要是由74LS47和数码管来产生，74LS47管脚图如图6所示。

2.4 脉冲产生电路的设计

脉冲的产生电路主要是由555定时器产生的。555定时器是一种中规模集成电路，只要在外部配上适当的几个元件，就可以构成施密特触发器，单稳态触发器及多谐振荡器等脉冲与变换电路，该器件的电源电压为4.5～16V，驱动电流可达到200mA左右，并且可以与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。

多谐振荡器是一种无稳态电路。对该电路通电后，电路状态可以自动变换并且产生矩形波的输出。555定时器组成的的脉冲发生器如图7所示。

将以上各模块进行逻辑连接，得到系统的电路原理图，如图8所示。

将各单元部分按照电路图连接后，进行各单元电路调试及整体调试，并通过软件仿真验证，完全达到设计要求。

数字集成电路具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高、性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产，由数字集成电路控制的交通信号灯也会越来越广泛地使用。

参考文献：

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