简易的十字路口交通信号灯控制电路

刘云豪

摘 要

我国的交通问题一直广泛受到人们的关注，在上下班高峰时经常会出现交通堵塞的情况。因此，十字路口交通信号灯的控制系统只有正常运行，才能有效解决交通问题，避免出现交通事故。本文将主要分析交通信号灯的设计要求，介绍信号灯电路的相关部分，并试图进行控制电路的设计。

【关键词】交通信号灯 控制电路 分析

随着我国社会经济的飞速发展，交通设备也朝着现代化和科学化的方向发展。十字路口不再站着指挥车辆行驶的交通警察，取而代之的是自动指路的交通信号灯。因此，十字路口交通信号灯控制电路的设计成为被关注的对象。

1 十字路口交通信号灯简介

十字路口一般有两条交叉的道路，这两条道路有主次之分。其中有一条车流量很大，被称为主干道；另一条车流量较小，被称为次干道。

在主干道和次干道的交叉路口，每一边都会设置相应的交通信号灯。交通信号灯分为红、绿、黄三种颜色，红灯表示禁止车辆通行；黄灯表示交叉路口停车线以外的车辆禁止通行，交叉路口停车线以内的车辆可快速通过；绿灯则表示允许车辆通行。

2 设计要求

设计一个十字路口的交通信号灯控制电路，要模拟主干道和次干道的车流量和车道数。在设计过程中，以符合要求的一条车道为主干道，交叉的道路为次干道，具体要求如下：

（1）两条交叉道路的车辆交替放行，主干道的时间是28秒，次干道的放行时间是20秒。

（2）主干道的红灯亮着，次干道绿灯熄灭，黄灯亮4秒。次干道黄灯熄灭后，红灯亮起。

（3）黄灯点亮时，每秒闪烁一次，让行车人员计数等待。

（4）夜间行驶时，红绿灯熄灭，只剩主干道和次干道的黄灯闪烁，并保持每秒闪烁一次的状态。

3 参考元器件

在设计过程中，有一些需要的元器件，如集成电路、石英晶振、电位器、电阻、电容器等等。

4 基本原理

十字路口是由主干道和次干道交叉形成的，因此需要在每个入口设置红、绿、黄三色信号灯。红灯禁止通行，绿灯允许通行，黄灯指示驾驶员变道。主干道的放行时间应当长于次干道的放行时间。

想要满足上述的设计要求，应该对主干道和次干道的信号灯进行设置。主干的绿灯亮28秒，黄灯闪烁4秒，红灯亮24秒；次干道的绿灯亮20秒，黄灯闪烁4秒，红灯亮32秒。到了夜间时，红灯和绿灯都熄灭，只剩下每秒闪烁一次的黄灯，提醒驾驶员安全行驶。

交通信号灯的控制电路应该由几部分组成，这几部分分别是秒脉冲发生器、分频器、控制电路、译码电路、信号显示电路和驱动等。秒脉冲发生器是提供标准时钟信号源的，译码电路是对主干道和次干道的信号灯发出控制信号的，驱动电路是驱动信号灯进行工作的。控制器是电路的关键部分，它控制着译码电器的工作。

5 单元电路介绍

5.1 分频器

上文已述，十字路口主干道红黄绿灯亮的时间是24秒、4秒和28秒，其比例是6：1：7；次干道红黄绿灯亮的时间是32秒、4秒和20秒，比例是8：1：5。按照比例，可以以4秒作为一个时间单位，采用分频器实现。

5.2 控制器

控制器是电路的关键部分。经过计算，主干道和次干道交通信号灯的工作循环周期是14个时间单位，在这里可以采用14进制计数器，如扭环形计数器等。

5.3 译码电路

在一个工作周期即14个时间单位内，红绿黄灯具有固定的变化规律。要使设计要求顺利实现，需要找到满足红绿黄灯变化规律的逻辑控制关系，从而确定函数关系，进行表达式的分析。在译码电路的设置过程中，白天需要断开夜间控制开关，让红、黄、绿灯按照表达式正常工作。在夜晚来临时，需要闭合夜间控制开关，使红灯和绿灯关闭，保持黄灯闪烁的状态，从而实现最初的设计要求。

6 交通信号灯的控制电路设计

6.1 系统时钟

系统时钟是利用555时基电路组成自激多谐振荡器。在具体的使用过程中，应该计算电路输出脉冲的震荡周期，让固定电阻和电位器串联，从而取代需要替换的电阻。在调试电路时，也要相应地进行电位器调节，观察电压的波形，使系统周期固定。

6.2 状态控制

根据前文的设计要求，主干道红黄绿灯亮的时间是24秒、4秒和28秒，次干道红黄绿灯亮的时间是32秒、4秒和20秒。主次干道的交通信号灯在具体的状态控制过程中，可以用译码器来完成，并使用计数器实现这种变化。

6.3 倒计时的设计及显示

交通信号灯在由绿灯转变成为红灯的过程中，需要经过黄灯。主干道红灯亮的时间等于次干道绿灯加黄灯亮的时间总和。计数器的初始值是一个变量，通过减法计数器能实现信号灯的切换过程。上下班的高峰期是一个特殊阶段，在交通堵塞的情况下可以适当改变一条道路的通行时间，具体方法是增加减法计数器的倒计时时间。

6.4 信号灯闪烁电路设计

当通道的通行时间不足3秒或等于3秒时，信号灯会持续闪烁，提醒车辆注意。以绿灯为例，在电路设计过程中，可以通过设真值的办法实现信号灯的闪烁。当输出小于等于3，与对应的绿灯电路结合，可以达到闪烁效果。

7 组装和调试要求

数字实验仪上连接着秒脉冲发生器、分频器、控制电路译码电路等等，这些连接都是以功能作为区分的。在具体的调试过程中可以遵循以下几个步骤：第一，用数字频率计对脉冲进行测试，看秒脉冲发生器的脉冲是否是1赫兹。第二，在秒脉冲信号进入分频器以后，要观察输出脉冲是否是一个时间单位，每个时间单位是4秒一个周期。第三，秒脉冲信号进入控制电路后，要观察计数器的变化，看它是否符合交通信号中红黄绿等的变化规律。第四，秒脉冲信号进入译码电路之后，时间单位脉冲信号在控制电路中发生作用，从而使信号灯发生变化。这时要看黄灯是否按照每秒闪烁一次的概率进行。第五，可以采用整机联调的方法，对交通信号控制系统的各个方面进行检查，确保交通信号灯能够正常运行，避免造成重大的交通事故。

8 结论

交通信号灯的设计对控制电路的设计环节非常重要，它关系着交通信号控制系统能否正常工作。因此，使用科学高效的方法、做好十字路口交通信号灯的设计工作、完善相应的交通信号控制系统是保障交通系统正常运行的重要途径。

参考文献

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[2]婁月新.交通信号灯的设计与实现[J].电脑知识与技术，2014（22）：5352-5354.

[3]张晓军，陆兴华.基于单片机的交通灯控制系统的设计与仿真[J].电子测试，2014（S2）：10-11+20.

作者单位

湖南广益实验中学K1408班 湖南省长沙市 410014