交通灯的仿真与设计1．引言在城镇街道的十字交叉路口，为了保证交通秩序和行人安全，一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯，其中红灯亮，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停止通行，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。

交通灯控制电路自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。

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。

因此，如何采用合适的方法，使交通信号灯的控制与交通疏导有机结合，最大限度缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。

以下就一简单的交通灯控制系统的原理、设计和仿真等问题进行讨论。

2．设计任务与要求2.1 设计任务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，每次通行时间都设为25秒；2、要求黄灯先亮5秒，才能变换运行车道；3、黄灯亮时，要求每秒钟闪亮一次4、每路口均有时间显示（两位LED）2.2 设计要求：1、画出总体设计框图，以说明交通灯由哪些相对独立的功能模块组成，标出各个模块之间互相联系，时钟信号传输路径、方向和频率变化。

并以文字对原理作辅助说明。

2、设计各个功能模块的电路图、真值表（或状态转换图）并加上原理说明。

3、有条件时选择合适的元器件，在面包上接线验证、调试各个功能模块的电路，在接线验证时设计、选择合适的输入信号和输出方式，在充分电路正确性同时，输入信号和输出方式要便于电路的测试和故障排除。

4、设计整个电路的电路图，加上原理说明。

有条件时对整个电路的元器件和布线进行合理布局，并进行整个交通灯电路的接线调试。

3．交通灯控制电路的设计方案3.1 总体方案设计根据功能要求，交通灯控制系统应主要由秒脉冲信号发生器、倒计时计数器电路和信号灯转换器组成，原理图如图1所示。

秒脉冲信号发生器是该系统中倒计时计数电路和黄灯闪烁控制电路的标准时钟信号源。

倒计时计数器输出两组驱动信号T5和T，分别为黄灯闪烁和变换为红灯的控制信号，这两个信号灯转换器控制信号灯工作。

倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信号灯转换器的工作。

图1 交通灯控制系统原理框图3.2 单元电路设计3.2.1 信号灯转换器信号灯状态与车道运行状态如下：•S0：东西方向车道的绿灯亮，车道通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；•S1：东西方向车道的黄灯亮，车道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；•S2：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道通行；•S3：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道缓行。

用以下6个符号来分别代表东西（A）、南北（B）方向上各灯的状态；•G A=1：东西方向车道绿灯亮；•Y A=1：东西方向车道黄灯亮；•R A=1：东西方向车道红灯亮；•G B=1：南北方向车道绿灯亮；•Y B=1：南北方向车道黄灯亮；•R B=1：南北方向车道红灯亮。

实现信号灯的转换有多种方法，现采用比较典型的两种方法来进行设计，比较其优劣后可以找到一种较简单、更实用的电路来实现信号灯的转换工作。

选用JK触发器较为简便，设编码状态为S0=00，S1=01，S2=11，S3=10，其输出为Q1、Q0，则其与信号灯关系如表1所示。

表1 状态编码与信号灯关系表现态次态输出Q1n Q0n Q1n+1 Q0n+1 G A Y A R A G B Y B R B0 0 0 1 1 0 0 0 0 10 1 1 1 0 1 0 0 0 11 1 1 0 0 0 1 1 0 01 0 0 0 0 0 1 0 1 0由表1可以得出信号灯状态的逻辑表达式：G A=Q__1n Q__0n Y A=Q__1n Q0n R A=Q1nG B=Q1n Q0n Y B=Q1n Q__0n R B=Q__1n图2 JK触发器构成的信号转换器JK触发器的输出状态是与J输入端的状态相同的，同时分析表1，触发器0的现态与触发器1的次态相同，触发器1的现态与触发器0的次态相反，因此可以将触发器0的输出端Q、Q__（现态）分别接触发器1的J、K输入端（次态），触发器1的输出端Q、Q___（现态）分别接触发器0的K、J端（次态），取触发器1为U1B，触发器0为U1A，连接后的电路如图2所示。

3.2.2 倒计时计数器十字路口的交通灯要有数字显示，且是倒计时，以便人们能够更好的把握好时间。

具体的工作方式为：当某方向的绿灯亮时，将显示器置为25s，然后每秒减1，计数方式工作，直至减到数为5和0，十字路口的灯互相变换，一次工作循环结束，而进入下一工作循环。

在倒计时过程中计数器还向信号灯转换器提供模5的定时信号T5和模0的定时信号T0，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯的变换。

倒计时显示采用七段数码管作为显示，它由计数器驱动并显示计数器的输出值。

计数器选用集成电路74190进行设计较为简便。

74190是十进制同步可逆计数器，可以实现加减法计数器，它具有异步并行置数功能，保持功能。

74190没有专用的清零输入端，但可以借助Q D，Q C，Q B，Q A的输出端数据间实现清零功能。

功能如表2所示。

表2 74190的功能表要实现25s的倒计时，需选用两片74190芯片，构成从99到0的倒计时计数器，其中作为低位的74190芯片的CLK接秒脉冲发生器（频率为1），再把低位74190芯片的输出端QA、QD用一个与门连起来，再接在高位74190芯片的CLK端。

当低位芯片减到0时再减一位就会变成9，0(0000)和9（1001）之间的Q A、Q D同时由0变为1，把Q A、Q D相与接在高位片的CLK端，此时会给高位74190芯片一个脉冲数字减1，相当于借位。

预置数（即车的通行时间）功能：用8个开关分别接在高位和低位74190芯片的D、C、B、A端。

预置数范围为1~99。

今题目要求汽车的通行时间为25秒，所以接法如图3所示。

高位的A、C、D接0，B接VCC，即1；低位的B、D接0，A、C接1。

即高位：0010，翻译为2，低位0101，翻译为5。

图3 预置数的连接方法按照74190的功能表，CTEN端接低电平，加/减计数控制端D/U接高电平实现减计数。

预置端LOAD接高电平时计数，接低电平时预置数。

因此，工作开始时，LOAD为0，计数器预置数，置完数后，LOAD变为1，计数器开始倒计时，当倒计时减到数00时，LOAD又变为0，计数器又预置数，之后又倒计时，如此循环下去。

这可以借助两片74190的8个输出端来实现，用或门将8个输出端连起来，再接在预置数端LOAD上。

但由于没有8输入的或门，所以需要改用两个4输入的或非门连接，然后再用一个与非门连接来完成此功能。

连接后的电路图如图4所示。

图4 倒计时计数器电路3.2.3 倒计时计数器与信号灯转换器的连接倒计时信号灯转换器提供定时信号T5和T0以实现信号灯转换。

T0表示倒计时减到“00”时（即绿灯的预制时间，因为到“00”时，计数器重新置数），此时给信号灯一个脉冲，使信号灯发生转换，一个方向的绿灯亮，另一个方向的红灯亮。

接法为：把个位、十位计数器的输出端Q A、Q B、Q C、Q D用一个4输入的或非门连起来，再把这两个4输入或非门的输出用一个与门连起来。

T5表示倒计时减到数“05”（0000 0101）时，把十位计数器的输出端Q A、Q B、Q C、Q D用一个4输入的或非门连接起来，个位计数器的输出端Q B、Q D用一个两输入的或非门连接起来，再把这两个或非门与个位计数器的输出端Q A、Q C用一个4输入与门连接起来。

最后将T5和T0这两个定时信号用或门连接接入信号灯转换器的时钟端。

连接后的电路总图如图5所示。

图5 交通灯控制信号电路总图3.2.4 黄灯闪烁控制要求黄灯每秒闪一次，即黄灯每0.5s亮，0.5s灭，故用一个频率为1Hz的脉冲与控制黄灯的输出信号用一个与门连接到黄灯。

整个交通灯控制电路如图6所示。

3.2.5 秒脉冲电路的产生秒脉冲产生电路的功能是产生标准的秒脉冲信号，主要由振荡器和分频器组成。

振荡器是计时器的核心，振荡器的稳定度和频率的精准度决定了计时器的准确度，可由石英晶体振荡电路或555定时器与RC组成的多谐振荡器构成。

一般来说，振荡器的频率越高，计时的精度就越高，但耗电量将增大，故在设计时，一定根据需要设计出最佳电路。

石英晶体振荡器具有频率准确、振荡稳定、温度系数小的特点，但如果精度要求不高的时候可以采用555构成的多谐振荡器。

振荡器产生的时间信号通常频率很高，要使它变成秒信号，需要用分频器来完成。

其功能蛀主要是产生标准的秒脉冲信号，即每秒产生一个时钟上升沿，频率为1Hz 。

分频器的级数和每级的分频次数要根据振荡器频率及时基频率来决定。

若选用的时基频率为1kHz ，可采用三级74160做分频器。

74160是一个十进制加法计时器，其功能如表3所示。

表3 74160的功能表CLR ————LOAD ————ENP ENT CLK A B C D Q A Q B Q C Q D 0 × × × × ×××× 0 0 0 0 1 0 × × ↑ ×××× A B C D 1111↑××××计数此列的秒脉冲产生电路主要由一个555定时器和三个十进制的74160计数器构成。

其中，555定时器与RC 组成多谐振荡器，三个74160计数器组成分频器。

电路如图6。

电路中多谐振荡器输出的是1KHz 的脉冲信号，此信号作为第一级计数器时钟信号。

计数器的4个使能端ENP 、ENT 、LOAD 、CLR 均接高电平。

由于74160是十进制计数器，因此计数器每计数满10次后就有一个进位信号，此信号即为经第一级计数器分频后得到的100Hz 脉冲信号，同理，这样继续两次分频后，就会出现就会依次得到10Hz 、1Hz 的脉冲信号。

用四通道的示波器就能看清楚。

如图7。

图6 秒脉冲产生电路图图7 四通道示波器仿真波形以上四个波形从上到下依次为1KHz输入信号、十分频信号、百分频信号、千分频信号。

第三个74160输出的进位信号即为1Hz的秒脉冲信号，将此信号接入交通灯信号控制器，作为倒计时计数器的时钟信号，即可形成一个完整的交通灯信号控制器作品。

4. 电路的测试与仿真单击启动按钮，便可以进行交通信号灯控制系统仿真，电路默认把通行时间设为25s，打开开关，东西方向车道的绿灯亮，南北方向车道的红灯亮。