一種交通紅綠燈的設(shè)計(jì)初探

王建華， 鄭義海

（1，安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院， 安徽 馬鞍山 243032；2，廣西大學(xué)林學(xué)院， 廣西 南寧 530004）

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 紅綠燈的管理

1）對(duì)信號(hào)燈的基本要求：要求東和西方向綠燈亮?xí)r（表示允許東和西方向車(chē)輛直行通過(guò)以及向右轉(zhuǎn)彎通過(guò)交通路口），東西以外的方向燈源為紅色。

2）信號(hào)燈的設(shè)置有自動(dòng)與人工兩種控制模式：自動(dòng)模式下，東西南北四個(gè)方向的燈源顯示時(shí)間有一定的間隔，東西南北四個(gè)方向燈源顯示時(shí)間相同，常規(guī)顯示時(shí)長(zhǎng)為40 s，人工介入時(shí)間10 s。黃燈用2 Hz頻率閃爍，區(qū)間為5 s左右。人工模式下，保證實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向燈源的控制。手動(dòng)模式下，控制相對(duì)兩個(gè)方向的燈源自由交替。

1.2 時(shí)間控制

1）人工模式切換為自動(dòng)模式下時(shí)，燈源的現(xiàn)實(shí)時(shí)間不包括人工時(shí)間，進(jìn)入自動(dòng)控制時(shí)間范疇。

2）緊急情況時(shí)，關(guān)閉控制單元，信號(hào)燈應(yīng)立刻熄滅。

2 具體操作設(shè)計(jì)

秒脈沖信號(hào)發(fā)生器作為主要控制構(gòu)建﹑倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)電路以及信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器組成，具體見(jiàn)圖1所示。系統(tǒng)中的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)電路以及警示黃色燈閃動(dòng)控制電路的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源都由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)。倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)電路主要有兩部分作用：一是實(shí)現(xiàn)燈源的轉(zhuǎn)換，二是驅(qū)動(dòng)T_0、T_5信號(hào)源。

圖1 交通燈控制原理圖

3 基本電路構(gòu)架

3.1 燈源轉(zhuǎn)換器

道路與信號(hào)燈狀態(tài)情景模擬如下。A：東與西方向綠燈，南北向紅燈，東西向行車(chē)，南北向停車(chē)；B：南與北方向綠燈，東西向紅燈，南北向行車(chē)，東西向停車(chē)；D：對(duì)向亮黃燈時(shí)，車(chē)輛緩行；轉(zhuǎn)彎亮綠燈時(shí)，過(guò)彎通過(guò)；以6個(gè)符號(hào)來(lái)分別代表東西（A）、南北（B）方向上各燈的狀態(tài)：

GA=1，東西綠燈亮；

YA=1，東西黃燈亮；

RA=1，東西紅燈亮；

GB=1，東西綠燈亮；

YB=1，東西黃燈亮；

RB=1，東西紅燈亮。

3.2 設(shè)計(jì)方案

利用計(jì)算數(shù)器中的74163模式控制：74163模式可維持狀態(tài)恒定的4位同二進(jìn)制算法，具體如下頁(yè)表2。

集成計(jì)數(shù)器的74163模式，保持輸出編碼與車(chē)道狀況為 S0=0000，S1=0001，S2=0010，S3=0011（操作的編碼從右至左邊分別為 QA、QB、QC、QD）。燈源顯示與具體的道路狀態(tài)，計(jì)數(shù)器的輸出編碼與燈源燈顯示如下頁(yè)表3所示。由表3可以得出信號(hào)燈狀態(tài)的邏輯表達(dá)式：

表2 74163控制表

表3 狀態(tài)編碼與信號(hào)燈狀態(tài)關(guān)系表

道路狀態(tài)按照S0—S1—S2—S3變換的實(shí)質(zhì)就是計(jì)數(shù)器74163的加法過(guò)程。該模式先輸出由初始狀態(tài)開(kāi)始逐漸加法運(yùn)算，加到0011時(shí)又回歸初始0000狀態(tài)。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)數(shù)器電平量在CLR狀態(tài)下，計(jì)算到0011時(shí)，CLR所獲電平量較低，為低電平狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的基本要求。所以，利用74163的QA、QB輸出端，接入CLR端路即可。與此同時(shí)，74163引入 ENP、ENT、LOAD 高置電平，同時(shí) CLK輸出時(shí)間刻度脈沖，A、B、C、D、RCO引腳置空，不連接。具體見(jiàn)圖2所示。

4 設(shè)計(jì)電路流動(dòng)測(cè)試

圖2 74163構(gòu)成的信號(hào)轉(zhuǎn)換器

1）開(kāi)啟初始按鈕啟動(dòng)系統(tǒng)回路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈系統(tǒng)的仿真模擬，初始信號(hào)連同時(shí)間為40 s，同時(shí)初始狀態(tài)下所有信號(hào)燈點(diǎn)亮，保持時(shí)間約3 s。初始設(shè)定的40 s鐘時(shí)間，按照每秒減低一個(gè)單位的速度遞減，減到5時(shí)，黃燈出現(xiàn)在東西方向，黃燈閃動(dòng)是，南北方向的紅燈保持常亮。遞減到單位1時(shí)，東向與西向黃燈轉(zhuǎn)變?yōu)榧t燈，順延，南北車(chē)道的信號(hào)燈變?yōu)榫G燈，相應(yīng)車(chē)道可以正常行車(chē)。當(dāng)下一個(gè)周期，減到了單位“5”時(shí)，南與北的方向道路的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，黃燈閃動(dòng)時(shí)，東與西方向信號(hào)燈保持不變。

2）通車(chē)時(shí)間的設(shè)定區(qū)間為1～99 s，這一步是通過(guò)預(yù)制時(shí)間來(lái)控制的，實(shí)現(xiàn)的效果參照步驟1）。總控制開(kāi)關(guān)開(kāi)啟后，東西方向車(chē)道的綠燈亮，時(shí)間倒計(jì)數(shù)5，也以5 s為一個(gè)轉(zhuǎn)換周期，如此循環(huán)。

5 電路延伸拓展

1）電路的拓展功能，主要為增加行人道路指示燈。人行道的紅綠燈變化應(yīng)該與主道路信號(hào)燈同步，并且用行人標(biāo)志進(jìn)行區(qū)分，所用到的控制單元與主道路系統(tǒng)保持一致。

2）電路拓展的另一部分可以考慮對(duì)主道路與匝道的區(qū)分，由于同行車(chē)輛以及路面狀態(tài)的不同，匝道與主道路的信號(hào)燈控制要進(jìn)行區(qū)分，燈源控制器的主控系統(tǒng)也要用兩個(gè)系統(tǒng)，匝道的燈源面板顯示也應(yīng)該與主道路有所區(qū)分。