交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析

1、交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真分析目 錄1摘要32設(shè)計(jì)任務(wù)與要求43設(shè)計(jì)原理及框圖44單元電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試64.1狀態(tài)控制器的設(shè)計(jì)64.2狀態(tài)譯碼器設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試94.3定時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試114.4秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)135個(gè)人總結(jié)146參考文獻(xiàn)151摘要：分析了現(xiàn)代城市交通控制與管理問題的現(xiàn)狀，結(jié)合城鄉(xiāng)交通的實(shí)際情況闡述了交通燈控制系統(tǒng)的工作原理，給出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的城市交通燈控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：交通控制交通燈時(shí)間發(fā)生器定時(shí)器1引言隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問題越來越引起人們的關(guān)注。人、車、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門需要解決的重要問題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于

2、城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。隨著城市機(jī)動(dòng)車量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長(zhǎng)和缺乏對(duì)高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)

3、同周邊地區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的主要問題。為此，筆者進(jìn)行了深入的研究，以下就城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)調(diào)試等問題來進(jìn)行具體分析討論。2設(shè)計(jì)任務(wù)與要求電路設(shè)計(jì)分析交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)：1.主、支干道交替通行，主干道每次放行30s，支干道每次放行20s。2.綠燈亮表示可以通行，紅燈亮表示禁止通行。3.每次綠燈變紅燈時(shí)，黃燈先亮5s（此時(shí)另一干道上的紅燈不變）。4.十字路口要有數(shù)字顯示，作為等候時(shí)間提示。要求主、支干道通行時(shí)間及黃燈亮的時(shí)間均以秒為單位作減計(jì)數(shù)。5.在黃燈亮?xí)r，原紅燈按1hz的頻率閃爍。6.要求主、支干道通行時(shí)間及黃燈

4、亮的時(shí)間均可在0-99s內(nèi)任意設(shè)定。 3設(shè)計(jì)原理及框圖 十字路口的交通燈指揮著行人和各種車輛的安全通行。有一個(gè)主干道和支干道的十字路口，如圖1所示。圖一兩條支干道上都設(shè)置了紅、綠、黃3色信號(hào)燈。紅燈表示禁止通行，綠燈表示可以通行，在綠燈變紅燈時(shí)先要求黃燈亮幾秒鐘，以便讓停車線一外的車輛體制運(yùn)行。因?yàn)橹鞲傻郎系能囕v多，所以放行的時(shí)間要長(zhǎng)。要實(shí)現(xiàn)上述交通信號(hào)燈的自動(dòng)控制，則要求控制電路由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、狀態(tài)控制器、信號(hào)燈譯碼驅(qū)動(dòng)電路和數(shù)字顯示譯碼驅(qū)動(dòng)電路幾部分組成。整機(jī)電路的設(shè)計(jì)框圖如圖2所示圖二 交通燈控制系統(tǒng)組成框圖 狀態(tài)控制器用于記錄十字路口交通燈的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)主、支干道車輛運(yùn)

5、行狀態(tài)的控制。狀態(tài)譯碼器根據(jù)狀態(tài)控制器所處的狀態(tài)，通過狀態(tài)譯碼器分別驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮相應(yīng)的信號(hào)燈，指揮主、支干道的行人和車輛。通過減法計(jì)數(shù)器對(duì)秒脈沖信號(hào)作減計(jì)數(shù)，完成計(jì)時(shí)任務(wù)，達(dá)到控制每一種工作狀態(tài)持續(xù)時(shí)間的目的。減法計(jì)數(shù)器的回零脈沖控制狀態(tài)控制器完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換，同時(shí)狀態(tài)譯碼器根據(jù)系統(tǒng)下一個(gè)工作狀態(tài)，決定計(jì)數(shù)器下一次減計(jì)數(shù)的初始值。減法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)由bcd碼譯碼器譯碼，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示。在黃燈亮期間，狀態(tài)譯碼器將秒脈沖引入紅燈控制器，使紅燈閃爍。4單元電路設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試4.1狀態(tài)控制器的設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，因主干道和支干道各有3種燈（紅、黃、綠），它們?cè)谡９ぷ鲿r(shí)，發(fā)亮的燈只有4種可能的組合：主綠燈亮，支

6、紅燈亮，主干道通行；主黃燈亮，支紅燈閃爍，主干道停車；主紅燈亮，支綠燈亮，支干道通行；主紅燈閃爍，支黃燈亮支干道停車。各信號(hào)燈的工作順序流程如圖三所示。30s未到5s未到20s未到5s未到圖三 交通燈工作順序流程圖信號(hào)燈4種不同的狀態(tài)分別用s0、s1、s2、s3表示，其狀態(tài)編碼及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖四所示。圖四 交通燈狀態(tài)編碼及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖由圖四可知其顯然是一個(gè)2位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，可采用多種中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)。本電路采用74ls161的4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器直接利用其低位構(gòu)成2位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，電路如圖9五（a）所示。將狀態(tài)控制器創(chuàng)建為子電路。分別在各端口接入輸入/輸出端口，注意端口的左右放

7、置，朝左放置是輸入端口，朝右放置是輸出端口，然后將電路全選，選擇place/replace by subcircuit菜單命令，在彈出的對(duì)話框中輸入子電路名稱statecontrol，創(chuàng)建的子電路如圖五（b）所示，rc1是來自減法計(jì)數(shù)器的控制脈沖輸入端，q2和q1是控制信號(hào)輸出端。(a) rc1 q2 q1 statecontrol（b）4.2狀態(tài)譯碼器設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試主、支干道上紅、黃、綠信號(hào)燈的狀態(tài)主要取決于狀態(tài)控制器的輸出狀態(tài)。它們之間的關(guān)系見真值表一。對(duì)于信號(hào)燈的狀態(tài)，1表示燈亮，0表示燈滅。表一 信號(hào)燈信號(hào)狀態(tài)真值表狀態(tài)控制器輸出主干道信號(hào)燈支干道信號(hào)燈q2q1r(紅)y(黃)g（綠）

8、r（紅）y（黃）g（綠）00001100010101001010000111100010根據(jù)真值表，可求出各信號(hào)燈的邏輯函數(shù)表達(dá)式為：r=q2q1+q2q1=q2 r=q2y=q2q1 y=q2q1g=q2q1 g=q2q1r=q2q1+q2q1=q2 r=q2=q2y=q2q1 y=q2q1g=q2q1 g=q2q1 選擇發(fā)光二極管來模擬交通燈，狀態(tài)譯碼器仿真電路如圖六所示，其中x1是狀態(tài)控制器子電路。 由于門電路帶灌電流的能力一般比帶拉電流的能力強(qiáng)，故當(dāng)顯示電路設(shè)計(jì)的是輸出低電平時(shí)，會(huì)點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管。再考慮到設(shè)計(jì)任務(wù)要求，當(dāng)黃燈亮?xí)r，紅燈按1hz的頻率閃爍。從信號(hào)燈的信號(hào)狀態(tài)真值表中

9、可以看出，當(dāng)黃燈亮?xí)r，q1必為高電平，而紅燈點(diǎn)亮信號(hào)與q1無關(guān)?？衫胵1信號(hào)控制一個(gè)三態(tài)門電路74ls125，由于74ls125的使能端是低電平有效，所以將q1引入到使能端。當(dāng)黃燈亮?xí)r，q1為高電平，q1為低電平，使能端有效，將秒脈沖信號(hào)引到驅(qū)動(dòng)紅燈的與非門輸入端，使紅燈在黃燈亮期間閃爍；否則，將秒脈沖信號(hào)隔離，紅燈信號(hào)不受黃燈信號(hào)控制。圖9-24所示的仿真電路中，為了快速仿真，來自減法計(jì)數(shù)器的控制脈沖用了100hz的脈沖信號(hào)仿真，故秒信號(hào)采用了1khz的脈沖信號(hào)仿真，故秒信號(hào)采用了1khz的信號(hào)仿真。圖六 交通燈狀態(tài)顯示仿真電路4.3定時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真調(diào)試根據(jù)設(shè)計(jì)要求，交通燈控制系統(tǒng)要有一

10、個(gè)能自動(dòng)置入不同定時(shí)時(shí)間的定時(shí)器，以完成30s、20s及5s的定時(shí)任務(wù)。該定時(shí)器由兩片74ls190構(gòu)成兩位十進(jìn)制可預(yù)置數(shù)減法計(jì)數(shù)器完成；時(shí)間顯示由兩片74ls248和兩個(gè)共陰數(shù)碼管對(duì)減法計(jì)數(shù)器進(jìn)行譯碼顯示；預(yù)置減法計(jì)數(shù)器的時(shí)間通過三片8路三態(tài)門74ls245選通端dir高電平有效。三片74ls245的輸入數(shù)據(jù)分別接30、20、5三個(gè)不同的數(shù)據(jù)，由狀態(tài)控制器的輸出信號(hào)控制在不同狀態(tài)時(shí)分別選通74ls245來實(shí)現(xiàn)置入不同的數(shù)據(jù)，狀態(tài)控制如表二所示。表二 狀態(tài)控制表狀態(tài)q2 q1dir30dir20dir5s00 0100s10 1001s21 0010s31 1001根據(jù)表二可知狀態(tài)控制邏輯表達(dá)

11、式為：dir30=q2q1=q2+q1dir20=q2q1=q2+q1dir5=q2q1+q2q1=q1將dir30送到輸入數(shù)據(jù)為30的74ls245的dir端；將dir20送到輸入數(shù)據(jù)為20的74ls245的dir端；將dir5送到輸入數(shù)據(jù)為5的74ls245的dir端。狀態(tài)控制器的轉(zhuǎn)換由計(jì)數(shù)器來控制，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到0時(shí)，要實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可通過電路中的u10和u14a來完成。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到0時(shí)，經(jīng)u10和u14a輸出一上升沿驅(qū)動(dòng)狀態(tài)控制器轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)。所設(shè)計(jì)的定時(shí)系統(tǒng)如圖七所示，其中x1是狀態(tài)控制器子電路。圖七 交通定時(shí)電路4.4秒脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì) 產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)的電路有多種形式，本設(shè)計(jì)中利用5

12、55定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖信號(hào)。電路見圖八，電路的輸出脈沖周期t0.7（r2+2r1）c2，調(diào)節(jié)r2使輸出脈沖周期為1s。 圖八 交通燈控制器整機(jī)電路5個(gè)人總結(jié)總之,這次實(shí)驗(yàn)我收獲頗多。實(shí)踐是獲得知識(shí)的一種最好的手段！但是，實(shí)際上不同時(shí)刻的車輛流通狀況是十分復(fù)雜的，是高度非線性的、隨機(jī)的，還經(jīng)常受人為因素的影響。采用定時(shí)控制經(jīng)常造成道路有效應(yīng)用時(shí)間的浪費(fèi)，出現(xiàn)綠燈方向車輛較少，紅燈方向車輛積壓。它不顧當(dāng)前道路上交通車輛數(shù)的實(shí)際情況變化，其最大的缺陷就在于當(dāng)路況發(fā)生變化時(shí)，不能滿足司機(jī)與路人的實(shí)際需要，輕者造成時(shí)間上的浪費(fèi)，重者直接導(dǎo)致交通堵塞，導(dǎo)致城市交通效率的下降。據(jù)了解，目前有一

13、種使用“模糊控制”技術(shù)控制交通等的方法。能夠根據(jù)十字路口兩個(gè)方向上車輛動(dòng)態(tài)狀況，自動(dòng)判斷紅綠燈時(shí)間間隔，以保證最大車流量，減少道口的交通堵塞，但是卻不像定時(shí)控制，能用數(shù)字顯示器顯示當(dāng)前燈色剩余時(shí)間，以便于駕駛員隨時(shí)掌握自己的駕駛動(dòng)作，及時(shí)停車或啟動(dòng)。假設(shè)將二者綜合起來考慮，加以設(shè)計(jì)必定會(huì)得到更好的效果。6參考文獻(xiàn)1 藍(lán)運(yùn)維. 基于fpga的交通燈控制系統(tǒng)的仿真j.現(xiàn)代電子技術(shù),2006（9）:125-129.2 何峰. 基于verilog hdl設(shè)計(jì)的交通燈控制系統(tǒng)j.現(xiàn)代電子技術(shù),2005(8):103-107.3 路而紅專用集成電路設(shè)計(jì)與電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化m北京：清華大學(xué)出版社，2004.4 孫凌翔,陳世和,李勁松.