交通燈的仿真與設(shè)計(jì)

-PAGE9.z.交通燈的仿真與設(shè)計(jì)1．引言在城鎮(zhèn)街道的十字穿插路口，為了保證交通秩序和行人平安，一般在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號(hào)燈，其中紅燈亮，表示該條道路制止通行；黃燈亮表示該條道路上未過(guò)停車(chē)線的車(chē)輛停頓通行，已過(guò)停車(chē)線的車(chē)輛繼續(xù)通行；綠燈亮表示該條道路允許通行。交通燈控制電路自動(dòng)控制十字路口兩組紅、黃、綠交通燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，指揮各種車(chē)輛和行人平安通行，實(shí)現(xiàn)十字路口交通管理的自動(dòng)化。交通信號(hào)燈的出現(xiàn)，使交通得以有效管制，對(duì)于疏導(dǎo)交通流量、提高道路通行能力、減少交通事故有明顯效果。因此，如何采用適宜的方法，使交通信號(hào)燈的控制與交通疏導(dǎo)有機(jī)結(jié)合，最大限度緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵?tīng)顩r，越來(lái)越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門(mén)亟待解決的主要問(wèn)題。以下就一簡(jiǎn)單的交通燈控制系統(tǒng)的原理、設(shè)計(jì)和仿真等問(wèn)題進(jìn)展討論。2．設(shè)計(jì)任務(wù)與要求2.1設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口的交通燈控制電路，要求甲車(chē)道和乙車(chē)道兩條穿插道路上的車(chē)輛交替運(yùn)行，每次通行時(shí)間都設(shè)為25秒；2、要求黃燈先亮5秒，才能變換運(yùn)行車(chē)道；3、黃燈亮?xí)r，要求每秒鐘閃亮一次4、每路口均有時(shí)間顯示〔兩位LED〕2.2設(shè)計(jì)要求：1、畫(huà)出總體設(shè)計(jì)框圖，以說(shuō)明交通燈由哪些相對(duì)獨(dú)立的功能模塊組成，標(biāo)出各個(gè)模塊之間互相聯(lián)系，時(shí)鐘信號(hào)傳輸路徑、方向和頻率變化。并以文字對(duì)原理作輔助說(shuō)明。2、設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊的電路圖、真值表〔或狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖〕并加上原理說(shuō)明。3、有條件時(shí)選擇適宜的元器件，在面包上接線驗(yàn)證、調(diào)試各個(gè)功能模塊的電路，在接線驗(yàn)證時(shí)設(shè)計(jì)、選擇適宜的輸入信號(hào)和輸出方式，在充分電路正確性同時(shí)，輸入信號(hào)和輸出方式要便于電路的測(cè)試和故障排除。4、設(shè)計(jì)整個(gè)電路的電路圖，加上原理說(shuō)明。有條件時(shí)對(duì)整個(gè)電路的元器件和布線進(jìn)展合理布局，并進(jìn)展整個(gè)交通燈電路的接線調(diào)試。3．交通燈控制電路的設(shè)計(jì)方案3.1總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)功能要求，交通燈控制系統(tǒng)應(yīng)主要由秒脈沖信號(hào)發(fā)生器、倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器電路和信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器組成，原理圖如圖1所示。秒脈沖信號(hào)發(fā)生器是該系統(tǒng)中倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)電路和黃燈閃爍控制電路的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源。倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器輸出兩組驅(qū)動(dòng)信號(hào)T5和T0，分別為黃燈閃爍和變換為紅燈的控制信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器控制信號(hào)燈工作。倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)電路是系統(tǒng)的主要局部，由它控制信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器的工作。東西方向GYR東西方向GYR T5信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器秒脈沖信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器秒脈沖發(fā)生器南北方向GYR南北方向GYR圖1交通燈控制系統(tǒng)原理框圖3.2單元電路設(shè)計(jì)信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器信號(hào)燈狀態(tài)與車(chē)道運(yùn)行狀態(tài)如下：?S0：東西方向車(chē)道的綠燈亮，車(chē)道通行；南北方向車(chē)道的紅燈亮，車(chē)道制止通行；?S1：東西方向車(chē)道的黃燈亮，車(chē)道緩行；南北方向車(chē)道的紅燈亮，車(chē)道制止通行；?S2：東西方向車(chē)道的紅燈亮，車(chē)道制止通行；南北方向車(chē)道的綠燈亮，車(chē)道通行；?S3：東西方向車(chē)道的紅燈亮，車(chē)道制止通行；南北方向車(chē)道的黃燈亮，車(chē)道緩行。用以下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：東西方向車(chē)道綠燈亮；?YA=1：東西方向車(chē)道黃燈亮；?RA=1：東西方向車(chē)道紅燈亮；?GB=1：南北方向車(chē)道綠燈亮；?YB=1：南北方向車(chē)道黃燈亮；?RB=1：南北方向車(chē)道紅燈亮。實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換有多種方法，現(xiàn)采用比擬典型的兩種方法來(lái)進(jìn)展設(shè)計(jì)，比擬其優(yōu)劣后可以找到一種較簡(jiǎn)單、更實(shí)用的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的轉(zhuǎn)換工作。選用JK觸發(fā)器較為簡(jiǎn)便，設(shè)編碼狀態(tài)為S0=00，S1=01，S2=11，S3=10，其輸出為Q1、Q0，則其與信號(hào)燈關(guān)系如表1所示。表1狀態(tài)編碼與信號(hào)燈關(guān)系表現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出Q1nQ0nQ1n+1Q0n+1GAYARAGBYBRB0001100001011101000111100011001000001010由表1可以得出信號(hào)燈狀態(tài)的邏輯表達(dá)式：GA=EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(__),Q)1nEQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(__),Q)0nYA=EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(__),Q)1nQ0nRA=Q1nGB=Q1nQ0nYB=Q1nEQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(__),Q)0nRB=EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(__),Q)1n圖2JK觸發(fā)器構(gòu)成的信號(hào)轉(zhuǎn)換器JK觸發(fā)器的輸出狀態(tài)是與J輸入端的狀態(tài)一樣的，同時(shí)分析表1，觸發(fā)器0的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器1的次態(tài)一樣，觸發(fā)器1的現(xiàn)態(tài)與觸發(fā)器0的次態(tài)相反，因此可以將觸發(fā)器0的輸出端Q、EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(__),Q)〔現(xiàn)態(tài)〕分別接觸發(fā)器1的J、K輸入端〔次態(tài)〕，觸發(fā)器1的輸出端Q、EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps12\o\ad(\s\up11(___),Q)〔現(xiàn)態(tài)〕分別接觸發(fā)器0的K、J端〔次態(tài)〕，取觸發(fā)器1為U1B，觸發(fā)器0為U1A，連接后的電路如圖2所示。倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器十字路口的交通燈要有數(shù)字顯示，且是倒計(jì)時(shí)，以便人們能夠更好的把握好時(shí)間。具體的工作方式為：當(dāng)*方向的綠燈亮?xí)r，將顯示器置為25s，然后每秒減1，計(jì)數(shù)方式工作，直至減到數(shù)為5和0，十字路口的燈互相變換，一次工作循環(huán)完畢，而進(jìn)入下一工作循環(huán)。在倒計(jì)時(shí)過(guò)程中計(jì)數(shù)器還向信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器提供模5的定時(shí)信號(hào)T5和模0的定時(shí)信號(hào)T0，用以控制黃燈的閃爍和黃燈向紅燈的變換。倒計(jì)時(shí)顯示采用七段數(shù)碼管作為顯示，它由計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)并顯示計(jì)數(shù)器的輸出值。計(jì)數(shù)器選用集成電路74190進(jìn)展設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)便。74190是十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)加減法計(jì)數(shù)器，它具有異步并行置數(shù)功能，保持功能。74190沒(méi)有專(zhuān)用的清零輸入端，但可以借助QD，QC，QB，QA的輸出端數(shù)據(jù)間實(shí)現(xiàn)清零功能。功能如表2所示。表274190的功能表EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(——————),CTEN)D/UCLKEQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps10\o\ad(\s\up9(——————),LOAD)ABCDQAQBQCQD×××0××××ABCD01↑1××××減計(jì)數(shù)00↑1××××加計(jì)數(shù)1××1××××0000要實(shí)現(xiàn)25s的倒計(jì)時(shí)，需選用兩片74190芯片，構(gòu)成從99到0的倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，其中作為低位的74190芯片的CLK接秒脈沖發(fā)生器〔頻率為1〕，再把低位74190芯片的輸出端QA、QD用一個(gè)與門(mén)連起來(lái)，再接在高位74190芯片的CLK端。當(dāng)?shù)臀恍酒瑴p到0時(shí)再減一位就會(huì)變成9，0(0000)和9〔1001〕之間的QA、QD同時(shí)由0變?yōu)?，把QA、QD相與接在高位片的CLK端，此時(shí)會(huì)給高位74190芯片一個(gè)脈沖數(shù)字減1，相當(dāng)于借位。預(yù)置數(shù)〔即車(chē)的通行時(shí)間〕功能：用8個(gè)開(kāi)關(guān)分別接在高位和低位74190芯片的D、C、B、A端。預(yù)置數(shù)范圍為1~99。今題目要求汽車(chē)的通行時(shí)間為25秒，所以接法如圖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，翻譯為2，低位0101，翻譯為5。圖3預(yù)置數(shù)的連接方法按照74190的功能表，CTEN端接低電平，加/減計(jì)數(shù)控制端D/U接高電平實(shí)現(xiàn)減計(jì)數(shù)。預(yù)置端LOAD接高電平時(shí)計(jì)數(shù)，接低電平時(shí)預(yù)置數(shù)。因此，工作開(kāi)場(chǎng)時(shí)，LOAD為0，計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)，置完數(shù)后，LOAD變?yōu)?，計(jì)數(shù)器開(kāi)場(chǎng)倒計(jì)時(shí)，當(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)減到數(shù)00時(shí)，LOAD又變?yōu)?，計(jì)數(shù)器又預(yù)置數(shù)，之后又倒計(jì)時(shí)，如此循環(huán)下去。這可以借助兩片74190的8個(gè)輸出端來(lái)實(shí)現(xiàn)，用或門(mén)將8個(gè)輸出端連起來(lái)，再接在預(yù)置數(shù)端LOAD上。但由于沒(méi)有8輸入的或門(mén)，所以需要改用兩個(gè)4輸入的或非門(mén)連接，然后再用一個(gè)與非門(mén)連接來(lái)完成此功能。連接后的電路圖如圖4所示。圖4倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器電路倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器與信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器的連接倒計(jì)時(shí)信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器提供定時(shí)信號(hào)T5和T0以實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈轉(zhuǎn)換。T0表示倒計(jì)時(shí)減到"00〞時(shí)〔即綠燈的預(yù)制時(shí)間，因?yàn)榈?00〞時(shí)，計(jì)數(shù)器重新置數(shù)〕，此時(shí)給信號(hào)燈一個(gè)脈沖，使信號(hào)燈發(fā)生轉(zhuǎn)換，一個(gè)方向的綠燈亮，另一個(gè)方向的紅燈亮。接法為：把個(gè)位、十位計(jì)數(shù)器的輸出端QA、QB、QC、QD用一個(gè)4輸入的或非門(mén)連起來(lái)，再把這兩個(gè)4輸入或非門(mén)的輸出用一個(gè)與門(mén)連起來(lái)。T5表示倒計(jì)時(shí)減到數(shù)"05〞〔00000101〕時(shí)，把十位計(jì)數(shù)器的輸出端QA、QB、QC、QD用一個(gè)4輸入的或非門(mén)連接起來(lái)，個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出端QB、QD用一個(gè)兩輸入的或非門(mén)連接起來(lái)，再把這兩個(gè)或非門(mén)與個(gè)位計(jì)數(shù)器的輸出端QA、QC用一個(gè)4輸入與門(mén)連接起來(lái)。最后將T5和T0這兩個(gè)定時(shí)信號(hào)用或門(mén)連接接入信號(hào)燈轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘端。連接后的電路總圖如圖5所示。圖5交通燈控制信號(hào)電路總圖黃燈閃爍控制要求黃燈每秒閃一次，即黃燈每0.5s亮，0.5s滅，故用一個(gè)頻率為1Hz的脈沖與控制黃燈的輸出信號(hào)用一個(gè)與門(mén)連接到黃燈。整個(gè)交通燈控制電路如圖6所示。秒脈沖電路的產(chǎn)生秒脈沖產(chǎn)生電路的功能是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)，主要由振蕩器和分頻器組成。振蕩器是計(jì)時(shí)器的核心，振蕩器的穩(wěn)定度和頻率的精準(zhǔn)度決定了計(jì)時(shí)器的準(zhǔn)確度，可由石英晶體振蕩電路或555定時(shí)器與RC組成的多諧振蕩器構(gòu)成。一般來(lái)說(shuō)，振蕩器的頻率越高，計(jì)時(shí)的精度就越高，但耗電量將增大，故在設(shè)計(jì)時(shí)，一定根據(jù)需要設(shè)計(jì)出最正確電路。石英晶體振蕩器具有頻率準(zhǔn)確、振蕩穩(wěn)定、溫度系數(shù)小的特點(diǎn)，但如果精度要求不高的時(shí)候可以采用555構(gòu)成的多諧振蕩器。振蕩器產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)通常頻率很高，要使它變成秒信號(hào)，需要用分頻器來(lái)完成。其功能蛀主要是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的秒脈沖信號(hào)，即每秒產(chǎn)生一個(gè)時(shí)鐘上升沿，頻率為1Hz。分頻器的級(jí)數(shù)和每級(jí)的分頻次數(shù)要根據(jù)振蕩器頻率及時(shí)基頻率來(lái)決定。假設(shè)選用的時(shí)基頻率為1kHz，可采用三級(jí)74160做分頻器。74160是一個(gè)十進(jìn)制加法計(jì)時(shí)器，其功能如表3所示。表374160的功能表EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps10\o\ad(\s\up9(————),CLR)EQ\*jc0\*"Font:宋體"\*hps10\o\ad(\s\up9(————),LOAD)ENPENTCLKABCDQAQBQCQD0××××××××000010××↑××××ABCD1111↑××××計(jì)數(shù)此列的秒脈沖產(chǎn)生電路主要由一個(gè)555定時(shí)器和三個(gè)十進(jìn)制的74160計(jì)數(shù)器構(gòu)成。其中，555定時(shí)器與RC組成多諧振蕩器，三個(gè)74160計(jì)數(shù)器組成分頻器。電路如圖6。電路中多諧振蕩器輸出的是1KHz的脈沖信號(hào)，此信號(hào)作為第一級(jí)計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)。計(jì)數(shù)器的4個(gè)使能端ENP、ENT、LOAD、CLR均接高電平。由于74160是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因此計(jì)數(shù)器每計(jì)數(shù)滿10次后就有一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，此信號(hào)即為經(jīng)第一級(jí)計(jì)數(shù)器分頻后得到的100Hz脈沖信號(hào)，同理，這樣繼續(xù)兩次分頻后，就會(huì)出現(xiàn)就會(huì)依次得到10Hz、1Hz的脈沖信號(hào)。用四通道的示波器就能看清楚。如圖7。圖6秒脈沖產(chǎn)生電路圖圖7四通道示波器仿真波形以上四個(gè)波形從上到下依次為1KHz輸入信號(hào)、十分頻信號(hào)、百分頻信號(hào)、千分頻信號(hào)。第三個(gè)74160輸出的進(jìn)位信號(hào)即為1Hz的秒脈沖信號(hào)，將此信號(hào)接入交通燈信號(hào)控制器，作為倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，即可形成一個(gè)完整的交通燈信號(hào)控制器作品。4.電路的測(cè)試與仿真單擊啟動(dòng)按鈕，便可以進(jìn)展交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)仿真，電路默認(rèn)把通行時(shí)間設(shè)為25s，翻開(kāi)開(kāi)關(guān)，東西方向車(chē)道的綠燈亮，南北方向車(chē)道的紅燈亮。時(shí)間顯示器從預(yù)置的25s，以每秒減一，減到數(shù)"5”時(shí)，東西方向車(chē)道的綠燈轉(zhuǎn)換為黃燈，而且黃燈每秒閃亮一次，南北方向車(chē)道的紅燈都不變。減到數(shù)"0”時(shí)，1s后顯示器又轉(zhuǎn)換成預(yù)置的25s，東西方向車(chē)道的黃燈轉(zhuǎn)換為紅燈，南北方向車(chē)道的紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈。減到數(shù)"通過(guò)撥動(dòng)預(yù)置時(shí)間開(kāi)關(guān)，可