城市交通信号灯控制系统的设计与仿真

城市交通信号灯控制系统的设计与仿真

1.整体规划与设计

1.1系统功能要求

十字路口交通信号灯控制示意图如图1 所示。

设系统工作的十字路口由主、支两条干道构成,四路

口均设红、黄、绿三色信号灯和用于显示还剩余多

少时间将改变信号灯的数码显示器。要求:主、支干

道交替通行,通行时间均可在0～99 s内任意设定；

绿灯换红灯前,黄灯先亮较短时间(也可在0～99 s内

任意设定) ,用以等待十字路口内滞留车辆通过；主

支干道通行时间和黄灯亮的时间均由同一计数器按

减计数方式计数(零状态为无效态)；在减计数器回

零瞬间完成十字路口通行状态的转换(换灯) 。

图1十字路口交通信号灯控制示意图

1.2系统工作流程图

设主干道通行时间为N1,支干道通行时间为N2,主、支干道黄灯亮的时间均为N3,通常主干道车流量大,支干道车流量小,通行时间设置为N1 >N2 > >N3。系统工作流程图如图2所示。

1.3系统硬件结构框图

根据系统要求,设计系统硬件结构框图如图3所示。图中秒信号发生器产生标准的秒信号。可预置计数器进行递减计数,根据置数控制电路的控制信号,计数的长短可作相应调整,计数完成后产生一个输出信号到状

态控制电路,状态控制电路经过译码,驱动主干道和支干道的红、黄、绿三色灯作相应的状态变化。可预置计数器计数状态通过数码显示电路显示相应计数值。

图2系统工作流程图图3系统硬件结构框图

2.各部分单元电路设计

2.1状态控制及信号灯指示电路

2.1.1状态控制电路

由流程图可见,系统有4种不同的工作状态( S0～S3) ,其中S0(主绿灯亮，支红灯亮)、S1(主黄灯闪烁，支红灯)、S2(主红灯亮，支绿灯亮)、S3(主红灯，支黄灯闪烁)。选用四位二进制递增计数器74163作状态

控制电路 ,取低两位输出QB 、QA 作状态控制电路的输出。状态编码S0、S1、S2、S3分别为00、01、10、11。

2.1.2 信号灯指示电路

该电路也称状态译码器。以状态控制电路的输出(QB 、QA)作译码器的输入变量,根据4种不同通行状态对主、支干道信号灯的控制要求,列出如表1所示的指示灯驱动函数真值表。经化简(可利用逻辑转换仪)得六个指示灯驱动函数:R =Q B 、r =Q ′B 、Y =Q ′B Q A 、y =Q B Q A 、G =Q ′B Q ′A 、g =Q B Q ′A

表1 指示灯驱动函数真值表

控制器状态

主干道

支干道

QB

QA

R (

红)

Y(黄)

G(绿)

x(红)

y(黄)

g(绿)

0 0 1 1 0 1 0 1

0 0 1 1

0 1 0 0

1 0 0 0

1 1 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

根据指示灯驱动函数逻辑表达式,可画出信号灯指示电路。将状态控制电路、信号灯指示电路及模拟三色信号灯相连接,构成状态控制及信号灯指示电路如图4所示。为了便于调试和简化系统总图,我们采用子电路图表示法,将虚线框内的74163和组合逻辑电路放在一起定义为子电路KZDL 。用子电路表示的控制及信号灯指示电路如图5所示。双击KZDL 后打开可以查看和修改电路。

图4 三色信号灯逻辑控制电路 图5 三色信号灯逻辑控制子电路

2.2 计数器及数码显示电路

选用2片74190十进制可逆计数器构成两位十进制可预置数的递减计数器。为了便于控制,置数电路可根据需要改换。计数器及数码显示电路如图6所示。

2片计数器间采用异步级联方式,利用个位计数器的借位输出脉冲RCO ’直接作为十位计数器的计数脉冲,

接入十位计数器的CLK 端;个位计数器直接接入秒脉冲信号。计数器的D1、C1、B1、A1和D0、C0、B0、A0分别为十位和个位的8421BCD 码置数输入端,当则LOAD 端’ 为低电平时,完成置数功能。由于计数器在零状态时RCO 为’ 低电平,其它时间为高电平,故当个位计数器与十位计数器的RCO ′均为低电平时可作为置数控制信号和指示电路控制信号(图6中的ZS 端) ,从而实现计数器减至“00”状态瞬间完成置数和指示灯转换。通过8421码置数输入端,可以选择100以内的数值,实现0～100 s 内自由选择的定时要求。

为了简化系统,同样我们将图6虚线框内的电路定义为子电路JSDL,用子电路表示的计数器及数码显示电路如图7所示。

图6计数器及数码显示电路图7计数器及数码显示子电路

2.3 信号灯定时置数逻辑电路

为使系统简化,我们用同一计数器分时显示主、支干道通行时间(即主、支干道绿灯亮的时间)和主支干道通行转换中黄灯亮的时间,为此必须解决好分时置数问题。选用3片8路双向三态门74LS245作为预置数的存储单元来实现计数器分时置数控制电路如图8所示。G7～G0为主干道绿灯置数端, g7～g0为支干道绿灯置数端, Y7～Y0为主支干道黄灯置数端; AG’,Ag’和AY’为3片74LS245选通端,由主干道绿灯、支干道绿灯和黄灯选通;D7～D0为按由高到低排列后的输出端,要接到计数器的置数输入端。工作时, 3片74LS245只能有1片选通,其它两片输出均处于高阻态。在图8所示的信号灯定时置数逻辑电路中,将虚线框内的电路定义为SCDL电路。用子电路表示的信号灯定时置数逻辑电路如图9所示。

图8信号灯定时置数逻辑电路

2.4 秒信号发生器

秒信号发生器可由石英晶体多谐振荡器构成,为简化电路,直接选用1Hz的脉冲信号源代替秒信号发生器。