基于数电技术的交通灯控制电路设计

课程设计文件

2008 ～ 2009 学年第 一 学期 课题：基于数电技术的交通灯控制电路设计

班 级： 应用物理 06

学 号： 200605416124

姓 名： 石 龙

指导教师： 陈 洁

课程设计报告

【课题名称】 基于数电技术的交通灯控制电路

【摘 要】 随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路

三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于 城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通 监控指挥系统中最重要的组成部分。分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡 交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，应用数字电子技术，结合模拟电子技术， 给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。接着分析交通控制系统方 案可行性的原理，绘画相应的灯信号状态图。再者详细阐述各部分电路的实现。最后，总结 本次课程设计的心得体会。

【关 键 词】 交通控制 交通灯 秒脉冲信号发生器 定时器 控制信息

一、 引言

随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运 行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的 初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的 系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点， 也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。 所以， 如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，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，笔者进行了深入的研究，以下就围绕城乡交通灯控制系统，对城乡交通灯控制系 统的电路原理、设计计算和各部分电路的实现等问题来进行具体分析讨论。

二、 总体方案设计

在深刻考虑简易城乡交通灯的基本原理、性能后，为十字两路交道用数字电子技术和模 拟电子技术提出一个实用型的方案。该交通灯由红、黄和绿等三种颜色12个灯组成，甲车道 有红、黄、绿 6 个灯，同理，乙车道也有 6 个。根据交通规则，当某车道红灯亮时，该车道 的车子停止前行；而当绿灯亮时，则该车道的车子可以前行；而当该车道的黄灯亮时，进入 缓行状态，即，该车道的车子未过停车线的车子禁止前行，而已经过了停车线的车子继续前 进。再由红灯亮的时间为25s，同样绿亮25s，黄灯亮时隔5s。由此，就这些规则，就可以用 数字电子器件来实现对该交通灯的亮灭进行控制。方案总体如下：

（一）交通灯控制系统组成

两路交通灯控制电路系统，主要由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分 组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，是整控制系统的时钟； 定时器是根据实际交通规则，控制各路车辆通行时间的重要器件；控制器是系统的主要部分， 是接收到定时器的信号后，发出控制信息的器件；译码器是接收到控制信息后，根据控制信 息输出两组信号灯的控制信号，经驱动电路后驱动信号灯工作的器件。

系统结构如图2.1.1

图2.1.1 系统结构原理图

（二）交通灯控制系统原理图分析

如2.1.1所示：

1. 秒脉冲发生器能输出频率为 1HZ 的方波，用此方波当作整个系统的 CP，也是定时器和控 制器的信号源。

2. 图中 T L: 表示甲车道或乙车道绿灯亮的时间间隔为 25 秒，即车辆正常通行的时间间隔。 定时时间到，T L=1，否则，tl=0。

图中T Y：表示黄灯亮的时间间隔为5秒。定时时间到，T Y=1，否则，T Y=0。

图中 S T：表示定时器到了规定的时间后，由控制器发出状态转换信号。由它控制定时器开 始下个工作状态的定时。

3. 甲车道信号灯和乙车道信号灯，是两路车道车子通行信号。

4. 系统作用发挥主要构件：定时器、控制器和译码器。

三、 设计原理分析

（一）、交通灯状态状态的转换

关于交通灯的状态无非就是 3 个状态，我们可以先对甲车道的车子通行情况进行分析， 对甲车道，令甲车道车子先通行，则其信号灯的时序状态流程有如图3.1.1所示，对于乙车道 有同样的，其灯时序状态为图3.1.2所示。

图3.1.1 甲车道灯状态 图3.1.2 乙车道灯状态 （二）交通灯控制器的状态算法

根据交通灯的状态转换图，再次结合系统原理就可以对控制器状态算法进行分析，首先 让笔者对系统结构原理图进行具体分析：

1.图甲车道绿灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道上的车辆允许通行，乙车道禁止通行。绿灯 亮足规定的时间隔T L 时，控制器发出状态信号S T，转到下一工作状态。

2. 甲车道黄灯亮，乙车道红灯亮。表示甲车道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，乙车道禁止通行。黄灯亮足规定时间间隔 T Y 时，控制器发出状态转换信号

S T ，转到下一工作状态。

3. 甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上的车辆允许通行绿灯亮 足规定的时间间隔T L 时，控制器发出状态转换信号S T ，转到下一工作状态。

4. 甲车道红灯亮，乙车道黄灯亮。表示甲车道禁止通行，乙车道上位过县停车线的车辆停 止通行，已过停车线的车辆停止通行，已过停车线的车辆继续通行。黄灯亮足规定的时间间 隔T Y 时，控制器发出状态转换信号S T ，系统又转换到第（1）种工作状态。

交通灯以上 4 种工作状态的转换是由控制器器进行控制的。设控制器的四种状态编码为 00、01、11、10，并分别用S0、S1、S3、S2表示，则控制器的工作状态及功能如表3.1.1所 示，控制器应送出甲、乙车道红、黄、绿灯的控制信号。为简便起见，把灯的代号和灯的驱 动信号合二为一，并作如下规定：

表3.1.1 控制器工作状态及功能 控制状态

信号灯状态 车道运行状态 S0(00)

甲绿，乙红 甲车道通行，乙车道禁止行驶 S1(01)

甲黄，乙红 甲车道缓行，乙车道禁止通行 S1(11)

甲红，乙绿 甲车道禁止通行，甲车道通行 S1(10) 甲红，乙黄 甲车道禁止通行，甲车道缓行

表3.1.1 控制器工作状态

用符号状态ag,ar,ay,bg,br,by 与交通灯状态建立一一关系如表3.2.1所示：

表3.2.1 状态对应表

由此得到交通灯的控制器逻辑示意图，如图3.2.1所示。设控制器的初始状态为s0（用状 态框表示s0），当 s0的持续时间小于25秒时，tl=0（用判断框

表示 tl ），控制器保持 s0 不变。只有当 s0 的持续时间等于 25

秒时，tl=1，控制器发出状态转换信号 st （用条件输出框表示

st ），并转换到下一个工作状态。依此类推可以弄懂 asm 图所

表达的含义。

图3. 2.1 控制器逻辑示意图 符号状态

交通灯相应状态 ag=1

甲车道绿灯亮 bg=1

乙车道绿灯亮 ay=1

甲车道黄灯亮 by=1

乙车道黄灯亮 ar=1

甲车道红灯亮 by=1 乙车道红灯亮