杜思玉

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶400074）

1 設計要求

主干道經(jīng)常通行；支干道有車才通行；主、支干道均有車時，兩者交替通行，并要求主干道每次至少放行30 s，支干道每次至多放行20 s；每次綠燈變紅燈時，要求黃燈先亮5 s（此時原紅燈不變）。

2 總體方案的確定

交通燈控制電路的設計方案由控制器、時鐘信號、計時器、傳感器、譯碼驅動電路、主干道信號燈、支干道信號燈等部分組成，它們之間的關系如圖1 所示。

圖1 交通燈原理框圖

3 單元電路設計

3.1 時鐘電路的設計

3.1.1 74LS160 的功能

74LS160 十進制同步計數(shù)器是由4 個D 型觸發(fā)器和若干個電路構成，內部有超前進位，具有計數(shù)、置數(shù)、直接（異步）清零等功能[1]?？梢岳?4LS160 十進制同步計數(shù)器通過異步清零端反饋清零來實現(xiàn)不同進制的計數(shù)器。根據(jù)設計要求，采用一塊74LS160 十進制同步計數(shù)器實現(xiàn)五進制的計數(shù)器，而30 s、20 s 的計時器分別采用2 塊74LS160 計數(shù)器來完成。

3.1.2 計數(shù)器

利用74LS160 設計成五進制計數(shù)器原理電路如圖2（a）所示，由74LS160 和非門組成，在CLK 輸入1 Hz 的脈沖信號，計數(shù)器從Q3Q2Q1Q0=0000 開始計數(shù)，當?shù)? 個CP 到達后，記到0010，此時不會立即清零，而是等到下一脈沖上沿到來后，計數(shù)器會被置換成0000，完成5 進制的計時。

二十進制計數(shù)器原理電路如圖2（b）所示，74LS160是一個十進制的計數(shù)器，選用2 個74LS160 芯片級聯(lián)成一個00～99 的計數(shù)器[2]。其中，作為個位數(shù)的74LS160 芯片，輸入頻率為1 Hz 的脈沖信號，再RCO 端與十位數(shù)的74LS160芯片的ENP 相連，作為十位的74LS160 計數(shù)器也同樣連接頻率為1 Hz 的脈沖信號，并用一個非門與清零端LOAD 相連；當個位數(shù)74LS160 的第十個CP 到達后，向十位數(shù)74LS160 芯片進一位，當十位數(shù)記到0010 時，會計數(shù)器會被置換成0000，完成一次二十進制的計數(shù)。

三十進制計數(shù)器原理電路如圖2（c）所示，三十進制計數(shù)器的原理與二十進制計數(shù)器相似。

3.2 傳感器信號

本設計中，用邏輯開關輸出傳感器信號，選用2 個單刀雙擲開關，分別表示主干道和支干道，2 個開關的兩端分別接電源和接地，當開關連接電源時表示此時干道上有車，若接到地，則表示無車。

3.3 控制器電路設計

根據(jù)設計要求，可以得知，交通燈有4 種不同的狀態(tài)，選用2 個J-K 觸發(fā)器Q2Q1進行控制。將這4 種狀態(tài)分別記為：S0表示主干道綠燈亮、支干道紅燈亮（用Q2Q1=00 表示）；S1表示主干道黃燈亮、支干道紅燈亮（用Q2Q1=01 表示）；S2表示主干道紅燈亮、支干道綠燈亮（用Q2Q1=11 表示）；S3表示主干道紅燈亮、支干道黃燈亮（用Q2Q1=10 表示）。

根據(jù)設計要求，可以確定在狀態(tài)變換中的輸入量：A 表示主干道有車通過，B 表示支干道有車通過，L 表示三十進制計數(shù)器記完30 s，S 表示二十進制計數(shù)器記完20 s，P 表示五進制計數(shù)器記完5 s。

圖2 計數(shù)器原理圖

隨后，對狀態(tài)轉換的方向以及狀態(tài)轉換的條件進行分析，并用邏輯函數(shù)表示可得到如下式子：

根據(jù)上述的狀態(tài)轉換的方向以及狀態(tài)轉換的條件，可得交通燈的狀態(tài)方程：

從而得到驅動方程：

3.4 譯碼驅動電路

主、支干道上的交通燈的紅、黃、綠信號燈的狀態(tài)主要取決于J-K 觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。它們之間的關系如表1 所示。對于信號燈的狀態(tài)，“1”表示燈亮，“0”表示燈滅。

表1 信號燈信號真值表

根據(jù)真值表，可求出各自信號燈的邏輯函數(shù)表達式為：

4 仿真測試結果

繪制出交通燈設計原理圖，用Proteus 進行仿真，仿真結果如圖3 所示，可改變主、支干道的不同狀態(tài)，可得到相應的仿真結果，達到設計要求。