交通信号灯仿真设计

城市十字交叉路口为确保车辆﹑行人安全有序地通过，都设有指挥信号灯。交通信号灯的出现，使交通得以有效管制，对于疏导交通流量﹑提高道路通行能力﹑减少交通事故有明显效果。因此，如何采用合适的方法，使交通信号灯的控制与交通疏导有机结合，最大限度缓解主干道与匝道﹑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。一下就一个简单的交通灯控制系统的电路原理﹑设计和仿真测试等问题来进行具体分析讨论。

1．功能要求

（1）设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求东西方向车道和南北方向车到两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为45s。时间可设置修改。

（2）在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5s，才能变换运行车道。

（3）黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。

（4）东西方向﹑南北方向车道除了有红﹑黄﹑绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示（采用倒计时的方法）。

（5）假定+5V电源给定。

2．总体方案设计

依据功能要求，交通灯控制系统应主要由秒脉冲信号发生器﹑倒计时计数电路和信号灯转换器组成，原理框图如图5.4.1所示。秒脉冲信号发生器是该系统中倒计时计数电路和黄灯闪烁控制电路的标准时钟信号源。倒计时计数器输出两

组驱动信号和，分别为黄灯闪烁和变换为红灯的控制信号，这两个信号经信

号灯转换器控制信号灯工作。倒计时计数电路是系统的主要部分，由它控制信号灯转换器的工作。

秒脉冲发生器倒计时

计时器

信号灯

转换器

东西方向

G Y R

南北方向

G Y R

5

T

T

图5.4.1 交通灯控制系统原理图

3．单元电路设计

（1）信号灯转换器

信号灯状态与车道运行状态如下：

：东西方向车道的绿灯亮，车道通行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；：东西方向车道的黄灯亮，车道缓行；南北方向车道的红灯亮，车道禁止通行；：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的绿灯亮，车道通行；：东西方向车道的红灯亮，车道禁止通行；南北方向车道的黄灯亮，车道缓行。用一下6个符号来分别代表东西（A）﹑南北（B）方向上各灯的状态：

=1：东西方向车道绿灯亮；

=1：东西方向车道黄灯亮；

=1：东西方向车道红灯亮；

=1：东西方向车道绿灯亮；

=1：东西方向车道黄灯亮；

=1：东西方向车道红灯亮。

实现信号灯的转换有多种方法，现采用比较典型的两种方法来进行设计，比较其优劣后可以找到一种较简单﹑更实用的电路来实现信号灯的转换工作。

方案一：采用计数器74163实现

74163是一个具有同步清零﹑同步置数﹑可保持状态不变的4位二进制同步加法计数器。其功能表如表5.4.1所示。

表5.4.1 74163的功能表

ENP ENT CLK A B C D

0 ×××↑××××0 0 0 0

1 0 ××↑×××× A B C D

1 1 1 1 ↑××××计数

1 1 1 0 ×××××0 0 0 0

1 1 0 1 ×××××0 0 0 0

若选用集成计数器74163来实现，则其输出状态编码与车道状态=0000，=0001，=0010，=0011（输出的编码从左至右分别为、、、）。通

过信号灯与车道状态的关系可以进一步得到，计数器输出状态编码与信号灯状态的对应关系如表5.4.2所示。

表5.4.2 状态编码与信号灯状态关系表

0 0 0 0 1 0 0 0 0 1

0 0 0 1 0 1 0 0 0 1

0 0 1 0 0 0 1 1 0 0

0 0 1 1 0 0 1 0 1 0

由表5.4.2可以得出信号灯状态的逻辑表达式：

==

===

车道状态由———的逐步变换实际上就是计数器74163一个加法计数的过程。74163的输出由0000开始加法计数，加至0011后又返回0000重新计数。因此观察74163的功能表，只要在计数时给CLR 高电平，计满0011后给CLR 一个低电平，这样就可以实现上述变化。因此，只需将74163的输出端

﹑

用一与非门连接后在CLR 端即可。同时，74163的引脚LOAD ﹑ENP ﹑ENT 置高电平，CLK 输入时钟脉冲（暂时由时钟信号源替代），引脚A ﹑B ﹑C ﹑D ﹑RCO 悬空。按此方法连接后的电路如图5.4.2所示。

VCC

5V

V11 Hz 5 V

GA

RA

YA GB

RB

YB

U2A

74LS21N

U2B

74LS21N

U4A

74LS21N U4B

74LS21N

U5A

74LS00N

U1

74163N

QA 14QB 13QC 12QD 11RCO

15

A 3

B 4

C 5

D 6ENP 7ENT 10~LOAD 9~CLR 1CLK

2

U3A U3B

U3C U3D

7404N

图5.4.2 74163构成的信号转换器

方案二：采用JK 触发器实现

若选用JK 触发器，设状态编码为=00，=01，=11，=10，其输出为﹑，则其与信号灯状态关系如表5.4.3所示。

表5.4.3 状态编码与信号灯关系表 现态 次态 输出

0 0 0 1 1 0 0 0

0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1

0 0 0 0 0 1 0 1 0