交通信號控制系統(tǒng)邏輯電路設(shè)計(jì)

74LS164是8位邊沿觸發(fā)式移位寄存器，串行輸入數(shù)據(jù)，然后并行輸出。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端(DSA或DSB)之一串行輸入;任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入。兩個輸入端或者連接在一起，或者把不用的輸入端接高電平，一定不要懸空。本文介紹了一種交通信號燈，其主控制器是根據(jù)74LS164十四進(jìn)制扭環(huán)形計(jì)數(shù)器狀態(tài)循環(huán)轉(zhuǎn)換原理而設(shè)計(jì)，是整個電路的核心，用于定時控制兩個方向紅、黃、綠信號燈的亮與滅及持續(xù)時間并將持續(xù)時間倒計(jì)時過程在LED七段數(shù)碼管上同步顯示出來。

1.交通信號控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.1十字交叉路口平面布置

十字交叉路口的交通信號控制系統(tǒng)平面布置如圖1所示，LMG—主干道綠燈LMY—主干道黃燈LMR—主干道紅燈;LBG—支干道綠燈LBY—支干道黃燈LBR—支干道紅燈。

圖1 十字交叉路口的交通信號控制系統(tǒng)平面布置圖

1.2信號燈正常工作流程(見圖2)

圖2是信號燈的正常工作流程。因?yàn)橹鞲傻儡囕v多，故放行時間相對比較長，設(shè)計(jì)放行時間為48S;支干道的車輛少，放行時間相對較短，設(shè)計(jì)放行時間為24S;每次綠燈變紅燈之前，要求黃燈亮4S且為間歇閃爍，此時另一干道的紅燈狀態(tài)仍然保持不變。在主干道和支干道均設(shè)有倒計(jì)時數(shù)字顯示，作為時間提示，以便讓行人和車輛直觀掌握通行時間。數(shù)字顯示變化情況應(yīng)與信號燈狀態(tài)始終保持同步。

圖2 信號燈正常工作流程

2.交通信號邏輯電路的設(shè)計(jì)

圖3 交通信號控制系統(tǒng)邏輯電路圖

3.交通信號控制系統(tǒng)電路分析

3.1時鐘信號源

時鐘信號源由NE555時基電路組成，用于產(chǎn)生1Hz的標(biāo)準(zhǔn)秒信號。

3.2分頻器

分頻器由2片74LS74構(gòu)成。第一片74LS74對1Hz的秒信號進(jìn)行4分頻，獲得周期為4S的信號，另一片74LS74對4秒的信號進(jìn)行2分頻，獲得周期為8S的信號。周期為4S、8S的信號分時送到主控制器74LS164的時鐘信號輸入端，用于控制信號燈處在不同狀態(tài)的時間。

3.3主控制器

主控制器是由一片74LS164構(gòu)成的十四進(jìn)制扭環(huán)形計(jì)數(shù)器，是整個電路的核心，用于定時控制兩個方向紅、黃、綠信號燈的亮與滅及持續(xù)時間，在時鐘CP上升沿的連續(xù)觸發(fā)下其狀態(tài)轉(zhuǎn)換見表1。

3.4信號燈譯碼驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

見圖3電路圖，信號燈譯碼驅(qū)動電路由若干個門電路組成，用于對主控制器中Q5Q6的4種狀態(tài)進(jìn)行譯碼并直接驅(qū)動紅、黃、綠三色信號燈。令扭環(huán)形計(jì)數(shù)器中Q5Q6的4種狀態(tài)00、10、11、01分別代表主干道和支干道交通燈的4種工作狀態(tài)：主干道綠燈亮、支干道紅燈亮;主干道黃燈亮、支干道紅燈亮;主干道紅燈亮、支干道綠燈亮;主干道紅燈亮、支干道黃燈亮。令燈亮為“1”，燈滅為“0”，則可得出信號燈譯碼驅(qū)動電路的真值表(見表2)

由真值表可得出各信號燈的邏輯表達(dá)式：LMG=·;LMY=Q5·;LMR=Q6;LBG=Q5·Q6;LBY=·Q6;LBR=。因黃燈要間歇閃爍(4秒期間閃4次)，所以將LMY、LBY與1s的標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號CP相“與”便得出：LMY’=LMY·CP;LBY’=LBY·CP。

3.5信號燈工作時序

由時序圖可知，在Q5Q6=00期間，共需6個CP觸發(fā)脈沖，所以應(yīng)將周期為8秒的時基信號CP2送入扭環(huán)形計(jì)數(shù)器的CP端，則6TCP2=6×8S=48S，正好符合綠燈的放行時間為48秒。同理，當(dāng)Q5Q6處于10、11、01三種狀態(tài)時，應(yīng)將周期為4秒的時基信號CP1送入扭環(huán)計(jì)數(shù)器的CP端，才能滿足這三種狀態(tài)時信號燈亮滅的時間要求。以上秒和秒時基信號分時送入扭環(huán)計(jì)數(shù)器CP端是由74LS04的G9、74LS125的G10、G11共同完成的(見圖3)，只有當(dāng)LMG亮期間(48秒)，G10導(dǎo)通G11截止，將8秒時基信號送入扭環(huán)計(jì)數(shù)器CP端，而在其余三種狀態(tài)的時間段LMG都是滅的，G10截止G11導(dǎo)通，將4秒時基信號送入扭環(huán)計(jì)數(shù)器CP端。

3.6數(shù)字顯示控制電路

數(shù)字顯示控制電路是由4片74LS190組成的兩個減法計(jì)數(shù)器組成，用于進(jìn)行倒計(jì)時數(shù)字顯示的控制。當(dāng)LMG亮、LBR亮(Q5Q6=00)時，對應(yīng)主干道的兩片74LS190構(gòu)成的52進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器開始工作，從數(shù)字“52”開始，每來一個秒脈沖，顯示數(shù)字減1，當(dāng)減到“0”時，LMR亮、LBG亮，同時，主干道的52進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，支干道的兩片74LS190構(gòu)成的28進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器開始工作，從數(shù)字“28”開始，每來一個秒脈沖，顯示數(shù)字減1，直至減到“0”為止。減法計(jì)數(shù)前的初始值，是利用另一個道路上的黃燈信號對74LS190的LD端進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)黃燈亮?xí)r，減法電路置入初始值;當(dāng)黃燈滅而紅燈亮?xí)r，減法計(jì)數(shù)器開始進(jìn)行減計(jì)數(shù)。

3.7數(shù)字顯示電路

數(shù)字顯示電路是由兩片74LS245和4片74LS49集成電路及4塊LED七段數(shù)碼管LDD580構(gòu)成的，用于進(jìn)行倒計(jì)時數(shù)字的顯示。因主干道和支干道的減法計(jì)數(shù)器是分時工作的，而任何時刻兩方向的數(shù)字顯示均為相同的數(shù)字，采用兩片74LS245就可以實(shí)現(xiàn)這個功能。當(dāng)主干道減法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)時，對應(yīng)于主干道的74LS245工作，將主干道計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)同時送到兩個方向的譯碼顯示電路。反之，當(dāng)支干道減法計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)時，對應(yīng)于支干道的74LS245開始工作，將支干道計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài)同時送到兩個方向的譯碼顯示電路。

結(jié)束語

本文總結(jié)了基于74LS164的交通信號控制系統(tǒng)邏輯電路設(shè)計(jì)，對交通信號邏輯電路的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法作了深入全面的分析和闡述。主干道和支干道的放行時間是可以隨意設(shè)置的，比如可以設(shè)置主干道的放行時間為60秒，支干道的放行時間為30秒，黃燈閃爍的時間為5S，改變分頻器的分頻系數(shù)即可實(shí)現(xiàn)這一功能，將1Hz的標(biāo)準(zhǔn)秒信號經(jīng)一個上升沿觸發(fā)的5分頻器分頻得到一個周期為5S的信號，再經(jīng)過2分頻得到周期為10S的信號，將周期為5S和10S的信號輪流送入74LS164的CP端即可。其中，5分頻器可利用74LS290來實(shí)現(xiàn)。

審核編輯：湯梓紅