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应用电路二 交通信号灯控制系统的设计与仿真分析 十字路口的交通信号灯是我们每天出行时都会遇到的，信号灯指挥着行人和各种车辆安全有序的通行。实现红、绿灯的自动控制是城市交通管理现代化的重要课题，合适的信号灯控制系统可以提高城市交通的效率。下面我们以该课题为例进行设计与仿真分析。 1. 电路设计分析 (1)交通信号灯控制系统的技术指标 ①主、支干道交替通行，主干道每次放行30s，支干道每次放行20s。 ②绿灯亮，表示可通行；红灯亮，表示禁止通行。 ③每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s(此时另一干道上的红灯不变)。 ④十字路口要有数字显示，作为等候时间提示。要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。 ⑤在黄灯亮时，原红灯按1Hz的频率闪烁。 ⑥要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均可0~99s内任意设定。 (2)方案论证 根据设计任务和技术指标的要求，可画出该交通灯控制系统的组成框图，如图4 -15所示。 可以看出，交通信号灯控制系统主要由下列模块组成。 ①状态控制器，主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，以实现对主、支干道车辆运行状态的控制。 ②状态译码器，按照状态控制器所处的状态，通过状态译码器分别驱动点亮相应的信号灯，指挥主、支干道的行人和车辆。 ③秒脉冲发生器，产生整个定时系统的时基脉冲，确保整个电路同步工作和实现定时控制。 ④减法计数器，通过减法计数器对秒脉冲作减计数，完成计时任务，达到控制每一种工作状态持续时间的目的。减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态，决定计数器下一次减法计数的初始值。 减法计数器的状态由BCD译码器译码、数码管显示。在黄灯亮期间，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁。 (3)方案实现 根据方案论证的思路，决定方案实现的方法。 ①状态控制器的设计。 首先分析十字路口交通信号灯工作的实际各种可能状态。根据设计要求，因主干道和支干道备有3种灯(红、绿、黄)，它们在正常工作时，亮灯的组合只有4种可能。 ·主绿灯亮，支红灯亮，主干道通行。 ·主黄灯亮，支红灯闪烁，主干道停车。 ·主红灯亮，支绿灯亮，支干道通行。 ·主红灯闪烁，支黄灯亮，支干道停车。 将各信号灯的工作顺序制作成流程图，如图4 - 16所示。 信号灯4种不同的状态分别用S0(主绿灯亮，支红灯亮)、S1(主黄灯亮，支红灯闪烁)、S2(主红灯亮，支绿灯亮)、S3(主红灯闪烁，支黄灯亮)表示，其状态编码及状态转换图如图4-17所示。 4组编码对应4种状态，显然这是一个2位二进制计数器的输出状态，故可采用多种中规模集成计数器来实现。本电路采用CD4029连接成二进制加法计数器构成状态控制器．电路如图4 -18所示。 CD4029为4 位可预置二进制／十进制可逆计数器。该计数器可进行二进制加／减计数或BCD — 十进制加 / 减计数操作，两种计数方式均有超前进位功能；B/D端为高电平时，进行二进制计数；B/D端为低电平时，进行十进制计数。有关CD4029引脚及功能表详见数字集成电路手册。 ②状态译码器设计。 主、支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见表4 -1。其中主干道的信号灯分别用大写字母R、Y、G代表红灯、黄灯和绿灯，支干道的信号灯分别用小写字母r、y、g代表红灯、黄灯和绿灯。对于信号灯的状态，1表示灯亮，0表示灯灭。这样，就将交通信号灯信号的工作状态以真值表的形式表达出来，这是电路设计中最重要的一个环节，只有正确地用真值表描述实际工作状态，才能考虑下一步用数字电路芯片来设计电路。 根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为 ； = = y = = 如何从真值表得到表达式，很多有关数字电路的书籍资料上都有介绍，这部分内容是数字电路中的一块基本知识，需要的读者可自行查阅相关资料。 输出端，选择发光二极管来模拟交通灯，由于门电路带灌电流的能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出低电平时，点亮相应的发光二极管，故交通信号灯显示电路组成如图4 -19所示。 由交通信号灯控制系统设计的技术指标知道，当黄灯亮时，红灯按1Hz的频率闪烁。从表4 – 1中可以看出，黄灯亮时，Q1必为高电平；而红灯点亮信号与Q 1信号无关。可利用Q1信号去控制一个三态门电路74LS245(或模拟开关)，当Q1为高电平时(为低电平，控制三态门的EN)，将秒脉冲信号引到驱动红灯的与非门的输入端，使红灯在黄灯亮期间闪烁；反之将其隔离，红灯