一种交通红绿灯的设计初探

王建华， 郑义海

（1，安徽工业大学电气与信息工程学院， 安徽 马鞍山 243032；2，广西大学林学院， 广西 南宁 530004）

1 设计要求1.1 红绿灯的管理

1）对信号灯的基本要求：要求东和西方向绿灯亮时（表示允许东和西方向车辆直行通过以及向右转弯通过交通路口），东西以外的方向灯源为红色。

2）信号灯的设置有自动与人工两种控制模式：自动模式下，东西南北四个方向的灯源显示时间有一定的间隔，东西南北四个方向灯源显示时间相同，常规显示时长为40 s，人工介入时间10 s。黄灯用2 Hz频率闪烁，区间为5 s左右。人工模式下，保证实现两个方向灯源的控制。手动模式下，控制相对两个方向的灯源自由交替。

1.2 时间控制

1）人工模式切换为自动模式下时，灯源的现实时间不包括人工时间，进入自动控制时间范畴。

2）紧急情况时，关闭控制单元，信号灯应立刻熄灭。

2 具体操作设计

秒脉冲信号发生器作为主要控制构建﹑倒计时计数电路以及信号灯转换器组成，具体见图1所示。系统中的倒计时计数电路以及警示黄色灯闪动控制电路的标准信号源都由秒脉冲信号发生器实现。倒计时计数电路主要有两部分作用：一是实现灯源的转换，二是驱动T_0、T_5信号源。

图1 交通灯控制原理图

3 基本电路构架3.1 灯源转换器

道路与信号灯状态情景模拟如下。A：东与西方向绿灯，南北向红灯，东西向行车，南北向停车；B：南与北方向绿灯，东西向红灯，南北向行车，东西向停车；D：对向亮黄灯时，车辆缓行；转弯亮绿灯时，过弯通过；以6个符号来分别代表东西（A）、南北（B）方向上各灯的状态：

GA=1，东西绿灯亮；

YA=1，东西黄灯亮；

RA=1，东西红灯亮；

GB=1，东西绿灯亮；

YB=1，东西黄灯亮；

RB=1，东西红灯亮。

3.2 设计方案

利用计算数器中的74163模式控制：74163模式可维持状态恒定的4位同二进制算法，具体如下页表2。

集成计数器的74163模式，保持输出编码与车道状况为 S0=0000，S1=0001，S2=0010，S3=0011（操作的编码从右至左边分别为 QA、QB、QC、QD）。灯源显示与具体的道路状态，计数器的输出编码与灯源灯显示如下页表3所示。由表3可以得出信号灯状态的逻辑表达式：

表2 74163控制表

表3 状态编码与信号灯状态关系表

道路状态按照S0—S1—S2—S3变换的实质就是计数器74163的加法过程。该模式先输出由初始状态开始逐渐加法运算，加到0011时又回归初始0000状态。通过观察可以发现，计数器电平量在CLR状态下，计算到0011时，CLR所获电平量较低，为低电平状态，从而实现设计的基本要求。所以，利用74163的QA、QB输出端，接入CLR端路即可。与此同时，74163引入 ENP、ENT、LOAD 高置电平，同时 CLK输出时间刻度脉冲，A、B、C、D、RCO引脚置空，不连接。具体见图2所示。

4 设计电路流动测试

图2 74163构成的信号转换器

1）开启初始按钮启动系统回路，实现信号灯系统的仿真模拟，初始信号连同时间为40 s，同时初始状态下所有信号灯点亮，保持时间约3 s。初始设定的40 s钟时间，按照每秒减低一个单位的速度递减，减到5时，黄灯出现在东西方向，黄灯闪动是，南北方向的红灯保持常亮。递减到单位1时，东向与西向黄灯转变为红灯，顺延，南北车道的信号灯变为绿灯，相应车道可以正常行车。当下一个周期，减到了单位“5”时，南与北的方向道路的绿灯转换为黄灯，黄灯闪动时，东与西方向信号灯保持不变。

2）通车时间的设定区间为1～99 s，这一步是通过预制时间来控制的，实现的效果参照步骤1）。总控制开关开启后，东西方向车道的绿灯亮，时间倒计数5，也以5 s为一个转换周期，如此循环。

5 电路延伸拓展

1）电路的拓展功能，主要为增加行人道路指示灯。人行道的红绿灯变化应该与主道路信号灯同步，并且用行人标志进行区分，所用到的控制单元与主道路系统保持一致。

2）电路拓展的另一部分可以考虑对主道路与匝道的区分，由于同行车辆以及路面状态的不同，匝道与主道路的信号灯控制要进行区分，灯源控制器的主控系统也要用两个系统，匝道的灯源面板显示也应该与主道路有所区分。