一種基于Proteus 的交通燈設(shè)計(jì)

杜思玉

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶400074）

1 設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，要求黃燈先亮5 s（此時(shí)原紅燈不變）。

2 總體方案的確定

交通燈控制電路的設(shè)計(jì)方案由控制器、時(shí)鐘信號、計(jì)時(shí)器、傳感器、譯碼驅(qū)動(dòng)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(guān)系如圖1 所示。

圖1 交通燈原理框圖

3 單元電路設(shè)計(jì)

3.1 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

3.1.1 74LS160 的功能

74LS160 十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器是由4 個(gè)D 型觸發(fā)器和若干個(gè)電路構(gòu)成，內(nèi)部有超前進(jìn)位，具有計(jì)數(shù)、置數(shù)、直接（異步）清零等功能[1]?？梢岳?4LS160 十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器通過異步清零端反饋清零來實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用一塊74LS160 十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)五進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，而30 s、20 s 的計(jì)時(shí)器分別采用2 塊74LS160 計(jì)數(shù)器來完成。

3.1.2 計(jì)數(shù)器

利用74LS160 設(shè)計(jì)成五進(jìn)制計(jì)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(jì)數(shù)器從Q3Q2Q1Q0=0000 開始計(jì)數(shù)，當(dāng)?shù)? 個(gè)CP 到達(dá)后，記到0010，此時(shí)不會(huì)立即清零，而是等到下一脈沖上沿到來后，計(jì)數(shù)器會(huì)被置換成0000，完成5 進(jìn)制的計(jì)時(shí)。

二十進(jìn)制計(jì)數(shù)器原理電路如圖2（b）所示，74LS160是一個(gè)十進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，選用2 個(gè)74LS160 芯片級聯(lián)成一個(gè)00～99 的計(jì)數(shù)器[2]。其中，作為個(gè)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(jì)數(shù)器也同樣連接頻率為1 Hz 的脈沖信號，并用一個(gè)非門與清零端LOAD 相連；當(dāng)個(gè)位數(shù)74LS160 的第十個(gè)CP 到達(dá)后，向十位數(shù)74LS160 芯片進(jìn)一位，當(dāng)十位數(shù)記到0010 時(shí)，會(huì)計(jì)數(shù)器會(huì)被置換成0000，完成一次二十進(jìn)制的計(jì)數(shù)。

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

3.2 傳感器信號

本設(shè)計(jì)中，用邏輯開關(guān)輸出傳感器信號，選用2 個(gè)單刀雙擲開關(guān)，分別表示主干道和支干道，2 個(gè)開關(guān)的兩端分別接電源和接地，當(dāng)開關(guān)連接電源時(shí)表示此時(shí)干道上有車，若接到地，則表示無車。

3.3 控制器電路設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以得知，交通燈有4 種不同的狀態(tài)，選用2 個(gè)J-K 觸發(fā)器Q2Q1進(jìn)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(shè)計(jì)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(jìn)制計(jì)數(shù)器記完30 s，S 表示二十進(jìn)制計(jì)數(shù)器記完20 s，P 表示五進(jìn)制計(jì)數(shù)器記完5 s。

圖2 計(jì)數(shù)器原理圖

隨后，對狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方向以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件進(jìn)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(zhuǎn)換的方向以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，可得交通燈的狀態(tài)方程：

從而得到驅(qū)動(dòng)方程：

3.4 譯碼驅(qū)動(dòng)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(guān)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(dá)式為：

4 仿真測試結(jié)果

繪制出交通燈設(shè)計(jì)原理圖，用Proteus 進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3 所示，可改變主、支干道的不同狀態(tài)，可得到相應(yīng)的仿真結(jié)果，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。