交通燈控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1、 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)摘 要隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市人口增加、汽車的普及、交通問題成為各個(gè)國家面臨的共同問題。而交通信號(hào)控制系統(tǒng)則會(huì)使整個(gè)交通系統(tǒng)的通行能力得到提高，本文將綜合概述交通信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，簡明地介紹系統(tǒng)的基本框圖，說明ASM圖法在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的運(yùn)用，以及兩種實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)控制系統(tǒng)的方法，一種是組合和時(shí)序電路的基本模塊實(shí)現(xiàn)，另一種是用可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：交通信號(hào)燈，ASM圖法，組合電路，時(shí)序電路，編程邏輯器件。Abstract: With the development of economy, the increase of urban population, the p

2、opularization of automobiles, the traffic problem is the common problem that every country faces. The traffic signal control system can improve the traffic capacity of the whole system. This paper introduces the design process of the traffic signal system, introduces the basic block diagram of the s

3、ystem, and describes the application of ASM diagram in the system design process.Key words: Traffic signal lamp, ASM chart method, combined circuit, time sequence circuit, programming logic device.引言：交通信號(hào)燈自問世以來，經(jīng)歷了機(jī)電定時(shí)控制，繼電器控制，到現(xiàn)在計(jì)算機(jī)控制的發(fā)展過程。許多國家投入巨大人力和物力研究智能交通系統(tǒng)，即運(yùn)用計(jì)算機(jī)、通信、人工智能、傳感器等領(lǐng)域先進(jìn)的技術(shù)，隨時(shí)對(duì)各個(gè)交通路口信

4、號(hào)進(jìn)行調(diào)整以及對(duì)外界進(jìn)行信息發(fā)布，使整個(gè)交通系統(tǒng)的通行能力有所提高。一、 系統(tǒng)框圖交通燈控制系統(tǒng)框圖如圖1.1所示。它主要由控制器、定時(shí)器、譯碼器和秒脈沖信號(hào)發(fā)生器等部分組成。由定時(shí)器和譯碼器作為處理單元，秒脈沖發(fā)生器做該系統(tǒng)中定時(shí)器和控制器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)源，譯碼器輸出兩組信號(hào)燈的控制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈工作，控制器是系統(tǒng)的主要部分，由它控制定時(shí)器和譯碼器的工作。傳感器S圖中， TL: 表示甲車道或乙車道綠燈亮的時(shí)間間隔為25秒，即車輛正常通行的時(shí)間間隔。定時(shí)時(shí)間到，TL=1，否則，TL=0。 TY：表示黃燈亮的時(shí)間間隔為5秒。定時(shí)時(shí)間到，TY=1，否則，TY=0。 ST：表示定時(shí)器到

5、了規(guī)定的時(shí)間后，由控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)。由它控制定時(shí)器開始下個(gè)工作狀態(tài)的定時(shí)。二、 交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)ASM圖圖2是一個(gè)十字路口示意圖。分別用1、2、3、4表明四個(gè)流向的主車道，用A、B、C、P分別表示各主車道的左行車道、直行車道、右行車道以及人行道。用a、b、c、p分別表示左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)和人行道的交通信號(hào)燈，如圖2所示。2.1交通燈控制系統(tǒng)的工作過程：（1）甲車道綠燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上的車輛允許通行，乙車道禁止通行。綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間隔TL時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （2）甲車道黃燈亮，乙車道紅燈亮。表示甲車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼

6、續(xù)通行，乙車道禁止通行。黃燈亮足規(guī)定時(shí)間間隔TY時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （3）甲車道紅燈亮，乙車道綠燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上的車輛允許通行。綠燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔TL時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，轉(zhuǎn)到下一工作狀態(tài)。 （4）甲車道紅燈亮，乙車道黃燈亮。表示甲車道禁止通行，乙車道上未過停車線的車輛停止通行，已過停車線的車輛繼續(xù)通行。黃燈亮足規(guī)定的時(shí)間間隔TY時(shí)，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST，系統(tǒng)又轉(zhuǎn)換到第（1）種工作狀態(tài)，繼續(xù)循環(huán)工作。 交通燈以上4種工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換是由控制器進(jìn)行控制的，控制器應(yīng)送出紅、黃、綠燈的控制信號(hào)給甲、乙車道。設(shè)控制器的四種狀態(tài)編碼為0

7、0、01、11、10，并分別用S0、S1、S2、S3表示，則控制器的工作狀態(tài)以及功能如表1.1所示：2.2過程分析設(shè)控制器的初始狀態(tài)為S0（用狀態(tài)框表示S0），當(dāng)S0的持續(xù)時(shí)間小于25秒時(shí)，TL=0（用判斷框表示TL），控制器保持S0不變。只有當(dāng)S0的持續(xù)時(shí)間等于25秒時(shí)，TL=1，控制器發(fā)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST（用條件輸出框表示ST），并轉(zhuǎn)換到下一個(gè)工作狀態(tài)。由此得到交通燈的ASM圖，如圖1.2所示。三、 用典型電路基本模塊實(shí)現(xiàn)交通控制系統(tǒng)通過分析交通控制系統(tǒng)的要求可知，系統(tǒng)由傳感器、時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器、定時(shí)器、控制單元及譯碼器構(gòu)成，傳感器S在有車輛通過時(shí)發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào)。時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器有石英晶體

8、組成。下面介紹用典型的組合和時(shí)序電路模塊設(shè)計(jì)交通信號(hào)指示燈控制系統(tǒng)。3.1設(shè)計(jì)控制電路單元狀態(tài)分配方案有：自然二進(jìn)制碼、格雷碼和“一對(duì)一”。“一對(duì)一”是指一個(gè)觸發(fā)器對(duì)應(yīng)一個(gè)狀態(tài)?，F(xiàn)在主要介紹的是采用格雷碼進(jìn)行狀態(tài)分配的方法設(shè)計(jì)交通燈控制單元。交通控制單元由4種狀態(tài)，選用兩個(gè)D觸發(fā)器1FF、0FF做為時(shí)序寄存器產(chǎn)生 4種狀態(tài)，控制器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件為TL和TY，當(dāng)控制器處于Q1nQ0n=00狀態(tài)時(shí)，如果TL=0，則控制器保持在00狀態(tài)；如果TL=1，則控制器Q1nQ0n=01狀態(tài)。這兩種情況與條件YT無關(guān)，所以用無關(guān)項(xiàng)“×”表示。其余情況依次類推，同時(shí)表中還列出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換信號(hào)ST。由此可

9、以列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表表1.3. 根據(jù)表1.3可以推出狀態(tài)方程和信號(hào)轉(zhuǎn)換方程。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換方程如圖1.6所示。5進(jìn)制轉(zhuǎn)換選擇：25進(jìn)制轉(zhuǎn)換選擇：可得到以下方程：簡化可得：比較可得：FF1和FF0選用D觸發(fā)器，每個(gè)觸發(fā)器的輸入函數(shù)用數(shù)據(jù)選擇器選擇，所以數(shù)據(jù)選擇器的數(shù)目等于觸發(fā)器的數(shù)目?？紤]到控制信號(hào)ST與輸入變量的關(guān)系，也需要用一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器，所以共選用三個(gè)數(shù)據(jù)選擇器，并將觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)值加到數(shù)據(jù)選擇器的選擇變量端，數(shù)據(jù)選擇器的輸入端信號(hào)可以根據(jù)狀態(tài)方程和轉(zhuǎn)換信號(hào)方程得出。交通燈控制單位的邏輯圖如圖1.7所示。3.2設(shè)計(jì)處理單元及時(shí)鐘脈沖器電路（1）定時(shí)器定時(shí)器由與系統(tǒng)秒脈沖（由時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生器提供）同步的

10、計(jì)數(shù)器構(gòu)成，要求計(jì)數(shù)器在狀態(tài)信號(hào)ST作用下，首先清零，然后在時(shí)鐘脈沖上升沿作用下，計(jì)數(shù)器從零開始進(jìn)行增1計(jì)數(shù)，向控制器提供模5的定時(shí)信號(hào)TY和模25的定時(shí)信號(hào)TL。由兩片74LS163級(jí)聯(lián)組成的定時(shí)器電路如圖1.5所示。（2）譯碼器譯碼器的主要任務(wù)是將控制器的輸出1Q、0Q的4種工作狀態(tài)，翻譯成甲、乙車道上6個(gè)信號(hào)燈的工作狀態(tài)。燈亮狀態(tài)用“1”表示，燈滅狀態(tài)用“0”表示；甲車道的綠、黃、紅燈分別用AG、AY和AR表示；乙車道的綠、黃、紅燈分別用BG、BY和BR表示。控制器的狀態(tài)編碼與信號(hào)燈控制信號(hào)之間的關(guān)系如表1.6所示。那么，由非門和與門構(gòu)成譯碼器的電路圖如圖1.10所示。（3）時(shí)鐘脈沖電路

11、 利用555定時(shí)器為主組成多諧振蕩器，輸出1Hz的矩型方波，實(shí)現(xiàn)脈沖電路功能。555定時(shí)器的原理圖如圖1.11所示，功能表如表1.7所示：555定時(shí)器構(gòu)成多諧震蕩器，震蕩頻率為F=1KHz，那么，秒脈沖電路圖如圖 1.12所示： 是四、 用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)交通電燈控制系統(tǒng)當(dāng)采用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)重要的任務(wù)是用HDL描述數(shù)字系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)的HDL描述可以在數(shù)據(jù)級(jí)或者行為級(jí)進(jìn)行，行為級(jí)又可分為寄存器級(jí)或者算法級(jí)。因此對(duì)數(shù)字系統(tǒng)的描述分為結(jié)構(gòu)級(jí)描述、寄存器傳輸級(jí)（RTL）描述和基于算法的行為級(jí)描述。結(jié)構(gòu)級(jí)描述是最底層、最詳細(xì)的描述。它是根據(jù)具體物理元件以及它們之間的連接描述系統(tǒng)。這

12、些元件包括門、觸發(fā)器及選擇器、計(jì)數(shù)器等標(biāo)準(zhǔn)部件。描述過程首先是將系統(tǒng)劃分為多個(gè)不同功能的模塊，然后用HDL描述每個(gè)功能模塊，最后將所有這些底層模塊組合起來構(gòu)成頂層模塊，即完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。五、 總結(jié)通過不斷的查資料讓我積累了許多經(jīng)驗(yàn)，已初步了解了數(shù)電的應(yīng)用技術(shù)，以及數(shù)字電路的知識(shí)和有關(guān)器件的應(yīng)用，我深刻體會(huì)到了數(shù)子電路技術(shù)對(duì)當(dāng)今現(xiàn)代社會(huì)的重要作用。讓我知道嚴(yán)密的思考的重要性，構(gòu)想及怎樣把計(jì)劃付諸于實(shí)際行動(dòng)之中。同時(shí)與社會(huì)的不斷高速發(fā)展的步伐相比，我認(rèn)識(shí)到自己所學(xué)的知識(shí)和技能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，有些實(shí)際性的問題還不能夠解決，缺少很多有實(shí)際運(yùn)用價(jià)值的知識(shí)儲(chǔ)備，缺乏應(yīng)有的動(dòng)手解決實(shí)際問題的能力，缺乏些高效利用及篩選大量資料的能力，缺乏資源共享及應(yīng)有的團(tuán)隊(duì)合作精神，有待進(jìn)一步提高，我應(yīng)當(dāng)學(xué)好自己的專業(yè)知識(shí)