设计交通灯控制系统优化 十字路口

1）系统功能与使用要求

（1）主干道和支干道均有红、绿、黄三种信号灯。

（2）通常保持主干道绿灯、支干道红灯；只有支干道有车时，才转为主干道红灯、支干道绿灯。

（3）绿灯转红灯过程中，先由绿灯转为黄灯。8 s后，再由黄灯转为红灯，同时对方才由红灯转为绿灯。

（4）当两个方向同时有车来时，红、绿灯应每隔40 s变换一次（扣除绿灯转红灯过程中的8 s黄灯过渡，绿灯实际只亮32 s）。

（5）若仅在一个方向有车来时，按下列规则进行处理：

①该方向原为红灯时，另一个方向立即由绿灯变为黄灯，8 s后再由黄灯变为红灯，同时本方向由红灯变为绿灯；

②该方向原为绿灯时，继续保持绿灯；一旦另一方向有车来时，作两个方向均有车处理。

2）总体方案

图11.40表示位于主干道和支干道的十字路口的交通灯系统。

图11.40　交通灯示意图

系统由控制器和处理器组成，控制器接收外部系统时钟和传感器信号；处理器由定时器和译码显示器组成。其系统框图如图11.41所示。

图11.41　交通灯系统框图

根据交通灯控制系统的功能，确定采用如下方案。

（1）在两个方向各装1个车辆传感器X1和X0。

当主干道方向有车时，X1=1，否则，X1=0；

当支干道方向有车时，X0=1，否则，X0=0。

（2）设8 s黄灯时间到时T8=1，时间未到时T8=0；

设32 s绿灯时间到时，T32=1，时间未到时T32=0。

（3）设主干道由绿灯转为黄灯的条件为M，当M=0时，绿灯保持；当M=1时，立即由绿灯转为黄灯。

设支干道由绿灯转为黄灯的条件为N，当N=0时，绿灯保持；当N=1时，立即由绿灯转为黄灯。

显然，M、N均与T32、X1、X0有关。

（4）设主干道绿灯、黄灯、红灯分别为G1、Y1、R1；支干道绿灯、黄灯、红灯分别为G0、Y0、R0，并且均用0表示灭、1表示亮，则两个方向的交通灯有如表11.6所示的四种输出状态。

（5）总体结构见图11.42。

表11.6　交通灯输出状态

11.42 交通灯控制系统总体结构

3）数据处理器结构

交通灯控制系统的数据处理器的结构非常简单，只有32 s定时器和8 s定时器以及6个交通灯，其电路结构如图11.43所示。

图11.43　交通灯控制系统数据处理器结构图

图中使用74LS161作为定时器，基准时钟CP的周期为1 s。这里将黄灯和绿灯的时间分别定为8 s和32 s（这样红灯就为40 s），主要是为了便于产生（8=23、32=25）。图中交通灯没有具体画出。

从74LS161的连接关系可以看出，只有当控制信号C1=0时，32 s定时器才能工作；同样，只有当C0=0时，8 s定时器才能工作。因此，可以通过控制信号控制两个定时器的工作。如果不想让某个定时器工作，只要使相应的控制信号为1即可。

根据交通灯控制系统的工作过程可知，两个定时器没有必要同时工作。不需要工作的一个定时器因控制信号为1而一直处于复位状态，当需要其从不工作转为工作时，只需将相应的控制信号从1变为0，即可方便地使定时器从0开始计时，从而简化了定时控制。

4）控制算法与控制状态图

交通灯控制器的ASM图如图11.44所示，ST为控制器发出的状态转换信号。

根据分析和所采用的数据处理器结构，不难得出交通灯控制系统的控制算法：

S0：G1←1‖R0←1‖CLR T8‖→S0if M′； 主绿，支红(www.xing528.com)

图11.44　交通灯控制器ASM图

S1：Y1←1‖R0←1‖CLR T32‖→S1if T′8；　主黄，支红

S2：R1←1‖G0←1‖CLR T8‖→S2if N′；　主红，支绿

S3：R1←1‖Y0←1‖CLR T32‖→S3if T′8︱S0if T8；　主红，支黄

其中，CLR T8和CLR T32分别为将8 s和32 s定时器强行复位，使其停止计数并一直处于0状态。

如前所述，算法中的转换条件M、N与T32和X1、X0有关，若将T32和X1、X0组合为条件M、N，则可以简化算法；如直接以T32和X1、X0为转换条件，算法的语句将较多，且控制也比较麻烦。

现在，推导M、N的表达式。

在S0状态，主干道绿灯，支干道红灯。要想脱离该状态转入主干道黄灯、支干道红灯的S1状态，只有当下列两种情况同时出现（此时M=1）：

（1）支干道有车，即X0=1。

（2）主干道或者无车或者32 s定时时间已到，即X1=0或者T32=1。

因此，M的表达式为：

同样，在S2状态，主干道红灯，支干道绿灯。要想脱离该状态转入主干道红灯、支干道黄灯的S3状态，只有当下列两种情况中至少有一种情况出现（此时N=1）：

（1）支干道无车，即X0=0。

（2）主干道有车且支干道的32 s定时时间已到，即X1=1，T32=1。

因此，N的表达式为：

根据算法画出控制状态图，如图11.45所示。图中同时给出了各个状态下有效的输出控制信号。

图11.45　交通灯控制系统控制状态图

5）控制器的实现

由于状态不多，控制器用硬件方法实现，用74LS161做状态寄存器。

（1）74LS161控制激励表

74LS161控制激励表如表11.7所示。

表11.7　74LS161控制激励表

几点说明：

①由于只有四个状态，因此只需用2位二进制编码，用74LS161的QB和QA端即可。

②凡是维持现态的情况，均使用保持功能。使用预置功能虽然也能实现，但预置控制输入端LD和预置数据输入端B、A均要使用，电路比较复杂。

③S3状态，当T8=1时，次态为S0。一般情况下，这种状态跳转需要使用预置功能才能实现，但此处比较特殊，因为只使用74LS161的QB和QA，在11状态后的下一个计数状态就是00，因此不必使用预置功能，只使用计数功能就可以了。这样，就不必进行预置控制输入端LD和预置数据输入端B、A的连接。

因此，74LS161需要进行特殊控制的只有计数控制端P，使得电路连接大大简化。

（2）激励与控制输出表达式

根据74LS161控制激励表，可写出激励与控制输出表达式：

（3）硬件控制器电路

从上面得到的激励和输出表达式可知，M、N、P用数据选择器实现比较方便，其中M、N用X1、X0作为选择变量，P用状态Si（也就是QBQA）作为选择变量。G1、Y1、G0、Y0用译码器实现比较方便，只需用译码器对QBQA进行译码即可产生这些输出信号。而C1、C0、R1、R0直接从74LS161的Q端输出比较方便。由此得到交通灯控制系统的硬件控制器电路如图11.46所示。

图11.46　交通灯控制系统硬件控制器电路

由于交通灯控制器接上电源时，原则上可以处于任意一个状态，因此，没有必要在加电时进行单独复位。另外，交通灯控制器的时钟频率也比数据处理器的高得多，使控制器查询状态转换条件所需时间与数据处理器的时钟周期相比可以忽略不计。