城市交通信号控制系统的设计

第6章城市交通信号控制系统的设计

第6章城市交通信号控制系统的设计
6.1 设计任务
6.2 设计方案论证 6.3 以标准数字集成电路为核心的实现方案 6.4 基于双MCU的交通信号控制系统 6.5 基于CPLD的交通信号控制系统

第6章城市交通信号控制系统的设计

6.1 设计任务
针对城市道路十字交叉路口，设计一个交通信号灯控制系统，具体要求如下: (1) 主干道通车时间1~99 s，可任意设置。 (2) 次干道通车时间1~99 s，可任意设置。 (3) 黄灯亮时间1~9 s，可任意设置。

(4) 采用倒计时的方式，用两位十进制数字显示红、绿、黄色信号灯亮的倒计时时间。
(5) 其他功能。

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6.2 设计方案论证
6.2.1 十字路口交通信号简介 十字路口的红绿灯指挥着行人和各种车辆的安全运行，实现红绿灯的自动指挥是城市交通管理自动化的重

要课题。一般说来，十字路口处的两条相互交叉的道路
是有主次之分的。其中一条道路平时车流量较大，称为主干道；而另一条道路平时车流量较小，称为次干道。

十字路口交通信号灯控制系统应考虑十字路口主、次干
道车流量不同的特点，并且能根据车流量发生变化的实际情况，很方便地更改主、次干道的通车时间。

第6章城市交通信号控制系统的设计 有一条主干道和一条次干道的城市道路交叉路口如图 6.1所示。每边（共四边）都设置红、绿、黄色信号灯。红灯亮表示禁止通行；绿灯亮表示可以通行；在绿灯亮转变为红灯亮之前，先要求黄灯亮几秒钟，以便让交叉路口停车线以外的车辆停止运行，而使交叉路口停车线以内的车辆快速通过交叉路口。每一边的红、绿、黄色信号灯亮的顺序是红→绿→黄→红→绿→黄……。主干道红灯亮时，对应次干道的绿灯亮、黄灯亮；主干道绿灯亮、黄灯亮时，对应次干道的红灯亮。这样就要求主干道红灯亮的时间，应等于次干道绿灯亮的时间与次干道黄灯亮的时间之和；同理，次干道红灯亮的时间，应等于主干道绿灯亮的时间与主干道黄灯亮的时间之和。

第6章城市交通信号控制系统的设计 有的时候，红、绿、黄色信号灯亮的时间要求采用倒计时的方式，并用十进制数字显示出来，以便机动车司机和行人一目了然、心中有数。

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主干道红黄绿

红黄绿

次干道

图6.1 交叉路口信号灯示意图

第6章城市交通信号控制系统的设计 6.2.2 不同设计方案的简单介绍 要实现上述城市道路交叉路口信号灯的自动控制，则要求交通信号控制

系统由控制器，倒计时器，倒计时时间数字显示部分，红、绿、黄信号灯等几个部分组成，其构成原理方框图如图6.2所示。图中有向线段的箭头表示信号流向。

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倒计时时间数字显示部分

主干道通车倒计时器

主干道黄灯亮倒计时器

次干道通车倒计时器

次干道黄灯亮倒计时器

主干道绿、黄、红灯

控制器

次干道绿、黄、红灯

图6.2 交通信号控制系统构成原理方框图

第6章城市交通信号控制系统的设计 倒计时器用于对秒脉冲的计数，完成计时任务，向控制器发出相应的定时信号，控制主干道和次干道的通车时间、禁止通行时间和黄灯亮的时间。 控制器根据倒计时器送来的信号，保持或改变系统的状态，以实现对主、次干道车辆运行状态的控制。

 同时，控制器对倒计时时间数字显示部分进行控制，
使得数码管显示器能以两位十进制数字显示红、绿、黄色信号灯亮的倒计时时间。

根据上面的分析，完成设计任务的实现方案大致
可以归纳为以下三种。

第6章城市交通信号控制系统的设计 1. 以标准数字集成电路为核心的实现方案 用标准数字集成电路实现交通信号控制系统的设

计是比较容易的，虽然所设计的电路比较复杂，但是
人们不难找到已有的设计方案作为参考。图6.2中的倒计时器可以用十进制减法计数器构成；控制器可以用

触发器或其他功能的常规数字集成电路芯片来进行设
计；倒计时时间数字显示部分也要用到减法计数器，还要用到显示译码器等标准数字集成电路芯片。

第6章城市交通信号控制系统的设计 2. 以MCU为核心的实现方案 用单片机实现交通信号控制系统的设计相对而言是

最容易的。因为交通信号灯控制系统就是要根据计时的
情况，实现对交通信号灯的控制，并要用十进制数字显示倒计时时间，而单片机最适宜用来对物理对象进行控

制，通过单片机软件编程，很容易实现对交通信号灯的
控制和对LED数码管的显示控制。但是，单片机应用系统具有抗干扰性差的缺点，而对交通信号灯控制系统工

作可靠性的要求是很高的，所以，必须采取有效措施，
提高单片机应用系统的可靠性。一般应该综合采用软、硬件抗干扰措施，才能获得好的抗干扰效果。 

第6章城市交通信号控制系统的设计 3. 以CPLD为核心的实现方案 运用 EDA 技术实现电子系统的设计特别是数字电子系统的设计，是现代电子技术发展的趋势。CPLD芯片内部的电路功能可以通过标准硬件描述语言进

行设计，而且整个设计过程都是在通用计算机的帮助下完

成的，从而使得以CPLD为核心的方案容易实现、容易
修改、容易保存，因此，无论是在系统的工作可靠性方面，还是在系统的成本、系统的运行速度、系统结

构的简易程度等方面，以CPLD为核心的实现方案具有
一定的技术先进性，而且最后能得到比较满意的设计结果。

第6章城市交通信号控制系统的设计 以上三种实现方案各自的特点有所不同，采用的技术手段也有很大区别。但是，因为设计任务本身不是很难，而这三种实现方案作为学生学习电子系统设计的简单实例是比较好的（如作为电子技术课程设计题使用），所以，下面我们将对这三种实现方案都作详细的介绍。

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6.3 以标准数字集成电路为核心的实现方案
6.3.1 十字路口交通信号控制系统电路的设计 图6.3是十字路口交通信号控制系统电路原理图。为了简便起见，在图6.3中没有画出“倒计时时间数字显示

部分” ，该部分电路如图6.4所示，稍后说明之。
在图6.3中，IC1、IC2组成“主干道通车倒计时器” ； IC3组成“主干道黄灯亮倒计时器” ；IC4、IC5组成“次

干道通车倒计时器” ； IC6 组成“次干道黄灯亮倒计时
器” ；IC7、IC8、IC9组成“控制器” ；LED1~LED6表示“主、次干道的绿、黄、红灯” 。

第6章城市交通信号控制系统的设计 上面所述4个“倒计时器”都是由十进制可逆计数器 74LS192 组成的，现以“主干道通车倒计时器”为例进行说明。IC1、IC2级联，组成减法计数器，秒脉冲从IC2 的第 4 脚输入。当LD=0 时，由 IC1 、IC2 组成的减法计数器处于预置数功能状态，可编程的预置数由 8421BCD码拨盘开关SW1、 SW2产生。例如，要求主干道通车时间为 89 s ，则只要将 SW1 拨到8 ，将SW2 拨到 9 就可以了。当LD=1时，由IC1、IC2组成的减法计数器处于减法计数功能状态，在秒脉冲的作用下，从89开始每秒钟减1，当减到 00 时，IC1 的第12脚产生借位负脉冲 Qcb=0，此负脉冲送到由IC7、IC8、IC9组成的“控制器”，使得“控制器”的状态发生改变。

第6章城市交通信号控制系统的设计 其他“倒计时器”的工作过程与“主干道通车倒计时器”类似。SW3、SW4用来预置次干道通车时间；SW5 用来预置主、次干道黄灯亮的时间。由图 6.3 可知，主、次干道黄灯亮的时间是相同的。 “控制器”主要由 IC7组成。“控制器”中的IC7 是 CMOS数字集成电路（型号为CD4017），是十进制计数 / 脉冲分配器。在任何时刻，IC7的输出Y0~Y4总是有且仅有一个为逻辑 1 。当 Y0=1 、 Y1=Y2=Y3=Y

4=0 时，“主干道通车倒计时器”进行减法计数，当计数到00时，“主干道通车倒计时器”产生的借位负脉冲送到与非门 IC8（型号为74LS20），由IC8产生正脉冲送到IC7，使IC7的状态改变为Y1=1、Y0=Y2=Y3=Y4=0。

第6章城市交通信号控制系统的设计 这时，“主干道通车倒计时器”处于预置数功能状态，而“主干道黄灯亮倒计时器”IC3开始作减法计

数。当“次干道黄灯亮倒计时器” IC6减计数到0时，
IC7 的状态改变为 Y0=Y1=Y2=Y3=0 、 Y4=1 ，因为 IC7 的输出端Y4接清零端Cr，所以这时IC7处于清零功能状态，则IC7的状态立即又变为Y0=1、Y1=Y2=Y3=Y4=0。由此可知，IC7是循环工作的。 

第6章城市交通信号控制系统的设计 “控制器”中的或门IC9（型号为74LS32），用来产生红色信号灯的控制信号。例如，主干道的红色信号灯LED1 的控制信号是 X1 ，在 X1=1 时 LED1 亮。而 X1=Y2+Y3 ，由此可知，当次干道的绿灯亮或次干道的黄灯亮时，主干道的红色信号灯 LED1 也亮。次干道的红色信号灯 LED6的控

制信号是X2，X2=Y0+Y1，这样，当主干道的绿灯亮或主
干道的黄灯亮时，次干道的红色信号灯LED6也亮。 在图 6.3 中，用发光二极管 LED1~LED6 模拟交通信号

灯，而实际中的交通信号灯可能是交流大功率高亮度灯泡
或者是发光二极管阵列，只要给TTL集成电路（IC9，型号为74LS32）增加相应的驱动电路就可满足实际要求。

第6章城市交通信号控制系统的设计 6.3.2 倒计时时间数字显示电路的设计要点 图6.4是倒计时时间数字显示部分，其左、右两半部分分别是主、次干道倒计时时间数字显示电路，从电路结构上来看，左、右两半部分具有对称性。下面以主干道倒计时时间数字显示电路为例，进行简要说明。 在图6.3 的基础上，倒计时时间数字显示电路的设计主要解决两个问题:一是用两个十进制数字分时显示红、绿、黄色信号灯亮的时间，即分时显示的问题；二是对红色信号灯亮的时间实现倒计时，即红色信号灯亮的倒计时问题。