城乡交通灯控制系统电路设计

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摘要：分析了现代城市交通控制与管理问题的现状，结合城乡交通的实际情况阐述了交通灯控制系统的工作原理，给出了一种简单实用的城市交通灯控制系统的硬件电路设计方案。

    关键词：交通控制  交通灯  时间发生器  定时器

1 引言

随着社会经济的发展，城市交通问题越来越引起人们的关注。人、车、路三者关系的协调，已成为交通管理部门需要解决的重要问题之一。城市交通控制系统是用于城市交通数据监测、交通信号灯控制与交通疏导的计算机综合管理系统，它是现代城市交通监控指挥系统中最重要的组成部分。

随着城市机动车量的不断增加，许多大城市如北京、上海、南京等出现了交通超负荷运行的情况，因此，自80年代后期，这些城市纷纷修建城市高速道路，在高速道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。然而，随着交通量的快速增长和缺乏对高速道路的系统研究和控制，高速道路没有充分发挥出预期的作用。而城市高速道路在构造上的特点，也决定了城市高速道路的交通状况必然受高速道路与普通道路耦合处交通状况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的城市高速道路，缓解主干道与匝道、城区同周边地区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的主要问题。为此，笔者进行了深入的研究，以下就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。

图1

2 交通灯控制系统设计

城市路口交通信号控制系统大体上分为三种类型：定周期的信号机、多时段且具有无电缆协调功能的微电脑型信号机以及联网式自适应多相位智能型信号机。具体采用哪种类型，应根据其应用场合及特点加以确定。其中，第一种类型以其成本低，设计简单，安装及维护方便等特点得到了广泛应用。本文讨论的城乡交通灯控制系统就属于该种类型。该交通灯控制系统主要由时间发生器电路、光电检测电路、控制电路等几个部分组成。其系统原理图如图1所示。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

1.1 时间发生器电路

时间发生器电路由一片74191、时钟脉冲产生电路和几个门电路构成，其中时钟脉冲产生电路如图2所示。时钟脉冲产生电路用一片555定时器业构成多谐振荡器，设计脉冲周期为4s,其计算公式为：T1=(2R2+R1) Cln2=0.7×5.7MΩ×1μF，以此信号作为74191的CP。74191的四个状态输出端QAQBQCQD可用四个门电路进行译码。当QAQBQCQD=0000时，电路输出低电平信号给D触发器和控制电路的IO输入端；而当QAQBQCQD=1000时，电路输出高电平信号给黄灯驱动电路。74191接成减计数工作状态，LD信号由控制电路的O1提供，应将置数输入端A、C接高电平Vcc,B、D端接D触发器的输出端，还可根据D触发器的不同输出状态置入数5和数15。

2.2 控制电路

控制电路主要由单稳态触发器、RC电路和反相器构成、电路如图3所示。该电路有两个输入端和三个输出端。当QAQBQCQD=0000时，输入端IO为低电平，此时信号将直接经O1输出给LD以进行异步置数，因此74191的0000状态持续时间很短暂。输入端I1由光电检测电路的输出信号提供，当有车辆时，输出低电平；无车辆时输出高电平。输出信号O1=I1，而输出信号O2而由I1经反相器、RC电路和一单稳态电路得来。O1的作用是当乡间道无车辆时，保持主干道绿灯亮，乡间道红灯亮。当主干道绿灯变亮并检测到乡间道有车辆（即I1=0）时 ，O2触发单稳态电路并维持主干道绿灯亮66s,即T2 = RCln3=1.1×6MΩ×10μf=66(s)。

图3

    2.3 光电检测电路

光电检测电路由光源和光电三极管构成，该电路可根据需要选择现成产品，如CP850系列的CP851，该器件的光电传感器输距离可达15m。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

2.4 交通灯控制及驱动电路

交通灯控制电路由一个D触发器、一个三输入或门和两个反相器组成，其电路如图3所示。D触发器的作用是在乡间道非常繁忙时，对红绿灯的转换进行控制。三输入端或门的作用是当乡间道无车辆和主干道绿灯刚亮而乡间道就有车通过时维持主干道绿灯亮时间大于60s。

    由于红绿灯的功率较大（十几瓦），一般集成门电路无法驱动，因此需要设计一个特定的驱动电路，该电路可用功率管和高驱动能力的电源构成，具体电路如图4所示。功率管及电源大小可根据交通灯的功率进行计算。电路仿真时，可用一小灯泡直接接在门电路的后面。

3 结束语

根据交通灯控制系统的逻辑电路，笔者采用加拿大交换图像技术有限公司推出的Electronics Work Bench(简称EWB)软件进行了仿真实验[4]。在众多的电路仿真软件中，EWB的工作 界面非常直观。仿真过程中，用光电检测器来模拟现场的各种情况，结果表明，该系统完全可以达到设计要求。