一种利用数字电路设计的简易信号灯

在当今世界，科学与技术日新月异，发明创造比比皆是，使我们的世界焕然一新。随着计算机技术和嵌入式技术的逐步成熟，我们的社会生活加便利，体现在交通、购物等方方面面。如今的智能交通今非昔比，是一个庞大而有序的交智能网络，可以时事监控及反馈一个城市的交通状况，可以同时处理相当庞大的数据量，仿佛一张巨大的神经网络，每个交通信号灯是一个神经元。目前，大部分信号灯采用体积小成本低控制简单的嵌入式技术。

一、信号灯设计要求

当主要道路和分支道路上有车辆时，两者交替通过，主要道路每次需要释放 30 秒，主要道路每次释放 20 秒。每次绿灯变红时，黄灯需要点亮 5 秒钟（原始红灯不会改变）。

二、信号灯设计流程

（一）时钟脉冲信号

时钟脉冲信号由信号发生器产生。由于电路中所需的脉冲信号周期为 1 s，我们选择 1 Hz，5 V 脉冲信号发生器。则正极一端接 CLK 信号另一端接地，如图 1 所示。

图1 脉冲信号

（二）主状态控制模块

主控制电路是系统的核心，其输入信号来自主道路和次级道路定时系统具有进位输出时产生的脉冲。其输出一方面控制主路的状态和次路的状态，另一方面控制定时系统的设置。根据信号的状态，为主要和次要道路计时器设置时间信号，允许计时器以预定间隔操作。主控制电路属于时序逻辑电路，即四种状态：主绿灯亮，支红灯亮，主干道经过 ; 主黄灯亮和支红灯亮，主道路停止通行 ; 主道路红灯亮和支道绿灯亮，次要道路通过; 主路红灯亮和支路黄灯亮，次要道路停止通行。因此， 我们可以用 74 LS163 D 与 74 LS138 D 两片连在一起组成四个状态，通过译码器输出一个进位信号接回 74 LS163 D 的置数端， 实现四个状态的循环转换。74LS163D 与 74LS138D 两片组成的主控电路的连接如图 2 所示。

图2 主控模块

让左 163 计数器的输入 DCBA 接地，并且 EP 和 ET 应连接到高电平以在计数状态下工作。同步清除端子 CR 连接到高电平，输出端子 QA，QB 和 QC 连接到译码器的输入端。右3/8 解码器的四个输出是四个状态 S0，S1，S2 和 S3。S3 再作为同步置数信号接回 163，则 S0、 S1、 S2 和 S3 的状态变化依次是 0111、1011、1101、1110。

（三）信号灯驱动模块

主控制器的四种状态应分别控制主路和支路红灯和黄灯的开启和关闭。让灯光亮为“1”，灯光灭为“0”。

（四）计时器模块

定时器电路是设计的一个非常关键的部分，它可以分为输入和输出两部分。除了脉冲时钟信号之外，输入信号还具有由主控制电路输入的设定信号。输出信号有三部分，它们是主干线和副干线的定时显示电路，设定端开关控制信号和主控制电路的脉冲控制信号。

1.计数器电路

在这部分我们使用两个十进制计数器芯片74LS190D 级联。74 LS190 D 可以实现加法计数和减法计数，由U ^ / D 控制，并在输入端为低电平时加计数。否则，它是减法计数。（CT）^ 是计数控制终端，当它连接到低电平时才工作，（LD）^ 异步置数终端，（RC）^ 是行波时钟输出，CO / BO 是进位 / 位移输出。

2.设定端开关信号和主控制器脉冲信号输出电路

当计数器完成一个状态的计数后，需要产生一个反馈信号来打开置数开关，并使主控器切换到新的状态。由于每次计数状态完成，定时器将具有低电平进位输出经反向后打开置数开关，同时送往主控器切换状态。

3.主控端状态控制的置数信号输入

根据设计要求，当主路灯亮绿灯时，支路红灯亮，计数器需要开始计时 30s 信号，30s 后输出进位信号和主控脉冲信号。主控制电路进入下一个状态，计数器置 5s 信号。在 5s 计数后开始倒计时 5s，输出进位脉冲和主控制脉冲信号。主控制器切换到下一个状态，同时向计数器输入 20s 的设定信号，支道绿灯亮主道为红色。定时器倒计时 20s，20s 后，进位输出发送， 设定的置数开关打开，主控制器接受脉冲切换状态。并送出新的 5s 置数信号，此时，支路的黄灯亮起，主路亮红灯。同时， 向计数器输入 30s 设定信号。此时，主控制器完成状态循环。