一種利用數字電路設計的簡易信號燈

在當今世界，科學與技術日新月異，發明創造比比皆是，使我們的世界煥然一新。隨著計算機技術和嵌入式技術的逐步成熟，我們的社會生活加便利，體現在交通、購物等方方面面。如今的智能交通今非昔比，是一個龐大而有序的交智能網絡，可以時事監控及反饋一個城市的交通狀況，可以同時處理相當龐大的數據量，仿佛一張巨大的神經網絡，每個交通信號燈是一個神經元。目前，大部分信號燈采用體積小成本低控制簡單的嵌入式技術。

一、信號燈設計要求

當主要道路和分支道路上有車輛時，兩者交替通過，主要道路每次需要釋放 30 秒，主要道路每次釋放 20 秒。每次綠燈變紅時，黃燈需要點亮 5 秒鐘（原始紅燈不會改變）。

二、信號燈設計流程

（一）時鐘脈沖信號

時鐘脈沖信號由信號發生器產生。由于電路中所需的脈沖信號周期為 1 s，我們選擇 1 Hz，5 V 脈沖信號發生器。則正極一端接 CLK 信號另一端接地，如圖 1 所示。

圖1 脈沖信號

（二）主狀態控制模塊

主控制電路是系統的核心，其輸入信號來自主道路和次級道路定時系統具有進位輸出時產生的脈沖。其輸出一方面控制主路的狀態和次路的狀態，另一方面控制定時系統的設置。根據信號的狀態，為主要和次要道路計時器設置時間信號，允許計時器以預定間隔操作。主控制電路屬于時序邏輯電路，即四種狀態：主綠燈亮，支紅燈亮，主干道經過 ; 主黃燈亮和支紅燈亮，主道路停止通行 ; 主道路紅燈亮和支道綠燈亮，次要道路通過; 主路紅燈亮和支路黃燈亮，次要道路停止通行。因此， 我們可以用 74 LS163 D 與 74 LS138 D 兩片連在一起組成四個狀態，通過譯碼器輸出一個進位信號接回 74 LS163 D 的置數端， 實現四個狀態的循環轉換。74LS163D 與 74LS138D 兩片組成的主控電路的連接如圖 2 所示。

圖2 主控模塊

讓左 163 計數器的輸入 DCBA 接地，并且 EP 和 ET 應連接到高電平以在計數狀態下工作。同步清除端子 CR 連接到高電平，輸出端子 QA，QB 和 QC 連接到譯碼器的輸入端。右3/8 解碼器的四個輸出是四個狀態 S0，S1，S2 和 S3。S3 再作為同步置數信號接回 163，則 S0、 S1、 S2 和 S3 的狀態變化依次是 0111、1011、1101、1110。

（三）信號燈驅動模塊

主控制器的四種狀態應分別控制主路和支路紅燈和黃燈的開啟和關閉。讓燈光亮為“1”，燈光滅為“0”。

（四）計時器模塊

定時器電路是設計的一個非常關鍵的部分，它可以分為輸入和輸出兩部分。除了脈沖時鐘信號之外，輸入信號還具有由主控制電路輸入的設定信號。輸出信號有三部分，它們是主干線和副干線的定時顯示電路，設定端開關控制信號和主控制電路的脈沖控制信號。

1.計數器電路

在這部分我們使用兩個十進制計數器芯片74LS190D 級聯。74 LS190 D 可以實現加法計數和減法計數，由U ^ / D 控制，并在輸入端為低電平時加計數。否則，它是減法計數。（CT）^ 是計數控制終端，當它連接到低電平時才工作，（LD）^ 異步置數終端，（RC）^ 是行波時鐘輸出，CO / BO 是進位 / 位移輸出。

2.設定端開關信號和主控制器脈沖信號輸出電路

當計數器完成一個狀態的計數后，需要產生一個反饋信號來打開置數開關，并使主控器切換到新的狀態。由于每次計數狀態完成，定時器將具有低電平進位輸出經反向后打開置數開關，同時送往主控器切換狀態。

3.主控端狀態控制的置數信號輸入

根據設計要求，當主路燈亮綠燈時，支路紅燈亮，計數器需要開始計時 30s 信號，30s 后輸出進位信號和主控脈沖信號。主控制電路進入下一個狀態，計數器置 5s 信號。在 5s 計數后開始倒計時 5s，輸出進位脈沖和主控制脈沖信號。主控制器切換到下一個狀態，同時向計數器輸入 20s 的設定信號，支道綠燈亮主道為紅色。定時器倒計時 20s，20s 后，進位輸出發送， 設定的置數開關打開，主控制器接受脈沖切換狀態。并送出新的 5s 置數信號，此時，支路的黃燈亮起，主路亮紅燈。同時， 向計數器輸入 30s 設定信號。此時，主控制器完成狀態循環。