城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：交通控制 交通燈 時(shí)間發(fā)生器 定時(shí)器

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市交通問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。人、車(chē)、路三者關(guān)系的協(xié)調(diào)，已成為交通管理部門(mén)需要解決的重要問(wèn)題之一。城市交通控制系統(tǒng)是用于城市交通數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、交通信號(hào)燈控制與交通疏導(dǎo)的計(jì)算機(jī)綜合管理系統(tǒng)，它是現(xiàn)代城市交通監(jiān)控指揮系統(tǒng)中最重要的組成部分。

隨著城市機(jī)動(dòng)車(chē)量的不斷增加，許多大城市如北京、上海、南京等出現(xiàn)了交通超負(fù)荷運(yùn)行的情況，因此，自80年代后期，這些城市紛紛修建城市高速道路，在高速道路建設(shè)完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通量的快速增長(zhǎng)和缺乏對(duì)高速道路的系統(tǒng)研究和控制，高速道路沒(méi)有充分發(fā)揮出預(yù)期的作用。而城市高速道路在構(gòu)造上的特點(diǎn)，也決定了城市高速道路的交通狀況必然受高速道路與普通道路耦合處交通狀況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費(fèi)巨資修建的城市高速道路，緩解主干道與匝道、城區(qū)同周邊地區(qū)的交通擁堵?tīng)顩r，越來(lái)越成為交通運(yùn)輸管理和城市規(guī)劃部門(mén)亟待解決的主要問(wèn)題。為此，筆者進(jìn)行了深入的研究，以下就城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)的電路原理、設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)調(diào)試等問(wèn)題來(lái)進(jìn)行具體分析討論。

圖1

2 交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市路口交通信號(hào)控制系統(tǒng)大體上分為三種類(lèi)型：定周期的信號(hào)機(jī)、多時(shí)段且具有無(wú)電纜協(xié)調(diào)功能的微電腦型信號(hào)機(jī)以及聯(lián)網(wǎng)式自適應(yīng)多相位智能型信號(hào)機(jī)。具體采用哪種類(lèi)型，應(yīng)根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)合及特點(diǎn)加以確定。其中，第一種類(lèi)型以其成本低，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安裝及維護(hù)方便等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。本文討論的城鄉(xiāng)交通燈控制系統(tǒng)就屬于該種類(lèi)型。該交通燈控制系統(tǒng)主要由時(shí)間發(fā)生器電路、光電檢測(cè)電路、控制電路等幾個(gè)部分組成。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1.1 時(shí)間發(fā)生器電路

時(shí)間發(fā)生器電路由一片74191、時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路和幾個(gè)門(mén)電路構(gòu)成，其中時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路如圖2所示。時(shí)鐘脈沖產(chǎn)生電路用一片555定時(shí)器業(yè)構(gòu)成多諧振蕩器，設(shè)計(jì)脈沖周期為4s,其計(jì)算公式為：T1=(2R2+R1) Cln2=0.75.7MΩ1μF，以此信號(hào)作為74191的CP。74191的四個(gè)狀態(tài)輸出端QAQBQCQD可用四個(gè)門(mén)電路進(jìn)行譯碼。當(dāng)QAQBQCQD=0000時(shí)，電路輸出低電平信號(hào)給D觸發(fā)器和控制電路的IO輸入端；而當(dāng)QAQBQCQD=1000時(shí)，電路輸出高電平信號(hào)給黃燈驅(qū)動(dòng)電路。74191接成減計(jì)數(shù)工作狀態(tài)，LD信號(hào)由控制電路的O1提供，應(yīng)將置數(shù)輸入端A、C接高電平Vcc,B、D端接D觸發(fā)器的輸出端，還可根據(jù)D觸發(fā)器的不同輸出狀態(tài)置入數(shù)5和數(shù)15。

2.2 控制電路

控制電路主要由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、RC電路和反相器構(gòu)成、電路如圖3所示。該電路有兩個(gè)輸入端和三個(gè)輸出端。當(dāng)QAQBQCQD=0000時(shí)，輸入端IO為低電平，此時(shí)信號(hào)將直接經(jīng)O1輸出給LD以進(jìn)行異步置數(shù)，因此74191的0000狀態(tài)持續(xù)時(shí)間很短暫。輸入端I1由光電檢測(cè)電路的輸出信號(hào)提供，當(dāng)有車(chē)輛時(shí)，輸出低電平；無(wú)車(chē)輛時(shí)輸出高電平。輸出信號(hào)O1=I1，而輸出信號(hào)O2而由I1經(jīng)反相器、RC電路和一單穩(wěn)態(tài)電路得來(lái)。O1的作用是當(dāng)鄉(xiāng)間道無(wú)車(chē)輛時(shí)，保持主干道綠燈亮，鄉(xiāng)間道紅燈亮。當(dāng)主干道綠燈變亮并檢測(cè)到鄉(xiāng)間道有車(chē)輛（即I1=0）時(shí) ，O2觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路并維持主干道綠燈亮66s,即T2 = RCln3=1.16MΩ10μf=66(s)。

圖3

2.3 光電檢測(cè)電路

光電檢測(cè)電路由光源和光電三極管構(gòu)成，該電路可根據(jù)需要選擇現(xiàn)成產(chǎn)品，如CP850系列的CP851，該器件的光電傳感器輸距離可達(dá)15m。

2.4 交通燈控制及驅(qū)動(dòng)電路

交通燈控制電路由一個(gè)D觸發(fā)器、一個(gè)三輸入或門(mén)和兩個(gè)反相器組成，其電路如圖3所示。D觸發(fā)器的作用是在鄉(xiāng)間道非常繁忙時(shí)，對(duì)紅綠燈的轉(zhuǎn)換進(jìn)行控制。三輸入端或門(mén)的作用是當(dāng)鄉(xiāng)間道無(wú)車(chē)輛和主干道綠燈剛亮而鄉(xiāng)間道就有車(chē)通過(guò)時(shí)維持主干道綠燈亮?xí)r間大于60s。

由于紅綠燈的功率較大（十幾瓦），一般集成門(mén)電路無(wú)法驅(qū)動(dòng)，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)特定的驅(qū)動(dòng)電路，該電路可用功率管和高驅(qū)動(dòng)能力的電源構(gòu)成，具體電路如圖4所示。功率管及電源大小可根據(jù)交通燈的功率進(jìn)行計(jì)算。電路仿真時(shí)，可用一小燈泡直接接在門(mén)電路的后面。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)交通燈控制系統(tǒng)的邏輯電路，筆者采用加拿大交換圖像技術(shù)有限公司推出的Electronics Work Bench(簡(jiǎn)稱(chēng)EWB)軟件進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)[4]。在眾多的電路仿真軟件中，EWB的工作 界面非常直觀。仿真過(guò)程中，用光電檢測(cè)器來(lái)模擬現(xiàn)場(chǎng)的各種情況，結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。