基于QuartusⅡ的十字路口交通灯控制电路设计与仿真实现

西安交通大学 黄览小

十字路口车辆通行能否保持较高的效率，将决定城市交通管理水平。本文结合十字路口交通灯控制要求，采用QuartusⅡ实现了交通灯控制电路设计，并对设计效果进行了仿真分析。从仿真结果来看，交通灯控制电路可以在车流量过大时将道路通行时间由60s增加至90s，并在车流量过小时将通行时间由60s减少至30s，因此能够实现十字路口车辆通行量的动态控制。:

引言：伴随着私家车数量的不断增加，城市交通压力日渐增大。而加强十字路口交通灯控制，则能起到缓解城市交通堵塞的重要作用。目前在交通灯控制设计方面，采用传统的设计形式已经无法满足交通灯的动态控制需求。为此，还要引入先进的设计软件，采用QuartusⅡ实现十字路口交通灯控制电路设计与仿真分析，提高十字路口的车辆通行效率。

1.QuartusⅡ概述

在现代电子产品设计方面，主要采用Electronic Design Automation技术，即EDA技术。采用该技术，能够实现对可编程逻辑器件的大规模运用，并通过硬件描述实现系统逻辑表达，然后进行软件开发和实验，最终利用软件完成硬件设计。伴随着科学技术的发展，新的软件工具得到了进一步开发。现阶段，可以采用能够实现现场编程的QuartusⅡ工具。 QuartusⅡ由Altera公司开发，属于综合性CPLD/FPGA开发软件，能够实现原理图、VerilogHDL等各种设计形式的输入，同时能够利用内部综合器以及仿真器完成设计输入和硬件配置。

2.基于QuartusⅡ的十字路口交通灯控制电路设计

2.1 设计要求

设计十字路口交通灯控制电路，目的在于实现交通灯信号的控制。而十字路口由东南方向主干道和西北方向支干道交叉形成，采用的交通灯有黄、绿、红三种，绿灯表示通行，红灯则禁止通行，黄灯为变道提示。在交通灯控制方面，要求使主干道保持长时间绿灯，同时支干道保持长时间红灯。为此，还要使主干道亮绿灯时长为60s，支干道亮绿灯时长15s。在由绿转红的过程中，交通灯中间要变为黄灯，闪烁4s后再变灯，黄灯亮3s，同时对方也变灯。在紧急特殊的情况下，还要根据车流量信号Q大小进行交通灯控制，即通过数控分频完成各方向通行时间的动态调节。在城市地区，上下班为高峰期，容易出现交通不畅状况。想要缓解交通压力，还要对道路的通行时间进行调整。比如在道路通畅的情况下，可以通过延长通行时间减轻周围道路压力。而在道路堵塞的情况下，则要通过缩短通行时间缓解交通压力。

2.2 设计思路

实际进行控制电路设计，应完成数字电路设计。而数字系统由数据子系统和控制子系统构成，需要利用数字技术完成信号处理、传输和控制。其中，控制子系统负责进行命令的发送，数据子系统则要进行命令接收，然后按照命令进行操作。针对数据子系统，控制子系统需要完成状态信息采集，并实现外部输入，从而得到相应控制命令，所以系统控制电路将决定系统操作顺序。在十字路口交通灯控制方面，采用QuartusⅡ软件完成交通灯控制电路设计，可以根据车流量大小实现道路通行时间的调整，在车辆较少时缩短道路通行时间，在车辆较多时延长道路通行时间，达到缓解城市交通拥堵的目的。利用QuartusⅡ，也能对设计出的电路进行仿真，确保电路各项控制功能可以顺利实现。而设计的控制电路应包含脉冲发生器、译码器、计数器、状态控制器等，大致可以划分为时钟电路、状态控制电路、闪烁控制电路和计数电路四部分，能够利用脉冲发生器获得标准时钟信号源，并利用译码器进行控制命令的发送，然后利用驱动电路实现交通灯的输出控制。主控芯片采用Altera公司生产的FPGA芯片，具有响应迅速的特点，可以进行交通灯控制信号的实时输出，完成各方向通行时间动态调节，所以能够使十字路口车辆通行效率得到有效提高。利用传感器，可以实现车流量信号采集，然后经过滤波、放大等处理得到数字信号，传递至控制芯片。根据接收得到的信号，芯片能够实现对计数器计数进制的实时调整，因此可以使红绿灯时长以改变。

2.3 电路设计

2.3.1 时钟电路设计

设计时钟电路，可以为交通灯状态控制提供时钟信号，需要产生稳定的脉冲信号，作为整个控制电路输入。在实际进行时钟电路设计时，可以采用自激多谐振荡器，其由LM555CM时基电路构成，为集成定时器。在脉冲输出方面，电路振荡周期满足T≈0.7（R1+2R2）C。在周期为1s的情况下，采用10μF的电容和39kΩ固定电阻，则采用的电位器R2大小约为51kΩ。利用相串联的固定电阻47kΩ和5kΩ电位器，可以通过调节电位器改变电压输出波形。

2.3.2 状态控制电路设计

在交通灯状态控制方面，按照流程，黄灯是给司机的安全提示，表明车辆通行时间结束，绿灯则代表车辆可以通行，红灯则是不能通行。设计状态控制电路，可以根据计数器计数值实现交通灯亮、灭控制。在控制电路处于初始状态时，主干道亮绿灯，支干道亮红灯。想要完成转换，还要利用计数器计数值进行各方向上对应灯的亮、灭控制，在达到计时时间后使状态控制器实现状态的自动跳转。即M为“0”时，交通灯正常工作，主干道交通灯绿灯亮，经过60s，S由100010变为1000001，亮黄灯，持续3s后变为010100，亮红灯，持续15s后变为100010，亮绿灯。在M为“1”时，说明道路交通出现了不畅的状况，需要根据Q信号值进行道路通行时间调整。在Q为“0”情况下，说明车流量较小，可以采用30进制计数器，将60s缩短为30s，确保车辆能够快速通行，使道路负担得到减轻。在Q为“1”的情况下，车流量趋于饱和，需要将60s延长至90s，使车辆拥堵得到减少。因此，还要采用60进制计数器满足交通灯正常控制需求，并采用分频器实现分频控制，从而对不同状态下的交通灯进行控制。

2.3.3 计数电路设计

在计数器电路设计上，还要利用两个74910计数器连接成八位计数器，用于实现数字倒计时显示，然后利用74163实现交通灯亮灭转换。74190为十进制同步可逆计数器，能够异步并行置数。将两个74910计数器分别用于个位和十位计时，可以在低电平时进行加计数，并在高电平时实现减计数。在主干道亮绿灯时，计数器可以置显示器一定数值，然后每1s减1进行计数，直至一次工作循环结束。将个位计数器输出段利用与门和十位计数器CLK端连接，则能在个位数减到0时变为9，十位计数器芯片则会实现脉冲输入，然后减1。根据状态控制器输出信号和时钟电路计时时间，计数器可以完成不同输出状态选择，使数码管与交通灯显示对应，从而达到提示交通灯状态的目的。

采用74163计数器进行灯的转换控制，可以完成四位二进计数器的预制，实现禁止、计数、清零、置数等功能，可以通过输入脉冲实现交通灯控制。正常情况下，计数器满60，下个时钟沿将恢复0，然后进行下一轮计数。但是，在检测到M为“1”时，计数器会暂停工作，并实现复位清零，然后根据Q的值利用分频器完成计数进制修改，达到分频控制的目的。直至M重新回复到“0”，计数器才会恢复60进制，交通灯亮、灭也会恢复原本的状态。

2.3.4 闪烁电路设计

在绿灯闪烁控制上，只有在道路通行时间不超出3s时，交通灯才会持续闪烁，通过提示保证车辆能够安全通行。74163在实现数值输出时，在输出值小于3时，QC、QD输出为0，需要利用或非门电路实现高电压输出，使之与脉冲信号相减，得到3s连续脉冲。脉冲通过与绿灯电路结合，则能实现3s闪烁。

3.基于QuartusⅡ的十字路口交通灯控制仿真实现

为确定十字路口交通灯控制电路设计效果，还要利用QuartusⅡ实现控制电路的仿真分析，实现电路输出控制的进一步调整。电路采用的控制芯片为EP1C6Q240C8，还要利用QuartusⅡ7.2软件实现输出测试，确定电路板上信号灯变化情况。在实际进行仿真分析时，还要利用QuartusⅡ完成工程文件编译、引脚锁定和仿真，然后进行外围电路和输入CLK的连接，利用JTAG端口完成程序下载和测试。从仿真结果来看，在主干道绿灯亮时，一旦检测发现车流量超出了设定值1的情况下，道路通行时间就由原本60s提高至90s。而在检测发现车流量小于设定值0的情况下，道路通行时间由60s缩短至30s。在车流量正常的情况下，主干道则保持60s的通行时间。此外，绿灯在通行时间≤3s时开始闪烁，黄灯亮时间可以达到4s。由此可见，设计的控制电路能够实现对十字路口交通灯的准确控制，并且可以根据各方向的交通情况实现通行时间的动态调节，因此能够使十字路口车辆通行效率得到提高。

4.结论

通过研究可以发现，采用QuartusⅡ软件进行交通灯控制电路设计，可以根据十字路口车流量情况实现道路通行时间动态控制，并通过仿真分析确定控制效果，所以能够满足交通灯控制设计要求。在城市道路交通管理方面，采用该种方法实现交通灯的控制管理，则能有效预防交通不畅，使城市道路资源得到最大化利用。但是在日常交通管制工作中，十字路口的位置时常会发生紧急或特殊情况，如何实现交通灯的特殊处理依然是值得思考的难题，因此还应实现对该问题的深入研究，以便更好的满足城市交通的管理需求。