Opole, dn. 21 maja 2005
Politechnika Opolska
Wydział Elektrotechniki i Automatyki
Kierunek: Informatyka
Projekt Układów Logicznych
Temat:
Sterownik drogowej sygnalizacji świetlnej
Autor: Dawid Najgiebauer
Piotr Nitner
Informatyka, rok 2004/05, sem. III,
grupa lab. 7 (Pt. g. 17.15)
Prowadzący: prof. dr hab. inż. T. Skubis
Ocena: ................................................
Uwagi: .................................................
O P O L E 2 0 0 4
 Spisy 2
1. Spisy
1.1. Spis treści
1. Spisy..................................................................................................................................................................... 2
1.1. Spis treści.................................................................................................................................................... 2
1.2. Spis ilustracji i schematów ......................................................................................................................... 2
1.3. Spis tabel..................................................................................................................................................... 3
1.4. Spis równań ................................................................................................................................................ 3
1.5. Spis zawartości załączonej płyty CD.......................................................................................................... 4
2. Temat projektu ..................................................................................................................................................... 5
3. Podstawy teoretyczne i przeznaczenie układu...................................................................................................... 6
4. Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie ................................................................................. 7
4.1. Projektowanie kombinacji torów ruchu na skrzyżowaniu .......................................................................... 7
4.2. Zegary taktujÄ…ce........................................................................................................................................ 11
4.3. Licznik...................................................................................................................................................... 12
4.4. Logika skrócenia fazy i pominięć fazy ..................................................................................................... 13
4.5. Realizacja pominięć cyklu  opóz
nienia w ustawianiu stanu wyjściowego; minimalny czas trwania fazy;
przerzutnik ............................................................................................................................................................... 15
4.6. Całościowy układ zmiany faz ................................................................................................................... 15
4.7. Realizacja funkcji ..................................................................................................................................... 16
4.8. Maksymalny pobierany prÄ…d przez urzÄ…dzenie sterujÄ…ce.......................................................................... 20
5. Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych.......................................................................... 22
5.1. Schemat ideowy urzÄ…dzenia...................................................................................................................... 22
5.2. Projekt płytki drukowanej urządzenia ...................................................................................................... 24
5.3. Symulacja działania urządzenia................................................................................................................ 28
6. Zastosowane elementy ....................................................................................................................................... 35
7. Wykaz literatury................................................................................................................................................. 36
7.1. Zasoby biblioteczne i czasopiśmiennicze ................................................................................................. 36
7.2. Zasoby internetowe................................................................................................................................... 36
1.2. Spis ilustracji i schematów
Rysunek 2.1. Plan skrzyżowania ulic Horoszkiewicza i Ozimskiej w Opolu ................................................................. 5
Rysunek 4.1. Podział skrzyżowania na tory ruchu. ....................................................................................................... 7
Rysunek 4.2. Program do symulowania natężenia ruchu oraz sygnalizacji świetlnej na badanym skrzyżowaniu........ 8
Rysunek 4.3. Poszczególne fazy cyklu w odpowiedniej kolejności. ............................................................................. 11
Rysunek 4.4. Aplikacja układu 555. ............................................................................................................................ 12
Rysunek 4.5. Aplikacja licznika 7493 jako licznika 3-bitowego.................................................................................. 13
Rysunek 4.6. Układ symulujący zajętość dróg na podstawie zajętości przejść dla pieszych....................................... 14
Rysunek 4.7. Schemat połączeń multipleksera serii  151 w celu zrealizowania żądanej funkcji. ............................... 15
Rysunek 4.8. Schemat blokowy układu sterującego fazami na skrzyżowaniu. ............................................................ 16
Rysunek 4.9. Siatka Karnaugha dla funkcji D1........................................................................................................... 17
Rysunek 4.10. Siatka Karnaugha dla funkcji D2......................................................................................................... 17
Rysunek 4.11. Siatka Karnaugha dla funkcji D3......................................................................................................... 17
Rysunek 4.12. Siatka Karnaugha dla funkcji D4......................................................................................................... 17
Rysunek 4.13. Siatka Karnaugha dla funkcji D5......................................................................................................... 18
Rysunek 4.14. Siatka Karnaugha dla funkcji D6......................................................................................................... 18
Rysunek 4.15. Schemat połączeń bramek logicznych do realizacji funkcji. ................................................................ 20
 Spisy 3
Rysunek 5.1. Schemat ideowy układu.......................................................................................................................... 23
Rysunek 5.2. Poglądowy obraz płytki drukowanej części cyfrowej urządzenia (skala nie jest zachowana). .............. 25
Rysunek 5.3. Projekt płytki drukowanej urządzenia  część wierzchnia, skala 1:1. .................................................. 26
Rysunek 5.4. Projekt płytki drukowanej urządzenia  część spodnia, skala 1:1. ....................................................... 27
Rysunek 5.5. Schemat użyty do symulacji układu w programie Electronics Workbench. ........................................... 29
Rysunek 5.6. Wykresy urzÄ…dzenia "Logic Analizer" programu Electronic Workbench podczas symulacji statycznej.31
Rysunek 5.7. Wykresy urzÄ…dzenia "Logic Analizer" programu Electronic Workbench podczas symulacji dynamicznej.
..................................................................................................................................................................................... 32
Rysunek 5.8. Zachowanie układu podczas pustego skrzyżowania i pojawienia się pieszego...................................... 33
1.3. Spis tabel
Tabela 4.1. Symulowanie zajętości drogi w celu umożliwienia przekroczenia wybranego przejścia dla pieszych...... 13
Tabela 4.2. Warunek pominięcia lub skrócenia fazy, jeśli już występuje..................................................................... 14
Tabela 4.3. Funkcje dla poszczególnych torów ruchu ................................................................................................. 16
Tabela 4.4. Teoretyczne maksymalne prÄ…dy na elementach urzÄ…dzenia...................................................................... 21
Tabela 5.1. Znaczenie przełączników w układzie symulacji......................................................................................... 28
Tabela 5.2. Wyniki symulacji statycznej....................................................................................................................... 30
Tabela 5.3. Wyniki symulacji dynamicznej symulujÄ…cej ruch. ..................................................................................... 31
Tabela 6.1. Spis elementów zastosowanych do wykonania urządzenia. ...................................................................... 35
1.4. Spis równań
Równanie 4.1. Wzór na czas trwania okresu w generatorze 555................................................................................. 12
Równanie 4.2. Wzór na czas trwania fazy wysokiej generatora 555........................................................................... 12
Równanie 4.3. Wzór na czas trwania fazy niksiej generatora 555. ............................................................................. 12
Równanie 4.4. Równanie funkcji D1............................................................................................................................ 17
Równanie 4.5. Równanie funkcji D2............................................................................................................................ 17
Równanie 4.6. Równanie funkcji D3............................................................................................................................ 17
Równanie 4.7. Równanie funkcji D4............................................................................................................................ 17
Równanie 4.8. Równanie funkcji D5............................................................................................................................ 18
Równanie 4.9. Równanie funkcji D6............................................................................................................................ 18
Równanie 4.10. Równania funkcji przejść dla pieszych P1-P6. .................................................................................. 18
Równanie 4.11. Równania funkcji po optymalizacji i wyłączeniu wspólnych czynników............................................ 18
Równanie 4.12. Równania funkcji D1 i D4 po wydzieleniu wspólnego czynnika........................................................ 19
 Spisy 4
1.5. Spis zawartości załączonej płyty CD
Katalog/plik Opis
docs\
Katalog z wersjami elektronicznymi w formacie Word i
Adobe Aprobat (PDF) tego dokumentu
projekt\krzyzowka.sch
Schemat części cyfrowej symulatora w formacie
programu Eagle
projekt\krzyzowka.brd
Projekt płytki części cyfrowej symulatora w formacie
programu Eagle
projekt\krzyzowka.ewb
Schemat całego symulatora wykorzystany do symulacji
działania układu w formacie programu Electronics
Workbench
projekt\krzyzowka.exe
Program do symulacji natężenia ruchu na badanym
skrzyżowaniu
projekt\img\
Katalog z obrazami w formacie PNG projektów płytek
drukowanych oraz schematów do nich
programy\eagle-4.01e.exe
Program Eagle 4.01 wykorzystany do zaprojektowania
schematów oraz płytek drukowanych dla układu (wersja
instalacyjna)
programy\license.key
Plik z kluczem licencyjnym dla studenckiej wersji
programu Eagle  zapewnia poprawne i pełne działanie
programu
programy\EWB.exe
Program Electronics Workbench 5.12 wykorzystany do
symulacji działania układu (wersja nieinstalacyjna 
samorozpakowywujÄ…ce siÄ™ archiwum z programem)
 Temat projektu 5
2. Temat projektu
Zaprojektować układ do sterowania drogową sygnalizacją świetlną na skrzyżowaniu ulic Horoszkiewicza i
Ozimskiej w Opolu. Sterowanie ma odbywać się w sposób inteligentny, w zależności od natężenia ruchu
samochodów oraz pieszych.
ul. Ozimska
Rysunek 2.1. Plan skrzyżowania ulic Horoszkiewicza i Ozimskiej w Opolu
ul. Horoszkiewicza
 Podstawy teoretyczne i przeznaczenie układu 6
3. Podstawy teoretyczne i przeznaczenie układu
Układ ma służyć do sterowania drogową sygnalizacją świetlną wyposażoną w czujniki obecności pojazdów dla dróg
oraz przyciski dla pieszych na przejściach. Układ ma działać w sposób inteligentny.
Cały problem dzieli się zasadniczo na kilka części:
1. Należy zaprojektować kilka różnych kombinacji otwartych torów ruchu (tj. na których występuje sygnał
zielony) tak, aby:
a. Umożliwić zarówno pieszym na wszystkich przejściach jak i pojazdom na wszystkich drogach
ruch w zamierzonym kierunku w przeciągu całego cyklu zmiany świateł
b. Otwarte tory ruchu dla pojazdów nie kolidowały ze sobą ani z ruchem pieszych
2. Zapewnić cykliczną zmianę z określonym maksymalnym czasem trwania fazy kolejnych zaprojektowanych
wcześniej sekwencji.
3. Należy uwzględnić sytuacje, które usprawnią ruch na skrzyżowaniu, poprzez:
a. Pominięcie fazy, w którym otwarty zostałby tor, na którym nie znajduje się żaden pojazd
b. Skrócenie czasu trwania bieżącej fazy, jeśli na otwartym torze ruchu nie znajduje się już żaden
pojazd
c. Wymuszenie takiej fazy, która umożliwi przejście pieszemu przez drogę po naciśnięciu
odpowiedniego przycisku znajdującego się przy przejściu dla pieszych
d. Zapewnienie bezpiecznego opuszczenia skrzyżowania przez pieszego (zapewnienie minimalnego
czasu trwania danej fazy).
Cały układ zasilany będzie z przystosowanego do tego celu zasilacza podłączonego pod sieć energetyczną.
Układ nie steruje bezpośrednio czujnikami (lub przyciskami dla pieszych) ani sygnalizacją świetlną. Wejściami
układów będą stany czujników pojazdów (stan  1 oznacza, że na danej drodze znajduje się pojazd) oraz przycisków
przy przejściach dla pieszych (stan  1 oznacza, że przycisk został wciśnięty; wystąpienie sygnału zielonego dla
danego ruchu pieszych powinno resetować zapamiętany stan przyciśnięcia przycisku). Na wyjściu układów będą
dwie linie oznaczające: dla linii pierwszej  0  sygnał czerwony,  1  sygnał zielony; dla linii drugiej  1  stan
normalny,  0  wymuszenie przełączenia sygnalizacji w stan awaryjny (sygnał żółty migający). Sygnał na drugiej
linii ma priorytetowe znaczenie. Za sekwencję zmiany światła z zielonego na czerwone oraz z czerwonego na
zielone a także wyświetlania sygnału awaryjnego odpowiadać będzie zewnętrzny układ.
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 7
4. Analiza problemów; założenia, obliczenia i
projektowanie
4.1. Projektowanie kombinacji torów ruchu na skrzyżowaniu
Na analizowanym skrzyżowaniu wyszczególnić można 12 torów ruchów; 6 dla pieszych oraz 6 dla pojazdów.
P6
P5 P4 P3 D4
D3
D2
D1
Rysunek 4.1. Podział skrzyżowania na tory ruchu.
Do zaprojektowania układów posłużono się specjalnie napisanym do tego celu programem1. Za jego pomocą
możliwe jest symulowanie natężenia ruchu na analizowanym skrzyżowaniu. Program dopuszcza zamykanie i
otwieranie dowolnych niekolidujących ze sobą torów ruchów. Liczby na każdym z torów reprezentowały ilość
pojazdów/pieszych znajdujących się w kolejce w danym kierunku ruchu.
Program uwzględnia rzeczywiste przybliżone natężenie ruchu w każdych kierunkach.
1
Program znajduje się na dołączonym dysku CD-ROM.
D5
D6
P2
P1
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 8
Rysunek 4.2. Program do symulowania natężenia ruchu oraz sygnalizacji świetlnej na badanym skrzyżowaniu.
W oparciu o wyniki działania tego programu oraz metodą różnych kombinacji otwartych torów ruchów
zaprojektowano ostatecznie 6 różnych układów otwartych torów ruchu, które przedstawione są na rysunkach 4.3a-f.
Strzałki oznaczają te tory ruchu, które są aktualnie otwarte. Strzałki rysowane linią przerywaną oznaczają warunek
pominięcia lub skrócenia cyklu (por. p. 4.4).
a)
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 9
b)
c)
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 10
d)
e)
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 11
f)
Rysunek 4.3. Poszczególne fazy cyklu w odpowiedniej kolejności.
Układy przedstawione na rysunkach a i d występują w całym cyklu dwukrotnie (bezpośrednio po sobie). Ma to na
celu wydłużenie fazy ze względu na znaczne nasilenie ruchu w tych kierunkach, gdzie podawany jest sygnał zielony.
4.2. Zegary taktujÄ…ce
Zegar zapewniający zmianę fazy po określonym czasie trwania
Urządzenie ma pracować z zadanym interwałem czasowym.
Do realizacji tego w sposób bardzo prosty najlepiej nadaje się popularny układ generatora 555. Na nim to oparty
będzie zegar taktujący.
Układ ten umożliwia pracę z interwałem zależnym od dobranych parametrów elementów wchodzących w skład
aplikacji układu, która przedstawiona jest na rysunku poniżej.
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 12
Rysunek 4.4. Aplikacja układu 555.
Zasada działania tego układu jest następująca: W chwili dołączenia napięcia zasilającego, kondensator C jest
rozładowany, więc zerowy poziom na wejściu wyzwalanie (TR, 2) powoduje ustalenie się stanu wysokiego na
wyjściu układu, co powoduje ładowanie tego kondensatora ze z
ródła napięcia zasilającego przez rezystory RA i RB.
Gdy napięcie na kondensatorze osiągnie wartość równą 2/3 UCC, uaktywni się wejście próg (THR, 6), powodując
przełączenie wyjścia układu w stan niski. Kondensator C rozładowuje się przez RB, a napięcie na nim dąży do zera.
Od tego momentu praca układu staje się cykliczna, napięcie na kondensatorze zmienia się od 1/3 UCC do 2/3 UCC i na
odwrót, z okresem wyrażonym poniższym równaniem:
Równanie 4.1. Wzór na czas trwania okresu w generatorze 555.
T = 0,693(RA + 2RB )C
Rezystory RA i RB określają dokładnie czas trwania stanu wysokiego i niskiego wyjścia zgodnie ze wzorami 4.2 i
4.3.
Równanie 4.2. Wzór na czas trwania fazy wysokiej generatora 555.
TH = 0,693(RA + RB )C
Równanie 4.3. Wzór na czas trwania fazy niskiej generatora 555.
TL = 0,693* RB * C
W urzÄ…dzeniu wykorzystano kondensator o standardowej pojemnoÅ›ci 10µF oraz oporniki o wartoÅ›ciach 1M&! każdy.
Zapewnia to czas trwania taktu zegarowego długości ok. 21 sek. Jednocześnie czas trwania fazy niskiej wynosi ok. 7
sek. Jest to wykorzystane jako minimalny czas trwania rozpoczętej fazy (por. p. 4.4.).
Zegar wymuszajÄ…cy pomijanie fazy
Zegar ten będzie zbudowany w sposób identyczny jak powyższy, lecz z bardzo krótkim czasem trwania cyklu. Ma
on za zadanie zapewnić szybkie taktowanie licznika w celu pominięcia niepotrzebnych faz. Zegar ten będzie
uruchamiany, gdy nastąpi taka potrzeba; w tym samym czasie zegar główny będzie zablokowany (por. p. 4.4).
W celu osiągnięcia odpowiednio krótkiego czasu trwania cyklu zastosowane elementy o wartościach: dla
kondensatora 100nF, dla rezystorów 10k&! każdy.
Przy takich wartościach zegar będzie pracował z okresem wynoszącym ok. 2ms (co odpowiada częstotliwości ok.
480 Hz).
4.3. Licznik
Jako licznik wystarczy wykorzystać dowolny licznik 3-bitowy. Najpopularniejszym układem tej serii jest 7493. Jest
to dokładnie jednokierunkowy, dodający licznik 1-,3-bitowy. Wykorzystana w układzie będzie wyłącznie część
3-bitowa.
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 13
Rysunek 4.5. Aplikacja licznika 7493 jako licznika 3-bitowego.
W momencie, gdy licznik ma odliczać, wejścia resetujące R0(1) i R0(2) muszą znajdować się w stanie niskim.
Podanie stanu wysokiego na oba wejścia powoduje zresetowanie licznika i ustawienie stanów niskich na jego
wyjściach.
4.4. Logika skrócenia fazy i pominięć fazy
Z założenia uwzględniając wyłącznie ruch drogowy w celu jego upłynnienia nie warto otwierać toru, na którym nie
znajduje się żaden samochód. Stąd układ będzie pomijał takie fazy, gdzie otwarta jest droga, na której nie znajduje
się żaden pojazd przechodząc do najbliższej możliwej, dla której na otwartych torach ruchów znajdują się pojazdy.
Analizując wszystkie kombinacje przedstawione na rysunkach 4.3a-f można zauważyć, że każda kolejna faza różni
się od poprzedniej w sposób jak najmniej znaczący. Dzięki temu można prosto pominąć daną fazę przeskakując do
następnej, a przeskok taki nie będzie uwarunkowany zbyt wieloma czynnikami na raz (dużej liczbie czujników, a
więc torów ruchu, które musiałyby zostać wzięte pod uwagę).
Na wymienionych rysunkach zaznaczono przez strzałki rysowane linią przerywaną tory ruchów, na których, gdy
brak jest samochodów  można przejść do następnej fazy (wykonując skrócenie bieżącej fazy lub przeskok fazy).
W ekstremalnym przypadku, kiedy na żadnej z dróg nie będzie pojazdów wszystkie fazy będą pomijane w
nieskończoność, aż do momentu, gdy na którejś z dróg pojawi się pojazd. Wtedy zostanie uruchomiona najdalsza1
możliwa faza, która pozwoli na ruch w tym kierunku.2
Pozostaje jeszcze kwestia ruchu pieszych. Jako, że układ nie jest bezpośrednio uzależniony od ruchu pieszych, stąd
wciśnięcie przycisku na przejściu dla pieszych musi zasymulować obecność pojazdu na tym torze ruchu, który jest
równoległy do danego przejścia dla pieszych, a więc i umożliwi przekroczenie pieszym jezdni.
Analizując wszystkie sytuacje dochodzimy do następujących zależności:
Tabela 4.1. Symulowanie zajętości drogi w celu umożliwienia przekroczenia wybranego przejścia dla pieszych.
Przejście Symulacja obecności
nr na drodze nr3
P1 D2
P2 D2, D5, D6
P3 D2
P4 D3, D6
P5 D1, D2, D3
P6 D3
Układ symulacji ma zatem 12 wejść i 6 wyjść odpowiadających zajętości dróg. Są to proste funkcje logiczne  LUB ,
czyli dana droga jest zajęta wtedy, gdy jest faktycznie zajęta, lub został wciśnięty przez pieszego przycisk na
odpowiednim przejściu. Realizacja tego uproszczenia na bramkach logicznych przedstawiona jest na rysunku.
1
Por. tabela 4.3.
2
Por. p. 4.5.
3
Por. rys. 4.1.
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 14
Rysunek 4.6. Układ symulujący zajętość dróg na podstawie zajętości przejść dla pieszych.
Kolejną częścią jest wypracowanie sygnału, który poinformuje o tym, że aktualna faza odpowiadająca stanu
będącego na wyjściu licznika należy pominąć. Musi on pracować w oparciu o 6 sygnałów, lecz wybierać spośród
nich wyłącznie ten, który jest istotny dla danej fazy.
Analizując raz jeszcze wszystkie sytuacje przedstawione na rysunkach 4.3, warunek pominięcia fazy można zestawić
w tabeli:
Tabela 4.2. Warunek pominięcia lub skrócenia fazy, jeśli już trwa.
L x1 x2 x3 D1 D2 D3 D4 D5 D6
0 0 0 0 - - - 0 - -
1 0 0 1 - - 0 - - -
2 0 1 0 0 - - - - -
3 0 1 1 - 0 - - - -
4 1 0 0 - 0 - - - -
5 1 0 1 - - - - 0 -
6 1 1 0 - - - - - 0
7 1 1 1 - - - 0 - -
W powyższej tabeli przez cyfrę oznaczono stan, jaki musi występować w danej fazie, aby ją pominąć (lub skrócić,
jeśli już występuje); znakiem minus oznaczono wejścia, które nie mają znaczenia dla danej fazy.
Aby zrealizować taką funkcję, która będzie miała wartość wybranego czujnika najlepiej zastosować multiplekser z 3
liniami adresowymi jak na przykład 74151.
Schemat połączeń realizujący powyższą tabelkę oraz funkcję, która w wyniku da wartość  1 , jeśli cykl ma zostać
pominięty przestawiono na poniższym rysunku:
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 15
D1 D2 D3 D4 D5 D6
0
1
2
3
4
5
6
7
x1 x2 x3
Rysunek 4.7. Schemat połączeń multipleksera serii  151 w celu zrealizowania żądanej funkcji.
4.5. Realizacja pominięć cyklu  opóz
nienia w ustawianiu
stanu wyjściowego; minimalny czas trwania fazy;
przerzutnik
Jako, że zastosowany licznik może zliczać wyłącznie co jeden, to w przypadku, gdy cykle są pomijane, jego stan
wyjściowy nie może być podawany bezpośrednio na układ sterujący sygnalizacją. Dodatkowo w tym czasie
powinien być wyświetlany dalej niezmieniony stan.
Aby to zrealizować najlepiej wykorzystać przerzutnik typu D, który będzie zapamiętywał wyłącznie te stany, które
mają być wyświetlone na sygnalizatorach świetlnych. Aby to zrobić wpisywanie musi odbywać się z pewnym
opóz
nieniem oraz wyłącznie  na sygnał z zegara odpowiedzialnego za zmianę fazy (wcześniej zegar ten musi
wymusić zmianę stanu licznika, a dopiero póz
niej wpisanie ustalonego już stanu licznika do rejestru). W tym celu
można świetnie wykorzystać pewną właściwość układu rejestru z serii  175  wpisywanie odbywa się wraz z
narastającym zboczem sygnału, a więc odwrotnie, niż zmiana stanu licznika, która następuje przy opadającym
zboczu sygnału.
Pozostaje jeszcze jeden aspekt do rozstrzygnięcia. Przypuśćmy sytuację, gdy wszystkie drogi są puste poza jedną, w
której poprzek przez przejście chce przejść pieszy. Przyciska on przycisk i w tym momencie zostanie wyszukana
najdalsza faza, która umożliwi pieszemu przejście przez ulicę. Niestety wraz z zapaleniem się dla niego sygnału
zielonego nastąpi zresetowanie czujnika, a więc wystąpi skrócenie cyklu i puszczenie pojazdu. Pieszy nie zdąży
przekroczyć jezdni. Dlatego należy zapewnić minimalny czas trwania cyklu.
W realizacji tego wykorzystuje się tą samą własność rejestru, która opisana jest powyżej. Należy jedynie zapewnić,
aby czas stanu niskiego z generatora był odpowiednio długi i odpowiadał minimalnemu czasu trwania fazy. Stąd
dobrane takie, a nie inne parametry elementów wchodzących w skład aplikacji układy 555.1
4.6. Całościowy układ zmiany faz
Na rysunku 4.8 przedstawiono schemat blokowy całego układu odpowiedzialnego za zmiany faz w cyklu.
1
Por. p. 4.2.
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 16
Zegar minimalnego i
maksymalnego czasu
Układ
trwania fazy
odpowiedzialny
Licznik
za wprowadza-
3-bitowy
nie opóz
nienia
(filtracja
przeskoków
Zegar pominięć faz
licznika)
Czujniki Układ symulacji Układ wymuszający
obecności na zajętości drogi ze pominięcie faz lub skrócenie
skrzyżowaniu (6 względu na bieżącej fazy w uzależnieniu
dla pojazdów i 6 pieszych (wyj. od aktualnego stanu na
dla pieszych) tylko dla dróg) skrzyżowaniu
Rysunek 4.8. Schemat blokowy układu sterującego fazami na skrzyżowaniu.
4.7. Realizacja funkcji
Do zrealizowania jest 12 funkcji opartych na 3 liniach sygnałowych. Przedstawione są one w tabeli 4.3.
Tabela 4.3. Funkcje dla poszczególnych torów ruchu
Wejścia Funkcje sygnalizacji drogowej1 Funkcje sygnalizacji dla pieszych1
L x1 x2 x3 D1 D2 D3 D4 D5 D6 P1 P2 P3 P4 P5 P6
0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1
1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1
2 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0
3 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0
4 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 0
5 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0
6 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
7 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1
Do realizacji tych funkcji najprościej posłużyć się metodą opartą o tzw. siatki (mapy) Karnaugha.
1
Por. rys. 4.1.
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 17
Funkcja D1:
x1
0 1
x2x3
00 1
01 1
11 1
10 1
Rysunek 4.9. Siatka Karnaugha dla funkcji D1.
Równanie 4.4. Równanie funkcji D1.
D1 = x1 x2 + x1 x3 + x1x2 x3
Funkcja D2:
x1
0 1
x2x3
00 1
01
11 1
10 1
Rysunek 4.10. Siatka Karnaugha dla funkcji D2.
Równanie 4.5. Równanie funkcji D2.
D2 = x1x2 + x1 x2 x3
Funkcja D3:
x1
0 1
x2x3
00 1
01 1
11 1
10
Rysunek 4.11. Siatka Karnaugha dla funkcji D3.
Równanie 4.6. Równanie funkcji D3.
D3 = x1 x2 + x1x2 x3
Funkcja D4:
x1
0 1
x2x3
00 1
01 1
11 1
10 1
Rysunek 4.12. Siatka Karnaugha dla funkcji D4.
Równanie 4.7. Równanie funkcji D4.
D4 = x1 x2 x3 + x1x3 + x1x2
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 18
Funkcja D5:
x1
0 1
x2x3
00 1
01 1
11 1
10 1
Rysunek 4.13. Siatka Karnaugha dla funkcji D5.
Równanie 4.8. Równanie funkcji D5.
D5 = x1 x2 + x1x2
Funkcja D6:
x1
0 1
x2x3
00
01 1
11
10 1
Rysunek 4.14. Siatka Karnaugha dla funkcji D6.
Równanie 4.9. Równanie funkcji D6.
D6 = x1 x2 x3 + x1x2 x3
Funkcje P1-P6:
Analizując dokładnie tabelę 4.3 można zauważyć, że funkcje P1-P6 są bardzo podobne do funkcji D1-D6, a ściślej są
zaprzeczeniem odpowiednich sobie funkcji. Do takich samych wniosków można dojść przyglądając się planowi
skrzyżowania. Dane przejście będzie otwarte, kiedy przecinająca je droga będzie zamknięta i vice versa. Stąd można
je bardzo prosto zapisać używając już wyznaczonych funkcji D1-D6:
Równanie 4.10. Równania funkcji przejść dla pieszych P1-P6.
P1 = D1 + D6
P2 = D3
P3 = D4
P4 = D2
P5 = D6
P6 = D5
Optymalizacja
Powyższe funkcje w większości przypadków można uprościć.
Równanie 4.11. Równania funkcji po optymalizacji i wyłączeniu wspólnych czynników.
D1 = x1 x2 + x1 x3 + x1x2 x3 = D3 + x1 x3
D2 = x1x2 + x1 x2 x3 = x1x2 + x1 x2 x3 = x1x2 + x1ëÅ‚ x2 + x3 öÅ‚ = x1x2 + x1(x2 + x3)
ìÅ‚ ÷Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
D3 = x1 x2 + x1x2 x3 = x1 x2 + x1x2x3 = x1 + x2 + x1x2 x3
D4 = x1 x2 x3 + x1x3 + x1x2
D5 = x1 x2 + x1x2 = x1 •" x2
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 19
D6 = x1 x2x3 + x1x2 x3 = x1(x2 x3 + x2 x3)= x1(x2 •" x3)
W równaniach D1 i D4 można jeszcze wyznaczyć wspólny czynnik:
A = x1 x3 = x1 x3 = x1 + x3
Równania te można zatem zapisać jako:
Równanie 4.12. Równania funkcji D1 i D4 po wydzieleniu wspólnego czynnika.
D1 = D3 + A
D4 = x1 x2 x3 + x1x3 + x1x2 = Ax2 + x1x3 + x1x2
Realizacja wszystkich funkcji na bramkach
Realizację wszystkich opisanych funkcji na bramkach logicznych z uwzględnieniem rzeczywistych układów, jakie
zostaną zastosowane przedstawiono na rysunku poniżej.
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 20
Rysunek 4.15. Schemat połączeń bramek logicznych do realizacji funkcji.
4.8. Maksymalny pobierany prÄ…d przez urzÄ…dzenie sterujÄ…ce
Teoretyczne maksymalne prądy w obwodach w oparciu o katalog elementów zostały przedstawione w tabeli 4.4.
 Analiza problemów; założenia, obliczenia i projektowanie 21
Tabela 4.4. Teoretyczne maksymalne prÄ…dy na elementach urzÄ…dzenia.
PrÄ…d zasilania
Element / obwód
[mA]1
IC1, IC2 (NE555) 2 x 36
IC3 (74LS93N) 55
IC4, IC6- IC15 (bramki logiczne) 11 x 33
IC5 (74151N) 48
V1 (74175N) 45
RAZEM: 583 (2,9W)
Wyliczony prąd jest szacunkowym prądem maksymalnym, który tak naprawdę nigdy nie będzie pobierany przez
układ.
1
Dla standardowego napięcia zasilania 5V i w warunkach, kiedy prąd pobierany jest jak największy.
 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 22
5. Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek
drukowanych
5.1. Schemat ideowy urzÄ…dzenia
Schemat układu przedstawiono na rysunku 5.1.
Zasilanie należy podłączyć pod złącza X2-1 (+) i X2-2 (-).
Złącze SV1 służy do podłączenia pod nie czujników obecności pojazdów oraz pieszych na wszystkich torach
ruchów. Wyprowadzone jest nim także masa, jako punkt odniesienia sygnału cyfrowego.
Złącze X1 jest wyprowadzeniem sygnałów logicznych odpowiedzialnych za stan świateł na danym kierunku. Na
złączach 1-6 wyprowadzone są sygnały logiczne dla torów drogowych D1-D6, na złączach 7-12 wyprowadzone są
sygnały logiczne dla ruchów pieszych P1-P6. Dodatkowo złącze 13 jest podłączone pod masę stanowiąc tym samym
poziom odniesienia dla sygnałów logicznych.
 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 24
5.2. Projekt płytki drukowanej urządzenia
Płytka drukowana urządzenia jest dwuwarstwowa. Poglądowy obraz płytki przedstawiający obie jej warstwy
znajduje siÄ™ na rysunku 5.2 (bez zachowania skali).
Projekt płytki w skali 1:1 przedstawiają rysunki 5.3 (część wierzchnia) oraz 5.4 (cześć spodnia).
 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 25
Rysunek 5.2. Poglądowy obraz płytki drukowanej części cyfrowej urządzenia (skala nie jest zachowana).
 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 26
Rysunek 5.3. Projekt płytki drukowanej urządzenia  część wierzchnia, skala 1:1.
 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 27
Rysunek 5.4. Projekt płytki drukowanej urządzenia  część spodnia, skala 1:1.
 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 28
5.3. Symulacja działania urządzenia
Schemat wykorzystany do przeprowadzenia symulacji przedstawiono na rysunku 5.5. Symulacji dokonano w
programie Electronics Workbench 5.12.
Na potrzeby symulacji wprowadzono przełączniki sterowane klawiaturą zgodnie z poniższą tabelką.
Tabela 5.1. Znaczenie przełączników w układzie symulacji.
Klawisz Znaczenie
Spacja Załącza układ  przed rozpoczęciem symulacji
przełączniki te muszą znajdować się w stanie otwartym.
Dopiero po załączeniu symulacji należy zamknąć te
przełączniki.
1 Zamknięty  występuje pojazd na torze D1
2 Zamknięty  występuje pojazd na torze D2
3 Zamknięty  występuje pojazd na torze D3
4 Zamknięty  występuje pojazd na torze D4
5 Zamknięty  występuje pojazd na torze D5
6 Zamknięty  występuje pojazd na torze D6
7 Zamknięty  przycisk na przejściu P1 został wciśnięty
8 Zamknięty  przycisk na przejściu P2 został wciśnięty
9 Zamknięty  przycisk na przejściu P3 został wciśnięty
0 Zamknięty  przycisk na przejściu P4 został wciśnięty
- Zamknięty  przycisk na przejściu P5 został wciśnięty
= Zamknięty  przycisk na przejściu P6 został wciśnięty
 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 29
Rysunek 5.5. Schemat użyty do symulacji układu w programie Electronics Workbench.
 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 31
Odpowiada
D1 D2 D3 D4 D5 D6
przejścią
 Schemat ideowy urządzenia oraz projekt płytek drukowanych 32
Odpowiada
D1 D2 D3 D4 D5 D6
przejścią