Cara kerja Lampu Lalu Lintas Secara Sistem Digital

Pada aplikasi sistem digital ini, akan dibahas sistem kendali untuk lampu lalu lintas. Pada bagian ini, persyaratan sistem ditetapkan, dan state diagram dibuat untuk menentukan urutan operasi. Sebagian dari sistem yang melibatkan logika kombinasional dirancang dan metode pengujian dipertimbangkan.

General System Requirement

Pengendali digital diperlukan untuk mengendalikan lampu lalu lintas di persimpangan jalan utama yang sibuk dan jalan samping yang kadang-kadang digunakan. 

• Jalan utama diberi lampu hijau minimal 25 detik atau selama tidak ada kendaraan di jalan samping. 
• Jalan samping diberi lampu hijau sampai tidak ada kendaraan di jalan samping atau paling lama 25 detik. 
• Harus ada lampu peringatan 4 detik (kuning) antara perubahan dari hijau ke merah baik di jalan utama maupun di jalan samping. 

Persyaratan ini diilustrasikan dalam diagram pada gambar berikut.

Developing Blok diagram sistem

Berdasarkan persyaratan di atas, dapat dikembangkan menjadi blok diagram sistem. Pertama, diketahui bahwa sistem harus mengontrol enam pasang lampu yang berbeda. Yaitu lampu merah, kuning, dan hijau untuk dua arah di jalan utama, dan lampu merah, kuning, dan hijau untuk kedua arah di pinggir jalan. Diketahui juga bahwa ada satu input eksternal dari sensor kendaraan di jalan samping. gambar di bawah adalah blok diagram  minimal yang menunjukkan persyaratan ini.

Dengan menggunakan blok diagram sistem minimal tersebut, dapat dibuat rincian yang lebih detail. Sistem mempunyai empat keadaan, seperti ditunjukkan pada gambar sebelumnya, sehingga diperlukan rangkaian logika untuk mengontrol urutan keadaan (logika sekuensial).

Selain itu, diperlukan rangkaian untuk menghasilkan interval waktu yang tepat yaitu 25 detik dan 4 detik yang diperlukan dalam sistem. Interval waktu (long dan pendek) dan sensor kendaraan merupakan input ke logika sekuensial karena urutan keadaan merupakan fungsi dari variabel-variabel ini. 

Rangkaian logika juga diperlukan untuk menentukan di antara empat keadaan sistem berada pada waktu tertentu, untuk menghasilkan output yang sesuai untuk lampu (state dekoder dan logika output), dan untuk mengatur interval waktu yang panjang dan pendek. 

Rangkaian antarmuka disertakan dalam lampu lalu lintas dan unit antarmuka untuk mengubah output logika lampu menjadi tegangan dan arus yang diperlukan untuk menyalakan setiap lampu. Gambar di atas adalah blok diagram yang lebih rinci yang menunjukkan elemen-elemen penting ini.

State Diagram

State diagram secara grafis menunjukkan urutan keadaan dalam suatu sistem dan kondisi untuk setiap keadaan dan transisi dari satu keadaan ke keadaan berikutnya. Sebenarnya gambar 65 merupakan salah satu bentuk state diagram  karena menunjukkan urutan keadaan dan kondisinya.

Mendefinisikan Variabel

Sebelum state diagram sederhana dapat dikembangkan, variabel-variabel yang menentukan bagaimana sistem mengurutkan state-nya harus didefinisikan. Variabel-variabel ini dan simbol-simbolnya tercantum sebagai berikut:

- kendaraan yang ada di pinggir jalan = Vt.

- Timer 25 detik (timer 'long') aktif = TL.

- Timer 4 detik (timer 'short') menyala = Ts.

Penggunaan variabel komplemen menunjukkan kondisi sebaliknya. Misalnya Vs' menandakan tidak ada kendaraan di jalan samping, TL' menandakan pengatur waktu 'long' mati, Ts' menandakan pengatur waktu 'short' mati.

Deskripsi dari State Diagram

State diagram ditunjukkan pada gambar di atas. Masing-masing dari empat state diberi label sesuai dengan urutan gray code 2-bit, seperti yang ditunjukkan oleh lingkaran. Panah perulangan pada setiap state menunjukkan bahwa sistem tetap dalam state tersebut di bawah kondisi yang ditentukan oleh variabel atau ekspresi terkait. Masing-masing panah yang berpindah dari satu state ke state berikutnya menunjukkan transisi state di bawah kondisi yang ditentukan oleh variabel atau ekspresi terkait.

State Pertama, gray code untuk state ini adalah '00'. Lampu jalan utama berwarna hijau dan lampu jalan samping berwarna merah. Sistem tetap dalam keadaan ini setidaknya selama 25 detik ketika pengatur waktu 'long' aktif atau selama tidak ada kendaraan di jalan samping (TL + Vs'). Sistem masuk ke state berikutnya ketika pengatur waktu 25 detik mati dan ada kendaraan di jalan samping (TL'Vs).

State kedua, gray code untuk state ini adalah '01'. Lampu jalan utama berwarna kuning (hati-hati) dan lampu jalan samping berwarna merah. Sistem tetap dalam state ini selama 4 detik ketika pengatur waktu 'short' bernilai satu (Ts) dan melanjutkan ke state berikutnya ketika pengatur waktu 'short' mati (Ts').

State Ketiga, gray code untuk state ini adalah '11'. Lampu jalan utama berwarna merah dan lampu jalan samping berwarna hijau. Sistem tetap dalam state ini ketika pengatur waktu menyala dan ada kendaraan di jalan samping (TLV). Sistem beralih ke state berikutnya ketika 25 detik telah berlalu atau ketika tidak ada kendaraan di jalan samping (TL' + Vs').

State Keempat, gray code untuk state ini adalah '10'. Lampu jalan utama berwarna merah dan lampu jalan samping berwarna kuning. Sistem tetap dalam state ini selama 4 detik ketika pengatur waktu 'short' aktif (Ts) dan kembali ke state pertama ketika pengatur waktu 'short' mati (Ts').

Logika Kombinasional

Fokus penerapan sistem pada bab ini adalah bagian logika kombinasional dari diagram blok. Blok diagram untuk bagian sistem logika kombinasional dikembangkan sebagai langkah pertama dalam merancang logika. Tiga fungsi yang harus dijalankan logika ini didefinisikan sebagai berikut, dan diagram yang dihasilkan dengan warna hitam untuk masing-masing dari ketiga fungsi tersebut ditunjukkan pada gambar di bawah. 

- State Decoder, mendekoder gray code 2-bit dari logika sekuensial untuk menerjamahkan di antara empat state.

- Light Output Logic menggunakan hasil dekoder untuk mengaktifkan lampu lalu lintas yang sesuai untuk unit lampu jalan utama dan samping.

- Trigger Logic menggunakan hasil dekoder untuk menghasilkan sinyal untuk memulai (memicu) pengatur waktu 'long' dan pengatur waktu 'short' dengan benar.

Implementasi dari Logika Kombinasional

Bagian state dekoder mempunyai dua masukan (gray code 2-bit) dan satu output untuk masing-masing empat state, seperti ditunjukkan pada gambar di atas. Dua bit input gray code diberi tanda S0 dan S1 dan empat output state diberi label SO1, SO2 , SO3, dan SO4. Ekspresi boolean untuk output state adalah sebagai berikut:

SO1 = S1'S0'

SO2 = S1'S0

SO3 = S1S0

SO4 = S1S0'

Tabel kebenaran logika state dekoder ini ditunjukkan pada tabel berikut.

Implementasi Light Output Logic

Logika output cahaya mengambil empat output state dan menghasilkan enam output untuk mengaktifkan lampu lalu lintas. Output ini diberi nama MR, MY, MG (untuk warna merah utama, kuning utama, dan hijau utama) dan SR, SY, SG (untuk sisi merah, sisi kuning, dan sisi hijau). Mengacu pada tabel kebenaran pada tabel di atas, terlihat bahwa output lampu lalu lintas dapat dinyatakan sebagai:

MR = SO3 + SO4

MY = SO2

MG = SO1

SR = SO1 + SO2

SY = SO4

SG = SO3

Logika output diimplementasikan seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Implementasi Trigger Logic

Trigger logic menghasilkan dua output. Output 'long' adalah transisi LOW ke HIGH yang memicu rangkaian waktu 25 detik ketika sistem memasuki state pertama (00) atau ketiga (11). Output 'short' adalah transisi LOW ke HIGH yang memicu rangkaian waktu 4 detik ketika sistem memasuki state kedua (01) atau keempat (10). Output triggernya ditunjukkan pada tabel sebelumnya dan dalam bentuk persamaan sebagai berikut:

Long Trigger = SO1 + SO3

Short Trigger = SO2 + SO4.

Trigger logic ditunjukkan pada Gambar di atas. Tabel sebelumnya juga menunjukkan bahwa output Long dan output short saling melengkapi, sehingga logika juga dapat diimplementasikan dengan satu gerbang OR dan satu inverter. Gambar di bawah menunjukkan logika kombinasional secara lengkap yang menggabungkan state dekoder, logika output cahaya, dan Trigger Logic.

Sumber: Digital Fundamentals by Floyd Thomas L.