基于Multisim的红绿灯控制器仿真实现综述

基于Multisim的红绿灯控制器仿真实现

摘要

介绍运用Multisim仿真软件, 设计一个十字路口交通灯控制器。该控制器实现了对十字路口交通信号灯控制。利用Multisim这种高效的设计平台, 能够方便地设计电路, 并用虚拟仪器库进行仿真以及验证电路是否达到设计要求。与传统的设计方法相比, 它具有省时、低成本、高效率的优越性。

关键词：Multisim，交通控制器，EDA，CAD

Design and Simulation of Traff ic Lights Controller at the

Crossroads Based on Multisim

Abstract

A traffic lights controller at the crossroads was designed based on Multisim simulation software, and the traffic signal lights control at the crossroads was realized. It is easy to design the electric circuit by using high efficient Multisim design platform, make the simulation by virtual instrument libraries, and verify the electric circuit whether or not meet the design requirements. It has superiority of time saving, low-cost and efficient by comparing with the traditional design method. Keywords: Multisim, traffic controller, EDA, CAD

目录

1 绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2交通信号灯控制电路的概述 (1)

2 单元模块 (3)

2.1电源模块 (3)

2.2秒脉冲发生模块 (3)

2.3计数模块 (4)

2.4逻辑电路模块 (5)

2.5分频器模块 (6)

3 数字电子钟电路的仿真与调试 (8)

3.1交通信号灯控制电路的仿真 (8)

3.2交通信号灯控制电路的实现 (8)

3.3调试方法 (9)

4 调试中出现的问题和解决方法 (10)

5 结语 (11)

参考文献 (12)

1 绪论

1.1引言

随着计算机与微电子技术的发展, 电子设计自动化EDA领域已成为电子技术发展的主体。EDA ( Electronic Design Automation 电子设计自动化技术)是在电子CAD 技术基础上发展起来的计算机软件系统, 它在教学、科研、产品设计与制造等方面发挥着巨大的作用。

Multisim是一款知名的EDA 仿真软件, 由加拿大IIT公司于2007 年推出最新版本。在Windows 环境下,Multisim软件有一个完整的集成化设计环境, 它将原理图的创建、电路的测试分析、结果的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中。在搭建实际电路之前, 采用Multisim仿真软件进行虚拟测试, 可使实验方法和实验手段现代化, 扩展实验容量, 使实验内容更完备, 提高了实验效率, 节省大量的实验资源。

Multisim软件进行设计仿真分析的基本步骤为:

1)设计创建仿真电路原理图

2)电路图选项的设置

3)使用仿真仪器

4)设定仿真分析方法

5)启动Multisim仿真。

下面介绍以Muitisim为平台设计一个十字路口交通控制器系统的过程。1.2交通信号灯控制电路的概述

在城镇街道的十字路口中, 为保证交通秩序和行人安全, 一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯。十字路口的平面位置示意图如图1-1所示。有主干道和支干道两条道路, 每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯。主干道与支干道上的车辆交替运行, 主干道上的车辆比较多, 因此主干道的车辆通行时间长, 支干道上的车辆少, 因此支干道的车辆通行时间短。主干道通行时, 主干道绿灯亮, 支干道红灯亮, 时间为60s;支干道通行时, 主干道绿灯亮, 主干道红灯亮, 时间为30s。每次绿灯变红时, 黄灯先闪烁3s(频率为5 Hz)。此时另一路口的红灯不变。

基于以上规则设计的交通控制器控制十字路口两组红、黄、绿交通信号灯的状态转换, 可以方便地实现指挥各种车辆和行人通行实现十字路口交通管理的自动化。

图1-1 十字路口的平面位置示意

交通信号灯控制电路的逻辑框图如图1-2所示。它由555集成芯片构成的多谐振荡电路、双D触发器构成的分频器、十二进制扭环形计数器、直流稳压电源构成部分以及组合逻辑电路组成。555集成芯片构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为4秒脉冲，4秒脉冲送入计数器，来控制红黄绿灯的工作状态及工作时间。可通过观察亮灯的情况形成有序的交通。其整体电路图如图1-2所示。

图1-2 整体电路框图

该系统的工作原理是：信号灯黑天工作，即开关闭合时，计数器被置零，不工作，A、B输入为低电平，使红灯、绿灯不工作。当555多谐振荡器产生的秒脉冲为高电平时，黄灯亮，为低电平时，黄灯灭。产生黄灯闪烁的现象。

信号灯白天工作，即开关断开时，计数器正常工作，有直流稳压电源为其提供5V直流电压，555定时器形成的多谐振荡器为其提供秒脉冲，A、B输入为高电平，通过与、或、非们组成的组合逻辑电路决定亮灯的情况，使某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点

2 单元模块

2.1电源模块

电源电路如图2-1所示，直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。

电源电压采用直流5v ，通过变压器将市电220v 降压到交流9v ，在通过整流桥整流整流滤波和稳压块7805得到直流5v 电压。直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出稳压值和输出的电流值应该满足整体电路的需要。

在变压器次级交流电压为正半周时，即A 为正B 为负时，二极管D 2、D 3导通，D 1、D 4截止。电流流经的路径是：从A 点出发，经二极管D 2、负载，在经D 3回到B 点。当A 为负B 为正时，二极管的D 1、D 4导通D 2、D3截止。电流的通路是从B 点出发，经D 4、负载R 2回到原A 点。

U1

10:1

V1

220Vrms 50Hz 0°

图2-1 直流稳压电源电路图

从图上看出，正、负半周如何变换，四只二极管中对应桥臂上的两只为一组，两组轮流导通。在负载上，即可得到全脉冲的直流电压和电流。因为这种整流属于全波整流类型。

2.2秒脉冲发生模块

秒脉冲产生电路实习就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用555和电阻、电容组成的多谐振荡器。

基本RS 触发器、双极型三极管T 和输出缓冲器组成，其外部有8个引脚，第8脚为电源端，第1脚为接地端，第3脚为输出端，第4脚为直接复位端，

第5脚为控制电压输入端，第6脚为复位控制端，第2脚为置位控制端，第7脚为放电端。为了电路简单和调节振荡周期的方便，采用555定时器组成多谐振荡器。

振荡周期与频率的计算公式为：

T=(R1+2R2)CIn2=0.7(R1+2R2)C (2-1) 电源电压V CC=+5V,其中电路图中C2的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01uF的瓷片电容。在此毕业设计中要求输出T=1s，选取的电容为C1=1uF，R1=560Ω，根据振荡周期计算，选择电阻R1=560Ω。当元件选取完成以后，根据电路原理图连接电路即可。

VCC

图2-2 555定时器与RC组成的多谐振荡器

2.3计数模块

74LS164是用8位串行输入并行输出的移位寄存器主成的扭环形十二进制计数器。数据通过两个输入端（A或B）之一串行输入：任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。或者两个输入端连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。它具有异步清零、置数、计数、保持等功能，图2-3为其引脚排列和逻辑符号，逻辑功能见表2-1

U1

74LS164D

QA 3QB 4QC 5QD 6A 1B

2

~CLR 9CLK 8QE 10QF 11QG 12QH

13

GND

7

VCC 14

图2-3 74LS164引脚排列和逻辑符号

表2-1 74LS164的逻辑功能表

2.4逻辑电路模块

逻辑控制电路是本设计的核心电路，它由控制交通信号灯按要求方式点亮（一般经驱动电路去控制信号灯）。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。控制电路的特点：从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯时，东西方向绿灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计，组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而且组合逻辑电

路的输出去驱动东西和南北方向的信号灯的点亮。组合逻辑电路的真值表如表2-2所示。

表 2-2 组合逻辑电路的真值表

2.5分频器模块

所用的扭环形十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路的工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频器获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲进4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次设计使用两个D触发器（74LS74）组成4分频器电路。使555多谐振荡器与分频器共同为逻辑电路提供4S脉冲。如表2-3为D 触发器动能表，图2-4为两个D触发器组成的四分频器。

图2-4 四分频器的电路原理图

表 2-3 D触发器功能表

74LS74内含两个独立的D上升沿双D触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（SD）复位输入（RD）、时钟输入（CP）和数据输出（Q、Q’）。SD、RD的低电平使输出预置或清除，而与其他输入端的电平无关。当SD、RD均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送输出端。

3 数字电子钟电路的仿真与调试

3.1交通信号灯控制电路的仿真

按照原理图逐步分仿真，先仿真直流稳压电源的产生部分，然后仿真秒脉

冲产生部分，最后整体电路的仿真直流稳压电源产生部分电路及仿真结果：

XMM2

图 3-1 秒脉冲仿真电路图

通过仿真的部分电路，结合组合逻辑电路及计数器，分频器部分实现电路

的整体仿真。

3.2交通信号灯控制电路的实现

交通信号灯控制电路的工作原理：信号灯白天工作，即开关断开时，计数

器正常工作，由直流稳压电源为其提供5V直流电压，555定时器形成的多谐

振荡器为其提供秒脉冲，A、B输入为高电平，通过与、或、非组成的逻辑电路

决定亮灯的情况，使其某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点

亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。

信号灯黑天工作，即开关闭合时，计数器被置零，不工作，A、B输入为低

电平，使红灯、绿灯不工作。当555多谐振荡器产生的脉冲为高电平时，黄灯亮，为低电平时，黄灯灭。产生黄灯闪烁的现象。

3.3调试方法

1)首先调试直流稳压电源。用电压表观察直流稳压电源的输出电压，确定电路连接及所用远见是否正确，输出电压是否为5V。

2)调试555定时器。用示波器观察定时器输出波形，确定555定时器是否正常工作，振荡频率是否是1Hz。

3)调试分频器。用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是0.25Hz。

4)调试计数器电路。将双D触发器组成的4分频器的电路产生的4秒脉冲信号作为计数器的输入信号，观察计数器是否正常工作。

5)整体调试。各部分电路连接起来，观察交通信号灯控制电路是否正常工作。

4 调试中出现的问题和解决方法

1)对直流稳压电源进行仿真时，发现在直流稳压电源的输入输出均符合要求的情况下，接入整体电路后总是出现故障，把直流稳压电源产生电路换成直流电源，则结果正确。后来发现变压器型号错误。改变型号后，实验结果与预测结果相同。

2)对555定时器形成的多谐振荡器进行仿真时，与预期结果差不多，有一定的误差。接入整体电路后发现亮灯情况与理论结果不一致，但是直接用秒脉冲时，得到理想结果。经过讨论分析，555定时器运用型号错误，再次犯了相同的错误，经过改正，得到理想结果。

5 结语

利用Multisim对十字路口交通灯控制器各个单元电路和整体电路的设计和仿真, 只要点击鼠标就能方便、快捷地搭建电路, 并且修改电路方便。在电路设计仿真完成之后再构建实际电路, 从而降低了成本, 大大提高了教学和专业设计的效率。

通过本次的科研训练，我明白了一个道理：无论做什么事情，都必需养成严谨，认真，善思的工作作风，我这次科研训练由于采用数字电路来实现的，所以电路较复杂，但是容易理解。

这次科研训练主要是运用数字电子技术基础知识设计一个符合要求的十字路口交通信号灯控制电路，这次设计不仅要求我们掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对交通信号灯控制电路的各个组成部分的原理，包括555组成的多谐振荡器的原理、计数器的原理、直流稳压电源产生原理以及逻辑电路的功能都有深刻的理解和掌握，这次科研训练最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够根据电路图绘制出所需原件，仿真并调试。

虽然我现在已经初步学会了如何设计符合的交通信号灯控制电路，但是离真正能够利用已学的数电知识自由设计使用电路还有一段距离。课程的这段时间我确实受益匪浅，使我的专业知识有了很大的进步，因为进步总是让人快乐的。这次科研训练让我有很深的感悟：课本知识固然重要，但是实践环节也是必不可少的，真希望我们能在以后的工作中多动手实践，拓展我们多方面的思维。

参考文献

[1] 杨志忠，数字电子技术，高等教育出版社，2008

[2] 韩力，multisim10 应用教程，电子工业出版社，2008

[3] 谢自美，电子线路综合设计[M]，华中科技大学出版社，2006

[4] 阎石，数字电子技术基础（第五版），高等教育出版社，2009

[5] 付家才，电子电工程实践技术，北京工业出版社，2003