基于Multisim 10的十字路口交通燈控制器的設計與仿真

摘 要:介紹運用Multisim 10仿真軟件，設計一個十字路口交通燈控制器。該控制器實現(xiàn)了對十字路口交通信號燈控制。利用Multisim 10這種高效的設計平臺，能夠方便地設計電路，并用虛擬儀器庫進行仿真以及驗證電路是否達到設計要求。與傳統(tǒng)的設計方法相比，它具有省時、低成本、高效率的優(yōu)越性。

關鍵詞: Multisim 10; 交通控制器; EDA; CAD

中圖分類號:TP23 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0179-03

Design and Simulation of Traffic Lights Controller at the Crossroads Based on Multisim10

NIE Ru

(Guangzhou Auto College， South China University of Technology， Guangzhou 510800， China)

Abstract:A traffic lights controller at the crossroads was designed based on Multisim10 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 10 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 comparingwith the traditional design method.

Keywords: Multisim 10; traffic controller; EDA; CAD

0 引 言

隨著計算機與微電子技術的發(fā)展，電子設計自動化EDA領域已成為電子技術發(fā)展的主體[1]。EDA(Electronic Design Automation電子設計自動化技術)是在電子CAD 技術基礎上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng)，它在教學、科研、產(chǎn)品設計與制造等方面發(fā)揮著巨大的作用。Multisim 10是一款知名的EDA仿真軟件，由加拿大IIT公司于2007年推出最新版本。在Windows環(huán)境下，Multisim 10軟件有一個完整的集成化設計環(huán)境，它將原理圖的創(chuàng)建、電路的測試分析、結果的圖表顯示等全部集成到同一個電路窗口中[2]。在搭建實際電路之前，采用Multisim 10仿真軟件進行虛擬測試，可使實驗方法和實驗手段現(xiàn)代化，擴展實驗容量，使實驗內(nèi)容更完備，提高了實驗效率，節(jié)省大量的實驗資源[3]。Multisim 10軟件進行設計仿真分析的基本步驟為:設計創(chuàng)建仿真電路原理圖→電路圖選項的設置→使用仿真儀器→設定仿真分析方法→啟動Multisim 10仿真[4]。

下面介紹以Muitisim10為平臺設計一個十字路口交通控制器系統(tǒng)的過程。

1 系統(tǒng)概述

在城鎮(zhèn)街道的十字路口中，為保證交通秩序和行人安全，一般在每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號燈。圖1是一個典型的十字路口的平面位置示意圖:有主干道和支干道兩條道路，每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號燈。主干道與支干道上的車輛交替運行，主干道上的車輛比較多，因此主干道的車輛通行時間長，支干道上的車輛少，因此支干道的車輛通行時間短。主干道通行時，主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，時間為60 s;支干道通行時，主干道綠燈亮，主干道紅燈亮，時間為30 s。每次綠燈變紅時，黃燈先閃爍3 s(頻率為5 Hz)。此時另一路口的紅燈不變?；谝陨弦?guī)則設計的交通控制器控制十字路口兩組紅、黃、綠交通信號燈的狀態(tài)轉換，可以方便地實現(xiàn)指揮各種車輛和行人通行實現(xiàn)十字路口交通管理的自動化。

圖1 十字路口的平面位置示意圖

2 交通控制器電路設計與仿真

交通控制器電路按功能分成3個單元電路:振蕩電路、計數(shù)器和譯碼顯示電路、主控制電路和信號燈譯碼驅動。

2.1 振蕩電路

振蕩電路輸出頻率分別為1 Hz和5 Hz、幅度為5 V的時鐘脈沖。為提高精度，本設計系統(tǒng)利用555定時器設計一個輸出頻率為100 Hz的多諧振蕩器，再通過100分頻(100進制計數(shù)器)而得到1 Hz的時鐘脈沖，通過20分頻得到5 Hz的時鐘脈沖。

2.1.1 555 定時器構成的100 Hz多諧振蕩器

555定時器是一種多用途的模擬、數(shù)字混合集成電路，在波形的產(chǎn)生與變換、控制與檢測、家用電器以及電子玩具等領域等許多領域中得到了應用[5]。555定時器功能多樣，應用廣泛，只要外部配上幾個阻容元器件即可構成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、施密特觸發(fā)器、多諧振蕩器等電路[6]。

由555定時器構成的100 Hz多諧振蕩器電路原理圖如圖2所示。電路由一個555芯片、兩個電阻和兩個電容組成，通過電阻給電容C充電、放電的過程來產(chǎn)生振蕩，從而輸出矩形脈沖[7]。

圖2 555 構成的100 Hz 多諧振蕩器原理圖

2.1.2 74LS192 構成的100分頻和20分頻的分頻器

計數(shù)器是一個用以實現(xiàn)計數(shù)功能的時序部件，它不僅可用來計脈沖數(shù)，而且常用作數(shù)字系統(tǒng)的定時、分頻和執(zhí)行數(shù)字運算以及其他特定的邏輯功能，在電路設計中應用相當廣泛[8]。74LS192是同步十進制可逆計數(shù)器，它具有雙時鐘十進制可逆計數(shù)器、異步并行置數(shù)功能、保持功能以及清零功能[9]。CLR是清零端，LOAD是置數(shù)控制端[10]。用2片74LS192可以構成二級十分頻器，將100 Hz矩形波100分頻得到1 Hz的時鐘脈沖、通過20分頻得到5 Hz的時鐘脈沖。100分頻和20分頻電路如圖3所示。

右邊1片74LS192的輸出端QA端是經(jīng)過20分頻得到的5 Hz的時鐘脈沖，而輸出端QD端是經(jīng)過100分頻后得到的1 Hz的時鐘脈沖。

圖3 74 LS192 構成的100分頻和20分頻電路圖

2.2 74LS192 構成的計數(shù)器和譯碼顯示電路

計數(shù)器電路具有60 s倒計時(計數(shù)范圍為60~1的減數(shù)計數(shù)器)、30 s倒計時(計數(shù)范圍為30~1的減數(shù)計數(shù)器)以及3 s計時功能。此三種計數(shù)的實現(xiàn)主要是由2片十進制計數(shù)器74LS192芯片組成，然后通過主控制電路實現(xiàn)轉換，最終各個方向的倒計時共用一套譯碼顯示數(shù)碼管顯示出來。74LS192構成的計數(shù)器電路圖如圖4所示:左邊的1片74LS192芯片為計數(shù)器的個位，右邊的1片74LS192芯片為計數(shù)器的十位，個位和十位計數(shù)器的四個輸出端都接上數(shù)碼管顯示。其中作為個位數(shù)的74LS192芯片的CLK接的是1 Hz時鐘脈沖。

圖4 74LS192 構成的計數(shù)器電路

2.3 主控制電路和信號燈譯碼驅動

主控制電路和信號燈譯碼驅動用各種門電路和T觸發(fā)器組成，能實現(xiàn)計時電路的轉換、各方向信號燈的控制。主控制電路和信號燈譯碼驅動電路如圖5所示。圖5中的紅燈1，黃燈1，綠燈1是主干道的三個交通信號燈，紅燈2，黃燈2，綠燈2則是支干道的三個交通信號燈。圖4中的兩片74LS192的8個輸出端用或門連起來，接到LD置數(shù)端，決定倒計時器是置數(shù)還是計數(shù)。

工作開始時，LD為0，計數(shù)器預置數(shù)，此時T觸發(fā)器的初始狀態(tài)Q=0，因此預置數(shù)為30 s。置數(shù)完后，LD變?yōu)?，計數(shù)器開始從30 s倒計時，T觸發(fā)器狀態(tài)發(fā)生翻轉Q=1，主干道的紅燈1及支干道的綠燈2亮。 當計數(shù)器計數(shù)到“03”秒時，由于圖4中的十位計數(shù)器的QD2，QC2，QB2，QA2與個位計數(shù)器的QD1，QC1用一個或非門連起來，使信號燈發(fā)生轉換，綠燈2滅，黃燈2在這3 s內(nèi)以5 Hz的頻率閃爍，紅燈1不變。當?shù)褂嫊r減到數(shù)“00”時，LD又變?yōu)?，計數(shù)器又預置60 s，之后又倒計時，如此循環(huán)下去。

圖5 主控制電路

2.4 仿真結果

將上述各單元電路組合起來，可以得到交通控制燈的整體電路，點擊Multisim 10軟件的“Simulate/Run”按鈕或直接按“F5”鍵，便可以進行交通燈控制電路的仿真。電路的倒計時顯示首先為30 s，支干道的綠燈2亮，支干道的車輛可自由通行;主干道的紅燈1亮，主干道的車輛禁止通行。時間顯示器從預置的30 s，以每秒減1，減到數(shù)3時，支干道的綠燈2轉換為黃燈2，而且黃燈以0.2 s(5 Hz的頻率)閃一次，其他燈不變。減到數(shù)1時，1 s后顯示器又轉換成預置的60 s，支干道的黃燈2轉換為紅燈2，支干道的車輛禁止通行，主干道的紅燈1轉換為綠燈1，主干道的車輛可自由通行，如此循環(huán)下去。

3 結 語

利用Multisim 10對十字路口交通燈控制器各個單元電路和整體電路的設計和仿真，只要點擊鼠標就能方便、快捷地搭建電路，并且修改電路方便。在電路設計仿真完成之后再構建實際電路，從而降低了成本，大大提高了教學和專業(yè)設計的效率。

參考文獻

[1]張艷春.數(shù)字電子系統(tǒng)的EDA設計方法研究[J].現(xiàn)代電子技術，2009，32(17):188-190.

[2]周凱，郝文化.EWB虛擬電子實驗室——Multisim7Ulti-board7電子電路設計與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[3]孫曉艷，黃萍.基于Multisim的電子電路課堂教學[J].微電子技術，2006(24):142-144.

[4]鄭步生，吳渭.Multisim 2001電路設計及仿真入門與應用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2002.

[5]何香玲.多諧振蕩器的研究與仿真[J].電子技術，2009(2):53-56.

[6]李定華.555定時器及其應用[J].中小企業(yè)管理與科技，2008(35):230-231.

[7]滕政勝，黃銘.555定時器的典型應用及OrCAD/PSpice仿真[J].現(xiàn)代電子技術，2009，32(7):181-184.

[8]湯德榮.淺談用74LS90設計任意進制計數(shù)器[J].大眾科技，2009(6):43-45.

[9]姚婭川，吳培明.數(shù)字電子技術[M].重慶:重慶大學出版社，2006.

[10]王琳.基于Multisim的任意進制計數(shù)器的設計方法[J].電腦知識與技術，2007(14):424-425，456.