基于Multisim14 的交通燈設計

劉 英

（福建經濟學校 電子工程教研室，福建 福州 350001）

交通燈是城市交通管理的有效手段，有利于保證車輛、行人的安全通行以及維持城市道路的暢通，減少交通事故。交通燈控制電路如果是完全由硬件組成的設計會存在故障點多、調試復雜，穩定性較差等缺陷；同樣利用單片機技術開發的系統抗干擾性和通信信號較差，擴展能力弱；而利用電路仿真軟件設計則大大提高了其效率和速度，而且成本低。Multisim14 是一種具有強大仿真分析能力的交互式軟件，它秉承著“把硬件實驗室搬進電腦，軟件就是元件庫、儀器”的理念，集電子電路分析、設計、仿真為一體的實驗環境，普遍應用于電子工程、產品設計及系統開發等方面[1]。本文通過十字路口交通燈設計以及結果的仿真測試，將理論教學與專業設計完美結合，利用數字電子電路知識來解決實際問題。

1 交通燈系統設計要求及原理

道路交通通行規則是車輛在綠燈亮時允許通行，紅燈亮禁止通過，黃燈亮時停車給行駛中的車輛警示作用[2]。假設十字路口交通燈系統設計需符合以下幾種情形：1）十字路口東西向綠燈或黃燈亮時，則南北向亮紅燈；當南北向綠燈或黃燈亮時，則東西向亮紅燈；東西與南北向車道的通行時間設定每個周期24s 交替轉換。2）每次綠燈信號轉換為紅燈時，黃燈先閃亮4 秒。3）計數器以秒為單位進行倒計時方式計數，亮燈時間十位和個位分別用兩個譯碼顯示管顯示。

交通燈系統由時鐘信號、主控制電路、減法計數器、譯碼顯示、交通信號燈狀態控制等部分組成[3]。整個電路通過時鐘信號產生秒脈沖，送至減法計數器，每次來一個脈沖就遞減一次，此時倒計時信號通過譯碼管顯示。紅、黃、綠三種交通信號燈的交替點亮由主控制電路進行轉換，具體電路原理見圖1。

圖1 交通燈控制系統原理框圖

2 單元電路功能介紹

2.1 時鐘信號模塊設計

時鐘脈沖信號1HZ 頻率可利用555 定時器配合外接電阻、電容等元器件構成振蕩器，并結合計數器74LS190 連接的分頻電路輸出[4]。點擊Multisim14 仿真軟件中的“工具”菜單，再選擇“電路向導”的“555 定時器向導”選項，設置好參數之后點“搭建電路”，這樣就快捷生成了一個時鐘電路[5]。為了讓電路看起來簡單，設計過程中采用Multisim 數據庫的1HZ/5V 時鐘信號。建議制作交通燈實物電路圖時最好使用555 定時器結合計數器分頻搭建時鐘電路。

2.2 倒計時計數模塊設計

按照設計要求，交通燈十字路口東西向與南北向交替通行24s，選用兩塊十進制加/減計數器74LS192 級聯設計成24 進制減計數器，上部分為高位片，下部分為低位片。當輸入端UP=“1”，DOWN 接時鐘信號時，計數器是作減法運算，反之加法運算，因此將兩個74LS192 計數器的控制端UP 都接高電平“5V”，低片位的DOWN 接入1HZ/5V 的時鐘信號[6]。同時高位片計數器的控制端DOWN 與低位片的借位輸出端相連，低位片的置數端接高位片的，高位片輸出端QA、QD 經過一個與非門后與其相接，從而實現計數器倒計時計數。由于每個路口信號燈運行24s 交替轉換，故高位片和低位片計數器的數據輸入端DCBA 分別用撥碼開關S1、S2置數為“0010”和“0011”[7]。

2.3 信號燈控制模塊設計

信號燈控制電路是設計的核心模塊，十字路口交通燈交替運行有四種情況，見表1。

表1 交通燈狀態表

根據表1，當信號燈高電平有效時，譯碼器倒計時顯示23 秒到4 秒即計數器輸出值為0010__0011 到0000__0100 之間綠燈點亮，紅燈、黃燈熄滅；譯碼器倒計時顯示3 秒到0 秒即計數器輸出值為0000__0011 到0000__0000 之間黃燈點亮，此時綠燈、紅燈熄滅。可知紅燈在下個計數周期才點亮，因此先設置東西方向（即第1 個路口）綠燈、黃燈的交替運行。

2.3.1 交通燈的輸入設計

假設高位片計數器74LS192 輸出值由高位到低位為QD2QC2QB2QA2，低位片為QD1QC1QB1QA1，則黃燈點亮時間依次是0000__0011、0000__0010、0000__0001、0000__0000，設黃燈亮滅結果為Y，經卡諾圖化簡為，由于高位片計數器最大輸出為“0010”，QD2QC2可忽略不計，黃燈點亮輸出可直接化簡為[8]。仿真元件庫無四輸入與或門，因而利用與非門芯片74LS20 和非門74LS04 將高位片的QB2QA2與低位片的QD1QC1進行連接作為黃燈的輸入。

交通燈正常運行時，黃燈與綠燈是交替亮滅的，因而綠燈輸入可由黃燈輸入的反即門電路74LS20 的輸出結果得到。76LS76 是雙JK 觸發器集成芯片，當輸入端J=K=“1”時，即J、K 同時接高電平可實現翻轉功能，而紅燈是間隔一個計數周期交替點亮與熄滅，因此可利用觸發器76LS76 翻轉功能來進行紅燈設計。交通信號燈單個計數周期24s 轉換為二進制輸出相當于0010_0011 →0000_0000，東西向信號燈的計數周期與南北向變化唯一的區別是高位片計數器74LS192 的輸出端QB2由“0”變為“1”，由于設計圖選用的觸發器是時鐘下降沿觸發的，因此將高位片計數器74LS192 的輸出端QB2經過一個非門后再與76LS76 時鐘信號連接，從而控制紅燈的亮滅。

經過以上設計分析，就完成了第1 個路口紅、黃、綠燈在一個計數周期輸入顯示的預期效果，具體設計電路見圖2。

圖2 交通燈輸入設計圖

2.3.2 交通燈的交替點亮優化設計

在單個計數周期紅燈亮時，黃燈、綠燈是同時熄滅，紅燈熄滅時，黃燈、綠燈交替點亮。假設用GA和YA分別代表綠燈和黃燈初始狀態，R1代表紅燈的輸入狀態，G1和Y1是綠燈和黃燈實現交替點亮后的輸出狀態，數字“1”表示燈點亮，數字“0”表示燈熄滅，燈正常運行時為“N”[8]，得到真值表，見表2。

表2 第1 個路口交通燈優化輸入真值表

由表2 可得到黃燈、綠燈的邏輯表達式分別為：

根據邏輯表達式，將圖4 設計的綠燈輸入端G1與JK 觸發器74LS76 的輸出端（即紅燈輸入的反）相與，其結果作為綠燈最新的輸入。黃燈同樣操作，從而成功實現第1 個路口交通燈交替點亮的預定功能。

由表1 可知，東西向與南北向的紅燈是分別在不同的計數周期內交替亮滅的，因此JK 觸發器74LS76 的輸出端Q 作為第2 個路口紅燈的輸入端。接著設計第2 個路口綠燈、黃燈的交替點亮，假設用GA和YA分別代表綠燈和黃燈原始狀態，R2代表紅燈的輸入狀態，G2和Y2是綠燈和黃燈實現交替點亮后的輸出狀態，數字“1”表示燈點亮，數字 “0”表示燈熄滅，燈正常運行時為“N”[8]，得到真值表見表3。

表3 第2 個路口交通燈優化輸入真值表

由表3 可得到黃燈、綠燈的邏輯表達式分別為：

根據邏輯表達式，優化后綠燈的輸入端由圖4 設計的綠燈輸入端G2與JK 觸發器74LS76 的輸出端Q（即紅燈輸入端）相與得到，黃燈同理。

依上紅、黃、綠三色交通信號燈在十字路口交替點亮的優化設計就此完成，如果想讓黃燈起到更好的警示效果，可以在點亮時閃爍，將兩個路口黃燈的輸入端分別與時鐘信號CP 經過一個與門，然后再重新作為十字路口的黃燈輸入端。至此交通燈系統已基本完成，具體見圖3。

圖3 交通燈系統基本設計圖

2.4 白天、夜間模式自動切換設計

為優化城區交通通行效率，縮減車輛排隊等候時間，部分路口采用夜間、白天自動切換模式。設計一個24 進制的加法計數器來控制模式的切換，假設早上6 點到23 點（譯碼顯示6 →23）為白天模式，0 點到5 點（譯碼顯示0 →5）為夜間模式。選用兩塊十進制加/減計數器74LS190連接設計成24 進制的加法計數器，上部分為高位片，下部分為低位片。計數器74LS190 的輸入端CLK 統一接1HZ/5V 的時鐘信號，控制端接低電平，實現加法計數；數據輸入端DCBA 初始值分別用撥碼開關S1、S2置數為“0000”；低位片計數器使能端接低電平，高位片的使能端連接低位片進位/借位輸出端MAX/MIN的反。高位片QB 與低位片QC 經過一個與非門后分別與兩個計數器的置數端LOAD 相接[8]。交通燈在夜間模式，譯碼顯示為0到5的數字，假設計數器74LS190 高位片輸出值從高位到低位依次為QD2QC2QB2QA2，低位片為QD1QC1QB1QA1，切換夜間模式結果為K1，由卡諾圖化簡之后，由于高位片計數器最大輸出為“0010”，QD2QC2輸出始終為“00”，因此可直接化簡為。這里要注意的是當譯碼顯示數字0 到7 時，化簡的結果與K1相同，夜間模式設計結果會出現錯誤，因此在設計過程中需增加一個判斷條件，即低位片的74LS190 輸出QC1、QB1是否同時為高電平，如果QC1、QB1輸出是高電平，則低位片顯示的是6 以上的數字，不滿足夜間模式的時段。假設QC1與QB1經過一個與非門輸出結果為K2，可將K1、K2經過一個與門連接輸出結果作為交通燈夜間模式控制端。白天模式為夜間模式的反，只需要在夜間模式控制端加一個非門得到。為優化模式選擇，接入一個數據選擇器74LS157 集成芯片，具體見圖4。

圖4 交通燈白天、夜間模式切換設計圖

交通燈在夜間模式時，兩個路口的綠燈、紅燈同時熄滅，黃燈一直處于閃爍狀態。假設數據選擇器74LS157 輸出結果為開關“K”,綠燈、紅燈原始輸出分別為GA和RA，加上開關控制后的輸出分別為G1和R1。數字“1”表示燈點亮，數字“0”表示燈熄滅，燈正常運行為“N”[8]，可得到真值表見表4。

表4 第1 個路口紅、綠燈工作模式真值表

由表4 得到綠燈、紅燈輸出的邏輯表達式為：

因此交通燈設計圖中綠燈和紅燈的最后輸入可分別由開關（即數據選擇器74LS157 輸出結果）與圖5 的綠燈、紅燈的輸入端通過一個與門來控制。

同理，黃燈在開關K 為“1”時正常工作，開關為“0”的時候黃燈一直閃爍。假設圖5 黃燈輸出為YA，加開關控制后的輸出為Y1，黃燈點亮值為“1”，熄滅值為“0”，燈正常運行時為“N”[8]，可得到真值表見表5。

根據表5 得到黃燈輸出的邏輯表達式為：

表5 第1 個路口黃燈工作模式真值表

將圖5 黃燈輸入的反和數據選擇器74LS157輸出結果經過一個與非門，得到的結果再與時鐘信號相與作為黃燈新的輸入即可達到預期效果。

第2 個路口綠燈、黃燈與紅燈的輸入端接法與第1 個路口交通燈的接法類似，這里不予重復說明。至此整個交通燈的電路設計圖按照設計要求全部完成。

3 仿真測試結果分析

連接各個單元模塊，形成完整電路圖，進行仿真測試。在仿真時可適當調整時鐘頻率，以便觀測計數結果，如圖5 所示。打開仿真開關，計數器74LS190 先顯示數字“0 →5”，此時交通燈工作在夜間模式，倒計時模塊正常計數，東西向與南北向的黃燈一直處于閃爍狀態，紅燈、綠燈同時熄滅。當計數器74LS190 顯示數字“6 →23”，交通燈工作在白天模式，兩塊計數器74LS192 在脈沖作用下：1）第1 個計數周期正常倒計時計數，譯碼顯示數字“23 →4”時，東西向（即第1 個路口）綠燈點亮，黃燈、紅燈熄滅；譯碼顯示數字“3 →0”時，黃燈點亮，綠燈、紅燈熄滅；此計數周期，南北向（即第2 個路口）紅燈點亮，綠、黃信號燈同時熄滅。2）第2 個計數周期正常倒計時計數，譯碼顯示數字“23 →4”時，南北向（即第2 個路口）綠燈點亮，黃燈、紅燈熄滅；譯碼顯示數字“3 →0”時，黃燈點亮，綠燈、紅燈熄滅；此計數周期，東西向（即第1 個路口）紅燈點亮，綠、黃信號燈同時熄滅。東西向與南北向交通燈在不同計數周期周而復始地交替運行。通過Multisim14 仿真軟件,對十字路口交通燈的時鐘信號、倒計時計數、信號燈主控制電路以及交通燈白天夜間模式切換等各個單元模塊進行設計與仿真，得到了設定的效果，驗證了實際電路的可操作性。

圖5 交通燈系統仿真測試圖

4 結束語

新型科技環境對電子產品設計和功能的要求不斷提高，借助Multisim 仿真技術提供的電子電路分析、設計、仿真為一體的虛擬實驗環境，有利于解決產品結構和工作環境的復雜性問題，由于仿真軟件在空間和時間上可以不受限制，因而大大節約了人力、物力，加快了電子設計的研發速度，具有一定的現實價值。