基于Multisim 10的十字路口交通燈控制器的設計與仿真

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。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。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。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。
    下面介紹以Muitisiml0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5Hz)。此時另一路口的紅燈不變。基于以上規(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(zhuǎn)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。

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(qū)動。
2．1 振蕩電路
    振蕩電路輸出頻率分別為1Hz和5Hz、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。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。

    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。
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。74LSl92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。CLR是清零端，LOAD是置數(shù)控制端。用2片74LSl92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74LSl92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。
2．2 74LSl92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74LSl92芯片組成，然后通過主控制電路實現(xiàn)轉(zhuǎn)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。74LSl92構成的計數(shù)器電路圖如圖4所示：左邊的1片74LSl92芯片為計數(shù)器的個位，右邊的1片74LSl92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。

2．3 主控制電路和信號燈譯碼驅(qū)動
    主控制電路和信號燈譯碼驅(qū)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(zhuǎn)換、各方向信號燈的控制。主控制電路和信號燈譯碼驅(qū)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74LSl92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O，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(zhuǎn)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QD2，QC2，QB2，QA2與個位計數(shù)器的QD1，QC1用一個或非門連起來，使信號燈發(fā)生轉(zhuǎn)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
倒計時減到數(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。
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(zhuǎn)換為黃燈2，而且黃燈以O．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(zhuǎn)換成預置的60 s，支干道的黃燈2轉(zhuǎn)換為紅燈2，支干道的車輛禁止通行，主干道的紅燈1轉(zhuǎn)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。