基于Multisim 10仿真軟件的十字路口交通燈控制器系統(tǒng)

　　0 引言

　　 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(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境，它將原理圖的創(chuàng)建、電路的測(cè)試分析、結(jié)果的圖表顯示等全部集成到同一個(gè)電路窗口中。在搭建實(shí)際電路之前，采用 Multisim 10仿真軟件進(jìn)行虛擬測(cè)試，可使實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)手段現(xiàn)代化，擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)容量，使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更完備，提高了實(shí)驗(yàn)效率，節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)資源。Multisim 10軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析的基本步驟為：設(shè)計(jì)創(chuàng)建仿真電路原理圖→電路圖選項(xiàng)的設(shè)置→使用仿真儀器→設(shè)定仿真分析方法→啟動(dòng)Multisim 10仿真。

　　下面介紹以Muitisiml0為平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)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(hào)燈。圖1是一個(gè)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(hào)燈。主干道與支干道上的車輛交替運(yùn)行，主干道上的車輛比較多，因此主干道的車輛通行時(shí)間長(zhǎng)，支干道上的車輛少，因此支干道的車輛通行時(shí)間短。主干道通行時(shí)，主干道綠燈亮，支干道紅燈亮，時(shí)間為60 s;支干道通行時(shí)，主干道綠燈亮，主干道紅燈亮，時(shí)間為30 s。每次綠燈變紅時(shí)，黃燈先閃爍3 s(頻率為5Hz)。此時(shí)另一路口的紅燈不變?；谝陨弦?guī)則設(shè)計(jì)的交通控制器控制十字路口兩組紅、黃、綠交通信號(hào)燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，可以方便地實(shí)現(xiàn)指揮各種車輛和行人通行實(shí)現(xiàn)十字路口交通管理的自動(dòng)化。

　　2 交通控制器電路設(shè)計(jì)與仿真

　　交通控制器電路按功能分成3個(gè)單元電路：振蕩電路、計(jì)數(shù)器和譯碼顯示電路、主控制電路和信號(hào)燈譯碼驅(qū)動(dòng)。

　　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(shí)鐘脈沖。為提高精度，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用555定時(shí)器設(shè)計(jì)一個(gè)輸出頻率為100 Hz的多諧振蕩器，再通過100分頻(100進(jìn)制計(jì)數(shù)器)而得到1 Hz的時(shí)鐘脈沖，通過20分頻得到5 Hz的時(shí)鐘脈沖。

　　2.1.1 555定時(shí)器構(gòu)成的100 Hz多諧振蕩器

　　555定時(shí)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(cè)、家用電器以及電子玩具等領(lǐng)域等許多領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。555定時(shí)器功能多樣，應(yīng)用廣泛，只要外部配上幾個(gè)阻容元器件即可構(gòu)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(shí)器構(gòu)成的100 Hz多諧振蕩器電路原理圖如圖2所示。電路由一個(gè)555芯片、兩個(gè)電阻和兩個(gè)電容組成，通過電阻給電容C充電、放電的過程來(lái)產(chǎn)生振蕩，從而輸出矩形脈沖。

　　2.1.2 74LS192構(gòu)成的100分頻和20分頻的分頻器

　　計(jì)數(shù)器是一個(gè)用以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)功能的時(shí)序部件，它不僅可用來(lái)計(jì)脈沖數(shù)，而且常用作數(shù)字系統(tǒng)的定時(shí)、分頻和執(zhí)行數(shù)字運(yùn)算以及其他特定的邏輯功能，在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。74LSl92是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘十進(jìn)制可逆計(jì)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(gòu)成二級(jí)十分頻器，將100 Hz矩形波100分頻得到1 Hz的時(shí)鐘脈沖、通過20分頻得到5 Hz的時(shí)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(shí)鐘脈沖，而輸出端QD端是經(jīng)過100分頻后得到的1 Hz的時(shí)鐘脈沖。

　　2.2 74LSl92構(gòu)成的計(jì)數(shù)器和譯碼顯示電路

　　計(jì)數(shù)器電路具有60 s倒計(jì)時(shí)(計(jì)數(shù)范圍為60～1的減數(shù)計(jì)數(shù)器)、30 s倒計(jì)時(shí)(計(jì)數(shù)范圍為30～1的減數(shù)計(jì)數(shù)器)以及3 s計(jì)時(shí)功能。此三種計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是由2片十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LSl92芯片組成，然后通過主控制電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，最終各個(gè)方向的倒計(jì)時(shí)共用一套譯碼顯示數(shù)碼管顯示出來(lái)。74LSl92構(gòu)成的計(jì)數(shù)器電路圖如圖4所示：左邊的1片74LSl92芯片為計(jì)數(shù)器的個(gè)位，右邊的1片74LSl92芯片為計(jì)數(shù)器的十位，個(gè)位和十位計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端都接上數(shù)碼管顯示。其中作為個(gè)位數(shù)的74LS192芯片的CLK接的是1 Hz時(shí)鐘脈沖。

　　2.3 主控制電路和信號(hào)燈譯碼驅(qū)動(dòng)

　　主控制電路和信號(hào)燈譯碼驅(qū)動(dòng)用各種門電路和T觸發(fā)器組成，能實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)電路的轉(zhuǎn)換、各方向信號(hào)燈的控制。主控制電路和信號(hào)燈譯碼驅(qū)動(dòng)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(gè)交通信號(hào)燈，紅燈2，黃燈2，綠燈2則是支干道的三個(gè)交通信號(hào)燈。圖4中的兩片74LSl92的8個(gè)輸出端用或門連起來(lái)，接到LD置數(shù)端，決定倒計(jì)時(shí)器是置數(shù)還是計(jì)數(shù)。

　　工作開始時(shí)，LD為O，計(jì)數(shù)器預(yù)置數(shù)，此時(shí)T觸發(fā)器的初始狀態(tài)Q=0，因此預(yù)置數(shù)為30 s。置數(shù)完后，LD變?yōu)?，計(jì)數(shù)器開始從30 s倒計(jì)時(shí)，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(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到“03”秒時(shí)，由于圖4中的十位計(jì)數(shù)器的 QD2，QC2，QB2，QA2與個(gè)位計(jì)數(shù)器的QD1，QC1用一個(gè)或非門連起來(lái)，使信號(hào)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(dāng)?shù)褂?jì)時(shí)減到數(shù)“00”時(shí)，LD又變?yōu)?，計(jì)數(shù)器又預(yù)置60 s，之后又倒計(jì)時(shí)，如此循環(huán)下去。

　　2.4 仿真結(jié)果

　　將上述各單元電路組合起來(lái)，可以得到交通控制燈的整體電路，點(diǎn)擊Multisim 10軟件的“Simulate/Run”按鈕或直接按“F5”鍵，便可以進(jìn)行交通燈控制電路的仿真。電路的倒計(jì)時(shí)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(shí)間顯示器從預(yù)置的30 s，以每秒減1，減到數(shù)3時(shí)，支干道的綠燈2轉(zhuǎn)換為黃燈2，而且黃燈以O(shè).2 s(5 Hz的頻率)閃一次，其他燈不變。減到數(shù)1時(shí)，1 s后顯示器又轉(zhuǎn)換成預(yù)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(jié)語(yǔ)

　　利用Multisim 10對(duì)十字路口交通燈控制器各個(gè)單元電路和整體電路的設(shè)計(jì)和仿真，只要點(diǎn)擊鼠標(biāo)就能方便、快捷地搭建電路，并且修改電路方便。在電路設(shè)計(jì)仿真完成之后再構(gòu)建實(shí)際電路，從而降低了成本，大大提高了教學(xué)和專業(yè)設(shè)計(jì)的效率。