基于Multisim11交通灯控制器设计综述

1、基于Multisim 11交通灯控制器设计摘要：介绍运用Multisim 11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 11这种比较高效的设计平台，能够方便地设计电路，并且运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，他更具有省时、 低成本、高效率的优越性。关键词：Multisim 11 ;交通灯控制器；组合逻辑电路：Design Traffic Lights Controller at the Crossroads Based on Multisim 11Abstract: A traffic ligh

2、ts controller at the crossroads was designed based on Multisim11 simulation software, and the traffic signal lights control at the crossroads was realized . It is easy to design the electric circuit bu using high efficient Multisim 11 design platform, make the simulation by virtual instrument librar

3、ies, and verify the electric ciecuit whether or not meet the design requirements. It has superiority of time saving, loe cost and efficient by comparing with the traditional design method. Keywords: Multisim 11; traffic con troller; comb in atorial logical circuit;目录1. 绪论12. 交通信号灯控制电路的概述 13.单元模块。253

4、.1 电源模块23.2 秒脉冲发生模块43.3 计数模块53.4 逻辑电路模块63.5 分频器模块84. 数字电子钟电路的仿真与调试94.1 仿真软件的简介94.2 交通信号灯控制电路的仿真104.3 交通信号灯控制电路的实现114.4 调试方法114.5 调试中出现的问题、原因分析及解决方案1213145. 总结参考文献致谢15附录161绪论随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻常 百姓家，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许多大城市如 北京、上海、南京等均出现了道路交通超负荷运行的情况。因此，自80年代后期以来,很多城市纷纷扩建城市

5、道路，在道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。 然而，随着交通数量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制，扩建道路并没有充分发 挥出预期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况 必然受到这种路况的制约。所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修 建的多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部 门亟待解决的问题。在这种情况下，道路交通信号灯开始发挥着越来越重要的作用，并已 成为交通部门管理交通的重要工具之一。2交通信号灯控制电路的概述交通信号灯控制电路的逻辑框图如图 2-1所示。它由555集成芯片构成的多谐振荡

6、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2-1所示。图2-1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

7、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，另一方向红灯点亮。其中信号灯 白天点亮流程图如图2-2所示。图2-2 信号指示灯白天点亮流程图3单元模块3.1电源模块电源电路如图3-1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

8、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U2为正半周时，即A为正B为负时，二极管D2、D3导通，Di、 D4截止。电流流经的路径是：从 A点出发，经二极管D2、负载，在经D3回到B点。若忽 略二极管的正向压降，可以认为 R2上的电压uoU2 .当u2为负半周时，即A为负B为正时，二极管的Di、D4导通D2、D3截止。电流的通路是从B点出发，经D4、负载R2回到原A点。若忽略二极管的正向压降u0 -u2.从图上看出，无u2的正、负半周如何变换，流经 R2的电流方向始终不变，即由C到 D。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5

9、KQU6的直流电V10U7压和电流。因为这种整流属110:120Vrms 一. 50Hz fH5KQ类型74LS12DD1P_RATED3N2I I2A49C13.3mFU3AU1LM7805CT U4AVREGLINE VOLTAGECOMMON图74AS稳BN源电路心033.2秒脉3冲发生模块）PAMP_RATED多谐振荡74LS004D秒脉5KS生电路实习就是一个多谐振荡电路，它可以是用门卡認可以是用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脚为第1电路和电阻、电容组成的脚为接地端，R4 3脚为输出端，第4脚为直接复位端，第5

10、脚为控制电压输6脚为复位2N制端口第2脚为置位控制端，第7脚为放电端。如图3-2所示CB555 构图，3-3所示5K5施时器引脚图。为了电路简单和调节振荡周期的方便，采用电源端，入端，第1的电路结555定时器组成多谐振荡器图3-2 CB555 电路结构图GNDCON TRI,THR DIS ,OUT RST .VCCU2LM555CM图3-3 555定时器引脚图振荡周期与频率的计算公式为：T=(Ri+2R2)CIn2=0.7(Ri+2R2)C电源电压Vcc=+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

11、容为 G=1uF, R1=560?，根据振荡周期计算， 选择电阻R1=560?。当元件选取完成以后，根据电路原理图连接电路即可。VCC5.0VR13560 QR14434 QC2U1VCCRSTOUTDISTHRTRICONGNDLM555CMC310nF图3-4 555定时器与RC组成的多谐振荡器3.3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

12、功能，图3-5为其引脚排列和逻辑符号逻辑功能见表3-1.U1CLR CLK,GNDHABCDEFGHWQQQQQQQQ4 -O01 _31340110 11174LS164D图3-5 74LS164引脚排列和逻辑符表3-1 74LS164 的逻辑功能表输入输出清零时钟串入Rd，CPABQaQbQcQdQeQfQgQhLXXXLLLLLLLLHLXXQaoQboQcoQdoQeoQfoQgoQhoHLtHHHQanQbnQcnQdnQenQfnQgnHtLXLQanQbnQcnQdnQenQfnQgnHXLLQanQbnQcnQdnQenQfnQgn用74LS164组成的十二进制扭环型计数器电路

13、，其中脉冲经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。其中电路图和功能表如图3-6图3-6 计数器电路图3.4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；

14、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。组合逻辑电路的原理图如图3-7所示。组合逻辑电路的真值表如表3-2所示。U1A74LS11D &_EWGU9A 74LS04DVCC5k Q4-U3A74LS08JEWY74LS08JEWRU4AL-1U7A174LS32NqU10A74LS08J&r :U12A74LS04DKb1-1U2A-1U5A74LS11DNSG74LS08J& NSYU6A74LS08JNSG&-L-.U8A=

15、74LS32N-*-i U11A74LS08J&十 U13A 74LS04DHu314 85 &_LU图3-7组合逻辑电路的原理图表3-2组合逻辑电路的真值表计数器输出南北信号东西信号Qa Qb Qc Qd Qe QfNSGNSYNSREWGEWY EWR0000001000011000001000011100001000011110001000011111001000011111100100011111110011000111110011000011110011000001110011000000110011000000010010100000001000013.5分频器模块所用的扭环形十二

16、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3-3为D触发器动能表，图3-8为两个D触发器组成的四分 频器。7Aupz02图3-8四分频器的电路原理图CPDQn+10XQn100111表3-3 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

17、（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。图3-9为74LS74的管脚排布, 表3-4为74LS74的功能表。输入输出SdRdCPDQn-1条01XX1010XX0110XXe011t1101100111*X融Sfe表3-4 74LS74 的功能表4Q_1PRU1A51Q1D1CLR74LS74D1CLK 1Q图3-9 74LS74的管脚排布4数字电子钟电路的仿真与调试4.1仿真软件的简介随着计算机与微电子技术的发展,电子设计自动化

18、EDA领域已成为电子技术发展的 主体。EDA （ Elect ronic 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 11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 11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 11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

19、 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 11软件进 行设计仿真分析的基本步骤为：设计创建仿真电路原理图一电路图选项的设置一使用仿真 仪器设定仿真分析方法启动 Multisim 11仿真。下面介绍以Multisim11为平台设计一个十字路口交通控制器系统的过程。4.2交通信号灯控制电路的仿真然后仿真秒脉冲产生部分,按照原理图逐步分仿真，先仿真直流稳压电源的产生部分, 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：XMM1XMM24 -220Vrms .50Hz0 *ln3ni32一 1U2LM7805CTLINEVREg VOLTAGECOMMO

20、N图4-1秒脉冲仿真电路图仿真秒脉冲产生电路的电路图及仿真结果为:VCC5.0V占R14560 QU17卄R157k QVCCRSTOUTDISTHRTRICONGNDXSC1C3LM555CMC2 一 1 A F10nF图4-2秒脉冲仿真图ChanwlA 00a v &mo v o con vEn.iSc-al4 W mf/DiiviJhanbhej A5 MTDRvTr*O0#rBa” py 玉 ir亠3srJ Qipt|-O BgyioJy/t am 1Mil8 |flRTITAE | 0 |&C- |Typ-eJ Hijr |(UdM |3 11*4 V 2.IM V 0 DOD VI

21、hmc g nos m* ooms m畧 o Dao T2-T1图4-3仿真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。 整体仿真电路图及仿真结果见附录。4.3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

22、，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。4.4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.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1H z.2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。3）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。4） 整体调试。各部分电路连接起

23、来，观察交通信号灯控制电路是否正常工作。4.5调试中出现的问题、原因分析及解决方法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 经老师的指点，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总结万事开头难，一开始选了这个设

24、计题目，花了好长时间才进入状态，设计所需的电路 图。通过这次的设计，我发现只要不放弃，在最困难的时候坚持下去，那么所有的事情都 能迎刃而解。开头是重要，只有做好了，才能有好的结果。学了一个学期的数字电子技术课程，知道这次毕业设计时，才发现，原来自己掌 握的知识没那么有限，能够运用到实际中的知识更是少之又少。平时，我们都只是学习原 理知识，但是没有进行实践。许多知识学了就忘，很难将它们长期的保存在脑海中。所以 说，实践是检验真理的唯一标准。一切事物，对与不对，都需要通过实践来证明。同时， 实践还是真正掌握知识、掌握技能的重要途径，一切的成就都来源于实践，空想是不通的。通过本次的毕业设计，我明白了

25、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，我这次毕业设计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。时间转瞬即逝，经过数日的思考、分析，我从原先看见电路图就一头雾水到现在能够 设计复杂的交通信号灯控制电路，并且能够实现电路的仿真与调试，之间的巨大变化着实 令人吃惊。但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题， 正是解决问题期间我才慢慢的熟悉数字电子技术的基础知识，才慢慢学会了如何按照给定 的要求设计出合适的电路。这次毕业设计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

26、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 毕业设计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。在毕业设计过程中我们遇到很多问题，原因有很多比如如何安装软件、如何正确快速 的查找各个器件，调试过程中遇到的问题都不尽相同，但是通过老师的讲解都迎刃而解。 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

27、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。这次毕业设计让我有很深的感悟：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， 20082 韩力， multisim10 应用教程，电子工业出版社， 20083 谢自美，电子线路综合设计 M ，华中科技大学出版社， 20064 阎石，数字电子技术基础（第五版） ，高等教育出版社， 20095 付家才，电子电工程实践技术，北京工业出版社， 20036 毕满青，电子技术实验与课程设计，机械工业出版社， 20017 高吉祥，电子技术基础实验与课程设计，电子工业出版社，20038 邱寄帆，数字逻辑电路 CAI,北京：清华大学出版社， 2000,129 唐德洲，邱寄帆，数字电子技术，重庆：重庆大学出版社，2002,0810 杨志忠，数字集成电路，第二版，北京：中国电力工业出版社，199811 杨志忠，电子技术基础：数字部分。北京：中国电力工业出版社，1999致谢成功离不开时间的迁移，汗水的