基于Multisim的红绿灯控制器仿真实现

1、 基于 Multisim 的红绿灯控制器仿真实现摘要介绍运用 Multisim 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 这种高效的设计平台, 能够方便地设计电路, 并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, 它具有省时、低成本、高效率的优越性。关键词：Multisim，交通控制器，EDA，CADDesign and Simulation of Traff ic Lights Controller at the Crossroads Based on MultisimAbstractA traffi

2、c lights controller at the crossroads was designed based on Multisim 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 design platform, make the simulation by virtual instrument librar

3、ies, and verify the electric circuit whether or not meet the design requirements. It has superiority of time saving, low-cost and efficient by comparing with the traditional design method.Keywords: Multisim, traffic controller, EDA, CAD 目录 1 绪论.11.1 引言.11.2 交通信号灯控制电路的概述.12 单元模块.32.1 电源模块.32.2 秒脉冲发生模

4、块.32.3 计数模块.42.4 逻辑电路模块.52.5 分频器模块.63 数字电子钟电路的仿真与调试.83.1 交通信号灯控制电路的仿真.83.2 交通信号灯控制电路的实现.83.3 调试方法.94 调试中出现的问题和解决方法.105 结语.11参考文献.12 第 1 页1 绪论1.1 引言随着计算机与微电子技术的发展, 电子设计自动化 EDA 领域已成为电子技术发展的主体。EDA ( Electronic 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 是

5、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 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 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 软件进行设计仿真分析的基本步骤为: 1) 设计创建仿真电路原理图2) 电路图选项的设置3) 使用仿真仪器4) 设定仿真分析方法5) 启动 Multisim 仿真。下

6、面介绍以 Muitisim 为平台设计一个十字路口交通控制器系统的过程。1.2 交通信号灯控制电路的概述在城镇街道的十字路口中, 为保证交通秩序和行人安全, 一般在每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯。十字路口的平面位置示意图如图 1-1 所示。有主干道和支干道两条道路, 每条道路上各有一组红、黄、绿交通信号灯。主干道与支干道上的车辆交替运行, 主干道上的车辆比较多, 因此主干道的车辆通行时间长, 支干道上的车辆少, 因此支干道的车辆通行时间短。主干道通行时, 主干道绿灯亮, 支干道红灯亮, 时间为 60s;支干道通行时, 主干道绿灯亮, 主干道红灯亮, 时间为 30s。每次绿灯变红时, 黄

7、灯先闪烁 3s(频率为 5 Hz)。此时另一路口的红灯不变。基于以上规则设计的交通控制器控制十字路口两组红、黄、绿交通信号灯的状态转换, 可以方便地实现指挥各种车辆和行人通行实现十字路口交通管理的自动化。 第 2 页图 1-1 十字路口的平面位置示意交通信号灯控制电路的逻辑框图如图 1-2 所示。它由 555 集成芯片构成的多谐振荡电路、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

8、电路图如图 1-2 所示。东西信号灯南北信号灯组合逻辑电路十二进制计数四分频器工作控制开关系统电路秒脉冲产生电路图 1-2 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

9、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 第 3 页2 单元模块2.1 电源模块电源电路如图 2-1 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为正半周时，即 A 为正 B 为负时，二极管 D2、D3导通，D1、D4截止。电流流经的路径是：从 A 点出发，经二

10、极管 D2、负载，在经 D3回到 B 点。当 A 为负 B 为正时，二极管的 D1、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。U1LM7805CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC13.3mFD13N2491243T110:1V1220Vrms 50Hz 0 RL5K 图2-1 直流稳压电源电路图从图上看出，正、负半周如何变换，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，即可得到全脉冲的直流电压和电流。因为这种整流属于全波整流类型。2.2 秒脉冲发生模块秒脉冲产生电路实习就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电

11、容组成的多谐振荡电路，也可以是用 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 脚为电源端，第 1 脚为接地端，第 3 脚为输出端，第 4 脚为直接复位端， 第 4 页第 5 脚为控制电压输入端，第 6 脚为复位控制端，第 2 脚为置位控制端，第 7脚为放电端。为了电路简单和调节振荡周期的方便，采用 555 定时器组成多谐振荡器。振荡周期与频率的计算公式为： T=(R1+2R2)CIn2=0.7(R1+2R2)C (2-1)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0.01

12、uF的瓷片电容。在此毕业设计中要求输出T=1s，选取的电容为C1=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。U1LM555CMGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5.0VR13560 R14434 C21FC310nF图2-2 555定时器与RC组成的多谐振荡器2.3 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

13、电平，一定不要悬空。它具有异步清零、置数、计数、保持等功能，图 2-3 为其引脚排列和逻辑符号，逻辑功能见表 2-1 第 5 页U174LS164DQA3QB4QC5QD6A1B2CLR9CLK8QE10QF11QG12QH13GND7VCC14图 2-3 74LS164 引脚排列和逻辑符号表 2-1 74LS164 的逻辑功能表输入 输出清零 时钟 串入 RD, CP AB QA QB QC QD QE QF QG QH L X XX L L L L L L L L H L XX QAO QBO QCO QDO QEO QFO QGO QHO H HH H QAN QBN QCN QDN Q

14、EN QFN QGN H LX L QAN QBN QCN QDN QEN QFN QGN H XL L QAN QBN QCN QDN QEN QFN QGN2.4 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

15、；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；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 第 6 页辑电路的输出去驱动东西和南北方向的信号灯的点亮。组合逻辑电路的真值表如表 2-2 所示。表 2-2 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 QF NSG NSY NSR EWG EWY EWR 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1 0 0 0

16、1 0 0 0 0 11 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 11 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 11 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 00 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 00 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 00 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 2.5 分频器模块所用的扭环形十二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

17、，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 2-3为 D 触发器动能表，图 2-4 为两个 D 触发器组成的四分频器。U8B74LS74N2D122Q92Q82CLR132CLK112PR10U7A74LS74N1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4图 2-4 四分频器的电路原理图 第 7 页表 2-3 D 触发器功能表CP D Qn+10 X Qn1 0 01 1 174LS74 内含

18、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（）复位输入（） 、时钟输入（CP）和数据输出（Q、Q） 。SDRD、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、SDRDSD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RD传送输出端。 第 8 页3 数字电子钟电路的仿真与调试3.1 交通信号灯控制电路的仿真按照原理图逐步分仿真，先仿真直流稳压电源的产生部分，然后仿真秒脉冲产生部分，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：U2LM7805CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC13.3mFV1220Vrms

19、 50Hz 0 T110:1D13N2491243XMM1XMM2图 3-1 秒脉冲仿真电路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。3.2 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，

20、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。 第 9 页3.3 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。2)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 1Hz。3)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。4)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

21、。5)整体调试。各部分电路连接起来，观察交通信号灯控制电路是否正常工作。 第 10 页4 调试中出现的问题和解决方法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。后来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。 第 11 页5 结语利用 Multisim 对十字路口交通灯控制器各个单元电路和整体电路的设计和仿真, 只要点击鼠标就能方便、快捷地搭建电路, 并且修改电路方便。在电路设计仿