基于Multisim 10的十字路口交通灯控制器的设计与仿真

0 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 10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 10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 10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 10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→电路图选项的设置→使用仿真仪器→设定仿真分析方法→启动Multisim 10仿真。
    下面介绍以Muitisiml0为平台设计一个十字路口交通控制器系统的过程。

1 系统概述
    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。图1是一个典型的十字路口的平面位置示意图：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60 s；支干道通行时，主干道绿灯亮，主干道红灯亮，时间为30 s。每次绿灯变红时，黄灯先闪烁3 s(频率为5Hz)。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。

2 交通控制器电路设计与仿真
    交通控制器电路按功能分成3个单元电路：振荡电路、计数器和译码显示电路、主控制电路和信号灯译码驱动。
2．1 振荡电路
    振荡电路输出频率分别为1Hz和5Hz、幅度为5 V的时钟脉冲。为提高精度，本设计系统利用555定时器设计一个输出频率为100 Hz的多谐振荡器，再通过100分频(100进制计数器)而得到1 Hz的时钟脉冲，通过20分频得到5 Hz的时钟脉冲。
2．1．1 555定时器构成的100 Hz多谐振荡器
    555定时器是一种多用途的模拟、数字混合集成电路，在波形的产生与变换、控制与检测、家用电器以及电子玩具等领域等许多领域中得到了应用。555定时器功能多样，应用广泛，只要外部配上几个阻容元器件即可构成单稳态触发器、施密特触发器、多谐振荡器等电路。

    由555定时器构成的100 Hz多谐振荡器电路原理图如图2所示。电路由一个555芯片、两个电阻和两个电容组成，通过电阻给电容C充电、放电的过程来产生振荡，从而输出矩形脉冲。
2．1．2 74LS192构成的100分频和20分频的分频器
    计数器是一个用以实现计数功能的时序部件，它不仅可用来计脉冲数，而且常用作数字系统的定时、分频和执行数字运算以及其他特定的逻辑功能，在电路设计中应用相当广泛。74LSl92是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟十进制可逆计数器、异步并行置数功能、保持功能以及清零功能。CLR是清零端，LOAD是置数控制端。用2片74LSl92可以构成二级十分频器，将100 Hz矩形波100分频得到1 Hz的时钟脉冲、通过20分频得到5 Hz的时钟脉冲。100分频和20分频电路如图3所示。

    右边1片74LSl92的输出端QA端是经过20分频得到的5 Hz的时钟脉冲，而输出端QD端是经过100分频后得到的1 Hz的时钟脉冲。
2．2 74LSl92构成的计数器和译码显示电路
    计数器电路具有60 s倒计时(计数范围为60～1的减数计数器)、30 s倒计时(计数范围为30～1的减数计数器)以及3 s计时功能。此三种计数的实现主要是由2片十进制计数器74LSl92芯片组成，然后通过主控制电路实现转换，最终各个方向的倒计时共用一套译码显示数码管显示出来。74LSl92构成的计数器电路图如图4所示：左边的1片74LSl92芯片为计数器的个位，右边的1片74LSl92芯片为计数器的十位，个位和十位计数器的四个输出端都接上数码管显示。其中作为个位数的74LS192芯片的CLK接的是1 Hz时钟脉冲。

2．3 主控制电路和信号灯译码驱动
    主控制电路和信号灯译码驱动用各种门电路和T触发器组成，能实现计时电路的转换、各方向信号灯的控制。主控制电路和信号灯译码驱动电路如图5所示。图5中的红灯1，黄灯1，绿灯1是主干道的三个交通信号灯，红灯2，黄灯2，绿灯2则是支干道的三个交通信号灯。图4中的两片74LSl92的8个输出端用或门连起来，接到LD置数端，决定倒计时器是置数还是计数。

    工作开始时，LD为O，计数器预置数，此时T触发器的初始状态Q=0，因此预置数为30 s。置数完后，LD变为1，计数器开始从30 s倒计时，T触发器状态发生翻转Q=1，主干道的红灯1及支干道的绿灯2亮。当计数器计数到“03”秒时，由于图4中的十位计数器的QD2，QC2，QB2，QA2与个位计数器的QD1，QC1用一个或非门连起来，使信号灯发生转换，绿灯2灭，黄灯2在这3 s内以5 Hz的频率闪烁，红灯1不变。当
倒计时减到数“00”时，LD又变为0，计数器又预置60 s，之后又倒计时，如此循环下去。
2．4 仿真结果
    将上述各单元电路组合起来，可以得到交通控制灯的整体电路，点击Multisim 10软件的“Simulate／Run”按钮或直接按“F5”键，便可以进行交通灯控制电路的仿真。电路的倒计时显示首先为30 s，支干道的绿灯2亮，支干道的车辆可自由通行；主干道的红灯1亮，主干道的车辆禁止通行。时间显示器从预置的30 s，以每秒减1，减到数3时，支干道的绿灯2转换为黄灯2，而且黄灯以O．2 s(5 Hz的频率)闪一次，其他灯不变。减到数1时，1 s后显示器又转换成预置的60 s，支干道的黄灯2转换为红灯2，支干道的车辆禁止通行，主干道的红灯1转换为绿灯1，主干道的车辆可自由通行，如此循环下去。

3 结语
    利用Multisim 10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。在电路设计仿真完成之后再构建实际电路，从而降低了成本，大大提高了教学和专业设计的效率。