基于Multisim 10的十字路口交通燈控制器的設(shè)計(jì)與仿真

摘 要:介紹運(yùn)用Multisim 10仿真軟件，設(shè)計(jì)一個(gè)十字路口交通燈控制器。該控制器實(shí)現(xiàn)了對十字路口交通信號(hào)燈控制。利用Multisim 10這種高效的設(shè)計(jì)平臺(tái)，能夠方便地設(shè)計(jì)電路，并用虛擬儀器庫進(jìn)行仿真以及驗(yàn)證電路是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比，它具有省時(shí)、低成本、高效率的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞: Multisim 10; 交通控制器; EDA; CAD

中圖分類號(hào):TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)11-0179-03

Design and Simulation of Traffic Lights Controller at the Crossroads Based on Multisim10

NIE Ru

(Guangzhou Auto College， South China University of Technology， Guangzhou 510800， China)

Abstract:A traffic lights controller at the crossroads was designed based on Multisim10 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 10 design platform， make the simulation by virtual instrument libraries， and verify the electric circuit whether or not meet the design requirements. It has superiority of time-saving， low-cost and efficient by comparingwith the traditional design method.

Keywords: Multisim 10; traffic controller; EDA; CAD

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)與微電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA領(lǐng)域已成為電子技術(shù)發(fā)展的主體[1]。EDA(Electronic Design Automation電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù))是在電子CAD 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，它在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(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[2]。在搭建實(shí)際電路之前，采用Multisim 10仿真軟件進(jìn)行虛擬測試，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[3]。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[4]。

下面介紹以Muitisim10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，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5 Hz)。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。

圖1 十字路口的平面位置示意圖

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1 Hz和5 Hz、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、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[5]。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[6]。

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、放電的過程來產(chǎn)生振蕩，從而輸出矩形脈沖[7]。

圖2 555 構(gòu)成的100 Hz 多諧振蕩器原理圖

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[8]。74LS192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[9]。CLR是清零端，LOAD是置數(shù)控制端[10]。用2片74LS192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74LS192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。

圖3 74 LS192 構(gòu)成的100分頻和20分頻電路圖

2.2 74LS192 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74LS192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。74LS192構(gòu)成的計(jì)數(shù)器電路圖如圖4所示:左邊的1片74LS192芯片為計(jì)數(shù)器的個(gè)位，右邊的1片74LS192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。

圖4 74LS192 構(gòu)成的計(jì)數(shù)器電路

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74LS192的8個(gè)輸出端用或門連起來，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0，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QD2，QC2，QB2，QA2與個(gè)位計(jì)數(shù)器的QD1，QC1用一個(gè)或非門連起來，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。

圖5 主控制電路

2.4 仿真結(jié)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(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0.2 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

利用Multisim 10對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。

參考文獻(xiàn)

[1]張艷春.數(shù)字電子系統(tǒng)的EDA設(shè)計(jì)方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(17):188-190.

[2]周凱，郝文化.EWB虛擬電子實(shí)驗(yàn)室——Multisim7Ulti-board7電子電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

[3]孫曉艷，黃萍.基于Multisim的電子電路課堂教學(xué)[J].微電子技術(shù)，2006(24):142-144.

[4]鄭步生，吳渭.Multisim 2001電路設(shè)計(jì)及仿真入門與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2002.

[5]何香玲.多諧振蕩器的研究與仿真[J].電子技術(shù)，2009(2):53-56.

[6]李定華.555定時(shí)器及其應(yīng)用[J].中小企業(yè)管理與科技，2008(35):230-231.

[7]滕政勝，黃銘.555定時(shí)器的典型應(yīng)用及OrCAD/PSpice仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(7):181-184.

[8]湯德榮.淺談?dòng)?4LS90設(shè)計(jì)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器[J].大眾科技，2009(6):43-45.

[9]姚婭川，吳培明.數(shù)字電子技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社，2006.

[10]王琳.基于Multisim的任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)方法[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2007(14):424-425，456.