基于Multisim的紅綠燈控制器仿真實現(xiàn)

1、 基于 Multisim 的紅綠燈控制器仿真實現(xiàn)摘要介紹運用 Multisim 仿真軟件, 設(shè)計一個十字路口交通燈控制器。該控制器實現(xiàn)了對十字路口交通信號燈控制。利用 Multisim 這種高效的設(shè)計平臺, 能夠方便地設(shè)計電路, 并用虛擬儀器庫進行仿真以及驗證電路是否達到設(shè)計要求。與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比, 它具有省時、低成本、高效率的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：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 目錄 1 緒論.11.1 引言.11.2 交通信號燈控制電路的概述.12 單元模塊.32.1 電源模塊.32.2 秒脈沖發(fā)生模

4、塊.32.3 計數(shù)模塊.42.4 邏輯電路模塊.52.5 分頻器模塊.63 數(shù)字電子鐘電路的仿真與調(diào)試.83.1 交通信號燈控制電路的仿真.83.2 交通信號燈控制電路的實現(xiàn).83.3 調(diào)試方法.94 調(diào)試中出現(xiàn)的問題和解決方法.105 結(jié)語.11參考文獻.12 第 1 頁1 緒論1.1 引言隨著計算機與微電子技術(shù)的發(fā)展, 電子設(shè)計自動化 EDA 領(lǐng)域已成為電子技術(shù)發(fā)展的主體。EDA ( Electronic Design Automation 電子設(shè)計自動化技術(shù))是在電子 CAD 技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng), 它在教學(xué)、科研、產(chǎn)品設(shè)計與制造等方面發(fā)揮著巨大的作用。Multisim 是

5、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 軟件有一個完整的集成化設(shè)計環(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電路窗口中。在搭建實際電路之前, 采用 Multisim 仿真軟件進行虛擬測試, 可使實驗方法和實驗手段現(xiàn)代化, 擴展實驗容量, 使實驗內(nèi)容更完備, 提高了實驗效率, 節(jié)省大量的實驗資源。Multisim 軟件進行設(shè)計仿真分析的基本步驟為: 1) 設(shè)計創(chuàng)建仿真電路原理圖2) 電路圖選項的設(shè)置3) 使用仿真儀器4) 設(shè)定仿真分析方法5) 啟動 Multisim 仿真。下

6、面介紹以 Muitisim 為平臺設(shè)計一個十字路口交通控制器系統(tǒng)的過程。1.2 交通信號燈控制電路的概述在城鎮(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、綠交通信號燈。十字路口的平面位置示意圖如圖 1-1 所示。有主干道和支干道兩條道路, 每條道路上各有一組紅、黃、綠交通信號燈。主干道與支干道上的車輛交替運行, 主干道上的車輛比較多, 因此主干道的車輛通行時間長, 支干道上的車輛少, 因此支干道的車輛通行時間短。主干道通行時, 主干道綠燈亮, 支干道紅燈亮, 時間為 60s;支干道通行時, 主干道綠燈亮, 主干道紅燈亮, 時間為 30s。每次綠燈變紅時, 黃

7、燈先閃爍 3s(頻率為 5 Hz)。此時另一路口的紅燈不變?；谝陨弦?guī)則設(shè)計的交通控制器控制十字路口兩組紅、黃、綠交通信號燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換, 可以方便地實現(xiàn)指揮各種車輛和行人通行實現(xiàn)十字路口交通管理的自動化。 第 2 頁圖 1-1 十字路口的平面位置示意交通信號燈控制電路的邏輯框圖如圖 1-2 所示。它由 555 集成芯片構(gòu)成的多諧振蕩電路、雙 D 觸發(fā)器構(gòu)成的分頻器、十二進制扭環(huán)形計數(shù)器、直流穩(wěn)壓電源構(gòu)成部分以及組合邏輯電路組成。555 集成芯片構(gòu)成的振蕩電路產(chǎn)生的信號經(jīng)過分頻器作為 4 秒脈沖，4 秒脈沖送入計數(shù)器，來控制紅黃綠燈的工作狀態(tài)及工作時間?？赏ㄟ^觀察亮燈的情況形成有序的交通。其整體

8、電路圖如圖 1-2 所示。東西信號燈南北信號燈組合邏輯電路十二進制計數(shù)四分頻器工作控制開關(guān)系統(tǒng)電路秒脈沖產(chǎn)生電路圖 1-2 整體電路框圖該系統(tǒng)的工作原理是：信號燈黑天工作，即開關(guān)閉合時，計數(shù)器被置零，不工作，A、B 輸入為低電平，使紅燈、綠燈不工作。當(dāng) 555 多諧振蕩器產(chǎn)生的秒脈沖為高電平時，黃燈亮，為低電平時，黃燈滅。產(chǎn)生黃燈閃爍的現(xiàn)象。信號燈白天工作，即開關(guān)斷開時，計數(shù)器正常工作，有直流穩(wěn)壓電源為其提供 5V 直流電壓，555 定時器形成的多諧振蕩器為其提供秒脈沖，A、B 輸入為高電平，通過與、或、非們組成的組合邏輯電路決定亮燈的情況，使某方向綠燈點亮 20 秒，然后黃燈點亮 4 秒，最

9、后紅燈點亮 24 秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點 第 3 頁2 單元模塊2.1 電源模塊電源電路如圖 2-1 所示，直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管（或整流橋）整流、電容濾波、集成穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓四部分。電源電壓采用直流 5v，通過變壓器將市電 220v 降壓到交流 9v，在通過整流橋整流整流濾波和穩(wěn)壓塊 7805 得到直流 5v 電壓。直流穩(wěn)壓電源的任務(wù)是為整體電路提供直流電源。故穩(wěn)壓電源電路的輸出穩(wěn)壓值和輸出的電流值應(yīng)該滿足整體電路的需要。在變壓器次級交流電壓為正半周時，即 A 為正 B 為負時，二極管 D2、D3導(dǎo)通，D1、D4截止。電流流經(jīng)的路徑是：從 A 點出發(fā)，經(jīng)二

10、極管 D2、負載，在經(jīng) D3回到 B 點。當(dāng) A 為負 B 為正時，二極管的 D1、D4導(dǎo)通 D2、D3 截止。電流的通路是從 B 點出發(fā)，經(jīng) D4、負載 R2回到原 A 點。U1LM7805CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC13.3mFD13N2491243T110:1V1220Vrms 50Hz 0 RL5K 圖2-1 直流穩(wěn)壓電源電路圖從圖上看出，正、負半周如何變換，四只二極管中對應(yīng)橋臂上的兩只為一組，兩組輪流導(dǎo)通。在負載上，即可得到全脈沖的直流電壓和電流。因為這種整流屬于全波整流類型。2.2 秒脈沖發(fā)生模塊秒脈沖產(chǎn)生電路實習(xí)就是一個多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電

11、容組成的多諧振蕩電路，也可以是用 555 和電阻、電容組成的多諧振蕩器?；?RS 觸發(fā)器、雙極型三極管 T 和輸出緩沖器組成，其外部有 8 個引腳，第 8 腳為電源端，第 1 腳為接地端，第 3 腳為輸出端，第 4 腳為直接復(fù)位端， 第 4 頁第 5 腳為控制電壓輸入端，第 6 腳為復(fù)位控制端，第 2 腳為置位控制端，第 7腳為放電端。為了電路簡單和調(diào)節(jié)振蕩周期的方便，采用 555 定時器組成多諧振蕩器。振蕩周期與頻率的計算公式為： T=(R1+2R2)CIn2=0.7(R1+2R2)C (2-1)電源電壓VCC=+5V,其中電路圖中C2的作用是防止電磁干擾對振蕩電路的影響，一般選用0.01

12、uF的瓷片電容。在此畢業(yè)設(shè)計中要求輸出T=1s，選取的電容為C1=1uF，R1=560，根據(jù)振蕩周期計算，選擇電阻R1=560。當(dāng)元件選取完成以后，根據(jù)電路原理圖連接電路即可。U1LM555CMGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC5.0VR13560 R14434 C21FC310nF圖2-2 555定時器與RC組成的多諧振蕩器2.3 計數(shù)模塊74LS164 是用 8 位串行輸入并行輸出的移位寄存器主成的扭環(huán)形十二進制計數(shù)器。數(shù)據(jù)通過兩個輸入端（A 或 B）之一串行輸入：任一輸入端可以用作高電平使能端，控制另一輸入端的數(shù)據(jù)輸入?；蛘邇蓚€輸入端連接在一起，或者把不用的輸入端接高

13、電平，一定不要懸空。它具有異步清零、置數(shù)、計數(shù)、保持等功能，圖 2-3 為其引腳排列和邏輯符號，邏輯功能見表 2-1 第 5 頁U174LS164DQA3QB4QC5QD6A1B2CLR9CLK8QE10QF11QG12QH13GND7VCC14圖 2-3 74LS164 引腳排列和邏輯符號表 2-1 74LS164 的邏輯功能表輸入 輸出清零 時鐘 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 邏輯電路模塊邏輯控制電路是本設(shè)計的核心電路，它由控制交通信號燈按要求方式點亮（一般經(jīng)驅(qū)動電路去控制信號燈） 。根據(jù)白天信號燈的點亮要求，將時序邏輯電路的輸出作為組合邏輯電路的輸入，而組合邏輯電路的輸出給信號燈的驅(qū)動電路。夜晚工作方式也需要組合邏輯電路的功能以及秒脈沖通過與門實現(xiàn)?？刂齐娐返奶攸c：從點亮要求可以看出，有些輸出是并行的：如南北方向綠燈亮?xí)r，東西方紅燈亮；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈時，東西方向綠燈亮

15、；南北方向黃燈亮?xí)r，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮?xí)r，東西方向黃燈亮。因此采用組合邏輯設(shè)計，組合邏輯電路：將十二進制計數(shù)器作為組合邏輯電路的輸入，而且組合邏 第 6 頁輯電路的輸出去驅(qū)動?xùn)|西和南北方向的信號燈的點亮。組合邏輯電路的真值表如表 2-2 所示。表 2-2 組合邏輯電路的真值表 計數(shù)器輸出 南北信號 東西信號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 分頻器模塊所用的扭環(huán)形十二進制計數(shù)器的時間單位為 4 秒，即它的 CP 脈沖為 4 秒。為了使整體電路的工作步調(diào)一致，4 秒脈沖應(yīng)該利用秒脈沖經(jīng)分頻器獲得

17、，這就需要設(shè)計一個 4 分頻器電路。秒脈沖進 4 分頻后得到 4 秒脈沖，將其作為十二進制計數(shù)器的 CP 脈沖。本次設(shè)計使用兩個 D 觸發(fā)器（74LS74）組成 4 分頻器電路。使 555 多諧振蕩器與分頻器共同為邏輯電路提供 4S 脈沖。如表 2-3為 D 觸發(fā)器動能表，圖 2-4 為兩個 D 觸發(fā)器組成的四分頻器。U8B74LS74N2D122Q92Q82CLR132CLK112PR10U7A74LS74N1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4圖 2-4 四分頻器的電路原理圖 第 7 頁表 2-3 D 觸發(fā)器功能表CP D Qn+10 X Qn1 0 01 1 174LS74 內(nèi)含

18、兩個獨立的 D 上升沿雙 D 觸發(fā)器，每個觸發(fā)器有數(shù)據(jù)輸入（D） 、置位輸入（）復(fù)位輸入（） 、時鐘輸入（CP）和數(shù)據(jù)輸出（Q、Q） 。SDRD、的低電平使輸出預(yù)置或清除，而與其他輸入端的電平無關(guān)。當(dāng)、SDRDSD均無效（高電平式）時，符合建立時間要求的 D 數(shù)據(jù)在 CP 上升沿作用下RD傳送輸出端。 第 8 頁3 數(shù)字電子鐘電路的仿真與調(diào)試3.1 交通信號燈控制電路的仿真按照原理圖逐步分仿真，先仿真直流穩(wěn)壓電源的產(chǎn)生部分，然后仿真秒脈沖產(chǎn)生部分，最后整體電路的仿真直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)生部分電路及仿真結(jié)果：U2LM7805CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC13.3mFV1220Vrms

19、 50Hz 0 T110:1D13N2491243XMM1XMM2圖 3-1 秒脈沖仿真電路圖通過仿真的部分電路，結(jié)合組合邏輯電路及計數(shù)器，分頻器部分實現(xiàn)電路的整體仿真。3.2 交通信號燈控制電路的實現(xiàn)交通信號燈控制電路的工作原理：信號燈白天工作，即開關(guān)斷開時，計數(shù)器正常工作， 由直流穩(wěn)壓電源為其提供 5V 直流電壓，555 定時器形成的多諧振蕩器為其提供秒脈沖，A、B 輸入為高電平，通過與、或、非組成的邏輯電路決定亮燈的情況，使其某方向綠燈點亮 20 秒，然后黃燈點亮 4 秒，最后紅燈點亮 24 秒。在該方向為綠燈和黃燈點亮期間，另一方向紅燈點亮。信號燈黑天工作，即開關(guān)閉合時，計數(shù)器被置零，

20、不工作，A、B 輸入為低電平，使紅燈、綠燈不工作。當(dāng) 555 多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖為高電平時，黃燈亮，為低電平時，黃燈滅。產(chǎn)生黃燈閃爍的現(xiàn)象。 第 9 頁3.3 調(diào)試方法1)首先調(diào)試直流穩(wěn)壓電源。用電壓表觀察直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓，確定電路連接及所用遠見是否正確，輸出電壓是否為 5V。2)調(diào)試 555 定時器。用示波器觀察定時器輸出波形，確定 555 定時器是否正常工作，振蕩頻率是否是 1Hz。3)調(diào)試分頻器。用示波器觀察分頻器輸出波形，確定信號頻率是否是0.25Hz。4)調(diào)試計數(shù)器電路。將雙 D 觸發(fā)器組成的 4 分頻器的電路產(chǎn)生的 4 秒脈沖信號作為計數(shù)器的輸入信號，觀察計數(shù)器是否正常工作

21、。5)整體調(diào)試。各部分電路連接起來，觀察交通信號燈控制電路是否正常工作。 第 10 頁4 調(diào)試中出現(xiàn)的問題和解決方法1)對直流穩(wěn)壓電源進行仿真時，發(fā)現(xiàn)在直流穩(wěn)壓電源的輸入輸出均符合要求的情況下，接入整體電路后總是出現(xiàn)故障，把直流穩(wěn)壓電源產(chǎn)生電路換成直流電源，則結(jié)果正確。后來發(fā)現(xiàn)變壓器型號錯誤。改變型號后，實驗結(jié)果與預(yù)測結(jié)果相同。2)對 555 定時器形成的多諧振蕩器進行仿真時，與預(yù)期結(jié)果差不多，有一定的誤差。接入整體電路后發(fā)現(xiàn)亮燈情況與理論結(jié)果不一致，但是直接用秒脈沖時，得到理想結(jié)果。經(jīng)過討論分析，555 定時器運用型號錯誤，再次犯了相同的錯誤，經(jīng)過改正，得到理想結(jié)果。 第 11 頁5 結(jié)語利用 Multisim 對十字路口交通燈控制器各個單元電路和整體電路的設(shè)計和仿真, 只要點擊鼠標就能方便、快捷地搭建電路, 并且修改電路方便。在電路設(shè)計仿