基于Multisim11交通燈控制器設計

1、 基于Multisim 11交通燈控制器設計 摘要：介紹運用Multisim 11 仿真軟件，設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 11 這種比較高效的設計平臺，能夠方便地設計電路，并且運用虛擬儀器庫進行仿真以及驗證電路是否達到設計要求。與傳統(tǒng)的設計方法相比，他更具有省時、低成本、高效率的優(yōu)越性。關鍵詞：Multisim 11；交通燈控制器；組合邏輯電路：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 controller; combinatorial logical circuit; 目 錄 1.緒論·····

4、··················································

5、·····························1 2.交通信號燈控制電路的概述··················&#

6、183;····························1 3.單元模塊。2 3.1電源模塊··················&#

7、183;·················································&#

8、183;··2 3.2 秒脈沖發(fā)生模塊·············································&

9、#183;·············4 3.3 計數(shù)模塊··································

10、83;···································5 3.4 邏輯電路模塊············

11、83;·················································6 3

12、.5 分頻器模塊················································

13、3;·················8 4. 數(shù)字電子鐘電路的仿真與調(diào)試·····························

14、3;········9 4.1 仿真軟件的簡介·······································

15、83;···················9 4.2 交通信號燈控制電路的仿真···························

16、83;···········10 4.3 交通信號燈控制電路的實現(xiàn)···································&#

17、183;···11 4.4 調(diào)試方法············································

18、83;························11 4.5 調(diào)試中出現(xiàn)的問題、原因分析及解決方案·················12 5.總結(jié)···&

19、#183;·················································&

20、#183;······························13 參考文獻··················

21、··················································

22、········14 致謝·········································&

23、#183;··········································15 附錄······&#

24、183;·················································&#

25、183;···························161.緒論隨著我國城市化建設的發(fā)展，人民的生活水平日漸提高，越來越多的汽車進入了尋常百姓家，再加上政府大力發(fā)展公交車、出租車，使得道路上車輛越來越多，許多大城市如北京、上海、南京等均出現(xiàn)了道路交通超負荷運行的情況。因此，自80年代后期以來，很多城市紛紛擴建城市道路，

26、在道路建設完成的初期，它們也曾有效地改善了交通狀況。然而，隨著交通數(shù)量的快速增長和缺乏對道路的系統(tǒng)研究和控制，擴建道路并沒有充分發(fā)揮出預期的作用。而城市道路多十字路口、多交叉的特點，也決定了城市道路的交通狀況必然受到這種路況的制約。所以，如何采用合適的控制方法，最大限度利用好耗費巨資修建的多車道城市道路，緩解城區(qū)的交通擁堵狀況，越來越成為交通運輸管理和城市規(guī)劃部門亟待解決的問題。在這種情況下，道路交通信號燈開始發(fā)揮著越來越重要的作用，并已成為交通部門管理交通的重要工具之一。2交通信號燈控制電路的概述交通信號燈控制電路的邏輯框圖如圖2-1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

27、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。其整體電路圖如圖2-1所示。系統(tǒng)電路南北信號燈東西信號燈組合邏輯電路 十二進制計數(shù)器 四分頻器 秒脈沖產(chǎn)生電路工作方式控制開關圖 2-1 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

28、開關斷開時，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。其中信號燈白天點亮流程圖如圖2-2所示。 南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮5t 南北方向黃燈亮，東西方向紅燈亮1t 南北方向紅燈亮，東西方向綠燈亮5t 南北方向綠燈亮，東西方向黃燈亮1t 圖2-2 信號指示燈白天點亮流程圖 3.單元模塊 3.1電源模塊電源電路如圖3-1所示，直流穩(wěn)壓電源包括變壓器降壓、二極管（或

29、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該滿足整體電路的需要。在變壓器次級交流電壓u2為正半周時，即A為正B為負時，二極管D2、D3導通，D1、D4截止。電流流經(jīng)的路徑是：從A點出發(fā)，經(jīng)二極管D2、負載，在經(jīng)D3回到B點。若忽略二極管的正向壓降，可以認為R2上的電壓u0 u2 .當u2為負半周時，即A為負B為正時，二極管的D1、D4導通D2、D3截止。電流的通路是從B點出發(fā)，經(jīng)D4、

30、負載R2回到原A點。若忽略二極管的正向壓降u0-u2.從圖上看出，無u2的正、負半周如何變換，流經(jīng)R2的電流方向始終不變，即由C到D。四只二極管中對應橋臂上的兩只為一組，兩組輪流導通。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。 圖3-1 直流穩(wěn)壓電源電路圖3.2 秒脈沖發(fā)生模塊 秒脈沖產(chǎn)生電路實習就是一個多諧振蕩電路，它可以是用門電路和電阻、電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。 基本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腳為直接復位端，第5腳為控制電壓輸入

31、端，第6腳為復位控制端，第2腳為置位控制端，第7腳為放電端。如圖3-2所示CB555的電路結(jié)構(gòu)圖，3-3所示555定時器引腳圖。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。 圖 3-2 CB555電路結(jié)構(gòu)圖5 圖3-3 555定時器引腳圖 振蕩周期與頻率的計算公式為：T=(R1+2R2)CIn2=0.7(R1+2R2)C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0.01uF的瓷片電容。在此畢業(yè)設計中要求輸出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。當元件選取完成以后，根據(jù)電路原理圖

32、連接電路即可。 圖3-4 555定時器與RC組成的多諧振蕩器3.3 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3-5為其引腳排列和邏輯符號，7邏輯功能見表3-1. 圖3-5 74LS164引腳排列和邏輯符 表3-1 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

33、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 QEN QFN QGN H LX L QAN QBN QCN QDN QEN QFN QGN H XL L QAN QBN QCN QDN QEN QFN QGN 用74LS164組成的十二進制扭環(huán)型計數(shù)器電路，其中脈沖經(jīng)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。其中電路圖和功能表如圖3-6 9 圖3-6 計數(shù)器電路圖3.4 邏輯電路模塊 邏輯控制電路是本設計的核心電路，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

34、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：如南北方向綠燈亮時，東西方紅燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈時，東西方向綠燈亮；南北方向黃燈亮時，東西方向紅燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向綠燈亮；南北方向紅燈亮時，東西方向黃燈亮。因此采用組合邏輯設計，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，而且組合邏輯電路的輸出去驅(qū)動東西和南北方向的信號燈的點亮。組合邏輯電路的原理圖如圖3

35、-7所示。組合邏輯電路的真值表如表3-2所示。8圖 3-7 組合邏輯電路的原理圖 表 3-2 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 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

36、 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 11 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院畢業(yè)論文（設計） 3.5 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秒脈沖應該利用秒脈沖經(jīng)分頻器獲得，這就需要設計一個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

37、器共同為邏輯電路提供4S脈沖。如表3-3為D觸發(fā)器動能表，圖3-8為兩個D觸發(fā)器組成的四分頻器。 圖 3-8 四分頻器的電路原理圖 表 3-3 D觸發(fā)器功能表 CP D Qn+1 0 X Qn 1 0 0 1 1 1 74LS74內(nèi)含兩個獨立的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（）復位輸入（）、時鐘輸入（CP）和數(shù)據(jù)輸出（Q、Q）。、的低電平使輸出預置或清除，而與其他輸入端的電平無關。當、均無效（高電平式）時，符合建立時間要求的D數(shù)據(jù)在CP上升沿作用下傳送輸出端。圖3-9為74LS74的管腳排布，表3-4為74LS74的功能表。 10 表 3-4 74LS74的功能表 圖

38、 3-9 74LS74的管腳排布4.數(shù)字電子鐘電路的仿真與調(diào)試4.1仿真軟件的簡介隨著計算機與微電子技術的發(fā)展, 電子設計自動化EDA 領域已成為電子技術發(fā)展的主體。EDA ( Elect ronic Design Automation 電子設計自動化技術) 是在電子CAD 技術基礎上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng), 它在教學、科研、產(chǎn)品設計與制造等方面發(fā)揮著巨大的作用。Multisim 11 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 11軟件有一個完整的集成化設計環(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

39、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 11 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 11 軟件進行設計仿真分析的基本步驟為: 設計創(chuàng)建仿真電路原理圖電路圖選項的設置使用仿真儀器設定仿真分析方法啟動Multisim 11 仿真。下面介紹以Multisim11 為平臺設計一個十字路口交通控制器系統(tǒng)的過程。13 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院畢業(yè)論文（設計）4.2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

40、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： 圖 4-1 秒脈沖仿真電路圖仿真秒脈沖產(chǎn)生電路的電路圖及仿真結(jié)果為： 圖 4-2 秒脈沖仿真圖12 圖 4-3 仿真圖 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。整體仿真電路圖及仿真結(jié)果見附錄。4.3 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。

41、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。4.4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. 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.2 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。3）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

42、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。15 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院畢業(yè)論文（設計）4） 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。4.5調(diào)試中出現(xiàn)的問題、原因分析及解決方法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。經(jīng)老師的指點，發(fā)現(xiàn)變壓器型號錯誤。改變型號后，實驗結(jié)果與預測結(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

43、，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。 145.總結(jié)萬事開頭難，一開始選了這個設計題目，花了好長時間才進入狀態(tài)，設計所需的電路圖。通過這次的設計，我發(fā)現(xiàn)只要不放棄，在最困難的時候堅持下去，那么所有的事情都能迎刃而解。開頭是重要，只有做好了，才能有好的結(jié)果。 學了一個學期的數(shù)字電子技術課程，知道這次畢業(yè)設計時，才發(fā)現(xiàn)，原來自己掌握的知識沒那么有限，能夠運用到實際中的知識更是少之又少。平時，我們都只是學習原理知識，但是沒有進行實踐。許多知識學了就忘，很難將它們長期的保存在腦海中。所以說，實踐是檢驗真理的唯一標準。一切事物，對與不對，都需要通過實踐來證明。同時，實踐還是真正掌握知識、掌握技能的重要途徑，一切的成就都來源于實踐，空想是不通的。 通過本次的畢業(yè)設計，我明白了一個道理：無論做什么事情，都必需養(yǎng)成嚴謹，認真，善思的工作作風，我這次畢業(yè)設計由于采用數(shù)字電路來實現(xiàn)的，所以電路較復雜，但是容易理解。時間轉(zhuǎn)瞬即逝，經(jīng)過數(shù)日的思考、分析，我從原先看見電路圖就一頭霧水到現(xiàn)在能夠設計復雜的交通信號燈控制電路，并且能夠?qū)崿F(xiàn)電路的仿真與調(diào)試，之間的巨大變化著實令人吃驚。但是這種進步來之不易，因為這期間我遇到了很多的困難，發(fā)現(xiàn)了很多的問題