基于EWB在交通信號(hào)燈自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

羅光毅，熊飛嶠

（遵義師范學(xué)院物理系，貴州遵義563002）

基于EWB在交通信號(hào)燈自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

羅光毅，熊飛嶠

（遵義師范學(xué)院物理系，貴州遵義563002）

介紹了ewb在電子線(xiàn)路設(shè)計(jì)和研究中的作用，以十字路口的道路交通信號(hào)燈自動(dòng)控制為例，研究了數(shù)字集成741系列對(duì)交通信號(hào)燈的控制，并對(duì)74163置換74160作了可行性研究，根據(jù)交通信號(hào)燈的控制要求和特點(diǎn)，闡述了控制方案并仿真設(shè)計(jì)。

電路設(shè)計(jì)；ewb；仿真設(shè)計(jì)

雖然道路交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)的種類(lèi)很多，功能各異，但交通信號(hào)燈自動(dòng)指揮控制系統(tǒng)都是典型的數(shù)字電路控制系統(tǒng)。以數(shù)字集成741系統(tǒng)、三態(tài)門(mén)邏輯電路為主的低成本同時(shí)又能發(fā)揮其功能的設(shè)計(jì)電路，足以解決信號(hào)燈自動(dòng)控制。EWB（electronics workbench）作為電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)軟件，功能強(qiáng)大，可視化界面清晰，且易學(xué)易用，可作為高校電路實(shí)驗(yàn)和綜合電路設(shè)計(jì)的配套軟件[1]。設(shè)計(jì)遵循“理論推導(dǎo),虛實(shí)結(jié)合,仿真設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證”的原則[2]。設(shè)計(jì)者不僅可精確地進(jìn)行電路分析，深入理解電子電路原理，而且有利于培養(yǎng)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[3]。本文基于EWB對(duì)交通信號(hào)燈自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作流程和邏輯結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作流程

1.1.1 設(shè)計(jì)效果

設(shè)系統(tǒng)工作的十字路口由車(chē)流量較大的主干道和流量較小的支線(xiàn)組成，四個(gè)路口均設(shè)有紅、黃、綠三色信號(hào)燈和兩位計(jì)數(shù)、譯碼顯示器，以達(dá)到以下效果：

（1）主、支道路交替通行，通行時(shí)間均可在0-99s內(nèi)任意設(shè)定；

（2）每次綠燈換紅燈前，黃燈先亮較短時(shí)間以等待十字路口內(nèi)留車(chē)通過(guò)；

（3）主、支道路通行時(shí)間和黃燈亮的時(shí)間均由同一兩位百進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器（按零狀態(tài)為無(wú)效態(tài)方式計(jì)數(shù)）順序定時(shí)控制；

（4）減法計(jì)數(shù)器回零瞬間完成十字路口通行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；

（5）計(jì)數(shù)器的狀態(tài)由顯示器件庫(kù)中的帶譯碼七段數(shù)碼顯示器顯示，三色信號(hào)燈由其中的指示燈模擬實(shí)現(xiàn)。

1.1.2 交通信號(hào)燈自動(dòng)指揮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

（1）在交通指揮信號(hào)系統(tǒng)工作時(shí)，信號(hào)燈按一定的時(shí)序工作：1）主干道綠燈和支道東西方向綠燈不能同時(shí)亮，如果同時(shí)亮則應(yīng)該立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并自動(dòng)關(guān)閉信號(hào)燈系統(tǒng)。2）系統(tǒng)工作后，首先主干道南北紅燈亮并維持25s；在此同時(shí)，支道東西綠燈亮，并維持25s時(shí)間，到25s時(shí)，東西綠燈閃亮，閃亮5s后熄滅。3）在東西綠燈熄滅時(shí)，東西黃燈亮并維持5s，到5s時(shí)，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時(shí)南北紅燈熄滅，南北綠燈亮。4）東西紅燈亮并維持35s；在此同時(shí)，南北綠燈亮并維持30s,然后，南北綠燈閃亮5s后熄滅。5）南北綠燈熄滅時(shí)，南北黃燈亮持續(xù)5s后熄滅，同時(shí)南北紅燈亮，東西綠燈亮，至此，結(jié)束一個(gè)工作循環(huán)。然后兩個(gè)方向的信號(hào)燈按上面的要求周而復(fù)始地進(jìn)行工作。

1.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由以上設(shè)計(jì)思路，分別列出該系統(tǒng)的工作流程圖1和結(jié)構(gòu)方框圖2。

2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)用可逆計(jì)數(shù)器74190（預(yù)置BCD十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器）設(shè)計(jì)異步0-99任意進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器

2.1.1 “零狀態(tài)置數(shù)法”

由于74190是在時(shí)鐘脈沖上升沿觸發(fā)，因此，可以利用低位計(jì)數(shù)器的借位輸出脈沖直接作高位計(jì)數(shù)器的觸發(fā)脈沖，高低位計(jì)數(shù)器組成異步級(jí)連方式，先將兩塊74190分別連接成十進(jìn)制減法工作方式，將個(gè)位計(jì)數(shù)器（U2）的借位信號(hào)（RCO’）連接到十位計(jì)數(shù)器（U1）的脈沖輸入端（LCK）組成異步計(jì)數(shù)方式。將兩個(gè)計(jì)數(shù)器（U1、U2）的（RCO’）端通過(guò)或門(mén)控制兩片計(jì)數(shù)器的置數(shù)控制端（LOAD），將兩片計(jì)數(shù)器的置數(shù)輸入端（D、C、B、A）按進(jìn)制要求適當(dāng)連接，該減法計(jì)數(shù)器在“00”狀態(tài)的瞬間完成置數(shù)。因此，電路中或門(mén)的輸入為 0，使兩片 74190的置數(shù)控制端（LOAD’）同時(shí)得到有效低電平，將置數(shù)輸入端（D、C、B、A）的數(shù)據(jù)置入計(jì)數(shù)器，并在0-99以?xún)?nèi)任意選擇計(jì)數(shù)值，如圖3。

2.1.2 “九狀態(tài)置數(shù)法”

對(duì)十進(jìn)制遞減計(jì)數(shù)器而言，“0”狀態(tài)之后，一定是狀態(tài)“9”，我們可以利用QD和QA相“與”后，完成任意進(jìn)制置數(shù)。即利用“9”狀態(tài)出現(xiàn)的瞬間特征（QD= QA=1），借助置數(shù)控制端LOAD和置數(shù)輸入端A，B，C，D，將“9”置換為任意進(jìn)制數(shù)“N”。圖4為采用異步級(jí)連方式的零為有效狀態(tài)的遞減計(jì)數(shù)器。

“利用反饋清零”法組成的零有效九進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器，利用“反饋置數(shù)”法同樣也可以組成零為無(wú)效狀態(tài)的任意進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器，對(duì)74190而言，令其工作在遞增計(jì)數(shù)方式下，同樣也可以利用“反饋置數(shù)”法組成零狀態(tài)有效或無(wú)效的任意進(jìn)制遞增計(jì)數(shù)器。

2.2 運(yùn)用74163或74160設(shè)計(jì)狀態(tài)譯碼器

以狀態(tài)控制器輸出（QB、QA）作譯碼器的輸入變量，根據(jù)四個(gè)不同通行狀態(tài)，對(duì)主、支線(xiàn)道路三色信號(hào)燈的控制要求，列出燈控函數(shù)真值表1。

由燈控函數(shù)邏輯表達(dá)式，可畫(huà)出與門(mén)和非門(mén)組成的狀態(tài)譯碼電路如下，將狀態(tài)控制器、狀態(tài)譯碼器以及模擬三色信號(hào)燈相連接，構(gòu)成三色信號(hào)燈邏輯控制電路，狀態(tài)譯碼器電路的過(guò)程完全可以借助EWB自動(dòng)進(jìn)行，在EWB界面下，打開(kāi)儀器庫(kù)，調(diào)出邏輯轉(zhuǎn)換儀面板上的真值表，填入某燈的輸入變量和輸出函數(shù)值，按下“真值表→簡(jiǎn)化邏輯函數(shù)→邏輯圖”按鈕，即可得到該燈的邏輯圖。由燈控函數(shù)真值表可以寫(xiě)出六盞燈的邏輯式：

表1 燈控函數(shù)真值表一

據(jù)此，由以74163集成塊為主體的燈控邏輯電路如圖5。

根據(jù)電路要求及集成電路的功能，在設(shè)計(jì)中用74163代替47160同樣達(dá)到效果，具體設(shè)計(jì)如下（見(jiàn)圖6）：只需將74160的A、B、C、D接地，把QA、QB加一個(gè)與非門(mén)接到LQAD`上，其余不變，則此時(shí)輸出的QA、QB信號(hào)可以用74163組成的三色燈邏輯控制電路替代。

2.3 三態(tài)門(mén)定時(shí)控制器的設(shè)計(jì)

三態(tài)門(mén)，是指邏輯門(mén)的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)——高阻狀態(tài)的門(mén)電路，高阻態(tài)相當(dāng)于隔斷狀態(tài)（亦稱(chēng)禁止態(tài)）。三態(tài)與非門(mén)的最重要用途是可向一條導(dǎo)線(xiàn)上輪流傳送幾組不同的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，為了保證接在同一條總線(xiàn)上的許多三態(tài)門(mén)能正常工作，一個(gè)必要條件是，任何時(shí)間里最多只有一個(gè)門(mén)處于工作狀態(tài)。

根據(jù)三態(tài)門(mén)的基本工作原理，當(dāng)c為高電平時(shí)，a、b為通路，當(dāng)c為低電平時(shí)，a、b產(chǎn)生高阻。其功能如表2。

表2 三態(tài)門(mén)工作狀態(tài)

為使設(shè)計(jì)系統(tǒng)簡(jiǎn)化，用同一減法計(jì)數(shù)器分時(shí)顯示主、支線(xiàn)道路通行時(shí)間，現(xiàn)設(shè)計(jì)主、支線(xiàn)道路的綠燈通行時(shí)間為35s、25s，主、支線(xiàn)道路的紅燈停止時(shí)間為25s、35s，黃燈均為5s。將控制電路的子電路的CLK端反向接入計(jì)時(shí)顯示器的Zs端，這樣計(jì)時(shí)顯示與燈控邏輯電路實(shí)現(xiàn)了同步連接，因?yàn)橛?jì)時(shí)設(shè)定為25秒、35秒、5秒，這樣，計(jì)時(shí)器的個(gè)位端都是5秒，數(shù)5的二進(jìn)制表示為0101，所以，將D3、D1接低電平，D2、D0接高電平，于是，計(jì)時(shí)顯示器里控制個(gè)位的集成塊74190的A、B、C、D就為0101。而對(duì)于十位，由于數(shù)2為0010，設(shè)定D5為高電平，D7、D6、D4為低電平，由于數(shù)3為0011，設(shè)定D4、D5為高電平，D6、D7為低電平;數(shù)0為0000，D4、D5、D6、D7都為低電平。綜上，D6、D7總為低電平，所以，將它們接地。

（1）主干道綠燈a亮35秒：用二個(gè)三態(tài)門(mén)，a端都接高電平，控制端都接地，a，b端分別接D4、D5這樣，當(dāng)a亮?xí)r兩三態(tài)門(mén)的a，b都接通高電平，且將高電平輸給D4、D5，于是，D7、D6、D5、D4組成0011，十位顯示3，于是計(jì)時(shí)顯示為35s。

（2）支線(xiàn)道路綠燈亮25秒：用一個(gè)三態(tài)門(mén)，a端接高電平，b端接D5，控制端接g，當(dāng)g亮?xí)r，c的控制端為H，其a、b都為H，并將H輸給D5，而A、B為低電平，于是a、b兩端產(chǎn)生高阻，所以，D4為0，D5為0，總效果為0010，十位顯示2，于是計(jì)時(shí)顯示為25s。

（3）黃燈亮5秒：再用一個(gè)三態(tài)門(mén)，設(shè)為D，其a端接地，b端接D5，控制端接Y、y,即將Y、y接入同一或門(mén)，再將其輸出端接控制端，這樣，當(dāng)黃燈亮?xí)r，A、B、C都產(chǎn)生高阻，而D中的b輸出的是低電平，所以D7D6D5D4＝0000，十位為0，計(jì)時(shí)器顯示為5s。

2.4 交通信號(hào)燈自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的生成

將生成的各子電路整合起來(lái)就生成了交通信號(hào)燈自動(dòng)控制系統(tǒng)，如圖7。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)交通信號(hào)燈自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真,實(shí)證了EWB在電子線(xiàn)路應(yīng)用設(shè)計(jì)中的價(jià)值地位，對(duì)學(xué)習(xí)和實(shí)用非常有益。

[1]劉曉東,孫海蘭.EWB5.0在電路分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技信息，2006，（14）：221-223.

[2]鞏瑞春,王潤(rùn)文.EWB在數(shù)字電路設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].陰山學(xué)刊，2009，23（3）:68-70.

[3]林文劍，王勁松，林建詔，等.基于EWB的555多諧振蕩器設(shè)計(jì)研究 [EB/OL].http://www.paper.edu.cn/downloadpaper.php?serial_number=200811-612&type=1，2009-06-20.

（責(zé)任編輯：朱 彬）

Design and Simulation on Control System of Traffic Lights Based on EWB

LUO Guang-yi，XIONG Fei-qiao
(Department of Physics,Zunyi Normal College,Zunyi,563002,China)

After depicting the role EWB plays in the electronic circuit design and the research based on the case of the automatic control of traffic lights in the crossroads,this paper explores the control of 741 digital integration series over traffic signal lights,then makes a feasible study onto the replacement of 74163 for 74160,and then expounds the design and simulation on control system.

circuit design;EWB;simulation and design

TN791

A

1009-3583（2010）-02-0071-03

2009-10-24

羅光毅，男，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院物理系高級(jí)講師。