基于Multisim14 的交通燈設(shè)計(jì)

劉 英

（福建經(jīng)濟(jì)學(xué)校 電子工程教研室，福建 福州 350001）

交通燈是城市交通管理的有效手段，有利于保證車輛、行人的安全通行以及維持城市道路的暢通，減少交通事故。交通燈控制電路如果是完全由硬件組成的設(shè)計(jì)會(huì)存在故障點(diǎn)多、調(diào)試復(fù)雜，穩(wěn)定性較差等缺陷；同樣利用單片機(jī)技術(shù)開發(fā)的系統(tǒng)抗干擾性和通信信號(hào)較差，擴(kuò)展能力弱；而利用電路仿真軟件設(shè)計(jì)則大大提高了其效率和速度，而且成本低。Multisim14 是一種具有強(qiáng)大仿真分析能力的交互式軟件，它秉承著“把硬件實(shí)驗(yàn)室搬進(jìn)電腦，軟件就是元件庫(kù)、儀器”的理念，集電子電路分析、設(shè)計(jì)、仿真為一體的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，普遍應(yīng)用于電子工程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及系統(tǒng)開發(fā)等方面[1]。本文通過(guò)十字路口交通燈設(shè)計(jì)以及結(jié)果的仿真測(cè)試，將理論教學(xué)與專業(yè)設(shè)計(jì)完美結(jié)合，利用數(shù)字電子電路知識(shí)來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

1 交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及原理

道路交通通行規(guī)則是車輛在綠燈亮?xí)r允許通行，紅燈亮禁止通過(guò)，黃燈亮?xí)r停車給行駛中的車輛警示作用[2]。假設(shè)十字路口交通燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)需符合以下幾種情形：1）十字路口東西向綠燈或黃燈亮?xí)r，則南北向亮紅燈；當(dāng)南北向綠燈或黃燈亮?xí)r，則東西向亮紅燈；東西與南北向車道的通行時(shí)間設(shè)定每個(gè)周期24s 交替轉(zhuǎn)換。2）每次綠燈信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅燈時(shí)，黃燈先閃亮4 秒。3）計(jì)數(shù)器以秒為單位進(jìn)行倒計(jì)時(shí)方式計(jì)數(shù)，亮燈時(shí)間十位和個(gè)位分別用兩個(gè)譯碼顯示管顯示。

交通燈系統(tǒng)由時(shí)鐘信號(hào)、主控制電路、減法計(jì)數(shù)器、譯碼顯示、交通信號(hào)燈狀態(tài)控制等部分組成[3]。整個(gè)電路通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生秒脈沖，送至減法計(jì)數(shù)器，每次來(lái)一個(gè)脈沖就遞減一次，此時(shí)倒計(jì)時(shí)信號(hào)通過(guò)譯碼管顯示。紅、黃、綠三種交通信號(hào)燈的交替點(diǎn)亮由主控制電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，具體電路原理見(jiàn)圖1。

圖1 交通燈控制系統(tǒng)原理框圖

2 單元電路功能介紹

2.1 時(shí)鐘信號(hào)模塊設(shè)計(jì)

時(shí)鐘脈沖信號(hào)1HZ 頻率可利用555 定時(shí)器配合外接電阻、電容等元器件構(gòu)成振蕩器，并結(jié)合計(jì)數(shù)器74LS190 連接的分頻電路輸出[4]。點(diǎn)擊Multisim14 仿真軟件中的“工具”菜單，再選擇“電路向?qū)А钡摹?55 定時(shí)器向?qū)А边x項(xiàng)，設(shè)置好參數(shù)之后點(diǎn)“搭建電路”，這樣就快捷生成了一個(gè)時(shí)鐘電路[5]。為了讓電路看起來(lái)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)過(guò)程中采用Multisim 數(shù)據(jù)庫(kù)的1HZ/5V 時(shí)鐘信號(hào)。建議制作交通燈實(shí)物電路圖時(shí)最好使用555 定時(shí)器結(jié)合計(jì)數(shù)器分頻搭建時(shí)鐘電路。

2.2 倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)要求，交通燈十字路口東西向與南北向交替通行24s，選用兩塊十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器74LS192 級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)成24 進(jìn)制減計(jì)數(shù)器，上部分為高位片，下部分為低位片。當(dāng)輸入端UP=“1”，DOWN 接時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器是作減法運(yùn)算，反之加法運(yùn)算，因此將兩個(gè)74LS192 計(jì)數(shù)器的控制端UP 都接高電平“5V”，低片位的DOWN 接入1HZ/5V 的時(shí)鐘信號(hào)[6]。同時(shí)高位片計(jì)數(shù)器的控制端DOWN 與低位片的借位輸出端相連，低位片的置數(shù)端接高位片的，高位片輸出端QA、QD 經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門后與其相接，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)。由于每個(gè)路口信號(hào)燈運(yùn)行24s 交替轉(zhuǎn)換，故高位片和低位片計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)輸入端DCBA 分別用撥碼開關(guān)S1、S2置數(shù)為“0010”和“0011”[7]。

2.3 信號(hào)燈控制模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)燈控制電路是設(shè)計(jì)的核心模塊，十字路口交通燈交替運(yùn)行有四種情況，見(jiàn)表1。

表1 交通燈狀態(tài)表

根據(jù)表1，當(dāng)信號(hào)燈高電平有效時(shí)，譯碼器倒計(jì)時(shí)顯示23 秒到4 秒即計(jì)數(shù)器輸出值為0010__0011 到0000__0100 之間綠燈點(diǎn)亮，紅燈、黃燈熄滅；譯碼器倒計(jì)時(shí)顯示3 秒到0 秒即計(jì)數(shù)器輸出值為0000__0011 到0000__0000 之間黃燈點(diǎn)亮，此時(shí)綠燈、紅燈熄滅?？芍t燈在下個(gè)計(jì)數(shù)周期才點(diǎn)亮，因此先設(shè)置東西方向（即第1 個(gè)路口）綠燈、黃燈的交替運(yùn)行。

2.3.1 交通燈的輸入設(shè)計(jì)

假設(shè)高位片計(jì)數(shù)器74LS192 輸出值由高位到低位為QD2QC2QB2QA2，低位片為QD1QC1QB1QA1，則黃燈點(diǎn)亮?xí)r間依次是0000__0011、0000__0010、0000__0001、0000__0000，設(shè)黃燈亮滅結(jié)果為Y，經(jīng)卡諾圖化簡(jiǎn)為，由于高位片計(jì)數(shù)器最大輸出為“0010”，QD2QC2可忽略不計(jì)，黃燈點(diǎn)亮輸出可直接化簡(jiǎn)為[8]。仿真元件庫(kù)無(wú)四輸入與或門，因而利用與非門芯片74LS20 和非門74LS04 將高位片的QB2QA2與低位片的QD1QC1進(jìn)行連接作為黃燈的輸入。

交通燈正常運(yùn)行時(shí)，黃燈與綠燈是交替亮滅的，因而綠燈輸入可由黃燈輸入的反即門電路74LS20 的輸出結(jié)果得到。76LS76 是雙JK 觸發(fā)器集成芯片，當(dāng)輸入端J=K=“1”時(shí)，即J、K 同時(shí)接高電平可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)功能，而紅燈是間隔一個(gè)計(jì)數(shù)周期交替點(diǎn)亮與熄滅，因此可利用觸發(fā)器76LS76 翻轉(zhuǎn)功能來(lái)進(jìn)行紅燈設(shè)計(jì)。交通信號(hào)燈單個(gè)計(jì)數(shù)周期24s 轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制輸出相當(dāng)于0010_0011 →0000_0000，東西向信號(hào)燈的計(jì)數(shù)周期與南北向變化唯一的區(qū)別是高位片計(jì)數(shù)器74LS192 的輸出端QB2由“0”變?yōu)椤?”，由于設(shè)計(jì)圖選用的觸發(fā)器是時(shí)鐘下降沿觸發(fā)的，因此將高位片計(jì)數(shù)器74LS192 的輸出端QB2經(jīng)過(guò)一個(gè)非門后再與76LS76 時(shí)鐘信號(hào)連接，從而控制紅燈的亮滅。

經(jīng)過(guò)以上設(shè)計(jì)分析，就完成了第1 個(gè)路口紅、黃、綠燈在一個(gè)計(jì)數(shù)周期輸入顯示的預(yù)期效果，具體設(shè)計(jì)電路見(jiàn)圖2。

圖2 交通燈輸入設(shè)計(jì)圖

2.3.2 交通燈的交替點(diǎn)亮優(yōu)化設(shè)計(jì)

在單個(gè)計(jì)數(shù)周期紅燈亮?xí)r，黃燈、綠燈是同時(shí)熄滅，紅燈熄滅時(shí)，黃燈、綠燈交替點(diǎn)亮。假設(shè)用GA和YA分別代表綠燈和黃燈初始狀態(tài)，R1代表紅燈的輸入狀態(tài)，G1和Y1是綠燈和黃燈實(shí)現(xiàn)交替點(diǎn)亮后的輸出狀態(tài)，數(shù)字“1”表示燈點(diǎn)亮，數(shù)字“0”表示燈熄滅，燈正常運(yùn)行時(shí)為“N”[8]，得到真值表，見(jiàn)表2。

表2 第1 個(gè)路口交通燈優(yōu)化輸入真值表

由表2 可得到黃燈、綠燈的邏輯表達(dá)式分別為：

根據(jù)邏輯表達(dá)式，將圖4 設(shè)計(jì)的綠燈輸入端G1與JK 觸發(fā)器74LS76 的輸出端（即紅燈輸入的反）相與，其結(jié)果作為綠燈最新的輸入。黃燈同樣操作，從而成功實(shí)現(xiàn)第1 個(gè)路口交通燈交替點(diǎn)亮的預(yù)定功能。

由表1 可知，東西向與南北向的紅燈是分別在不同的計(jì)數(shù)周期內(nèi)交替亮滅的，因此JK 觸發(fā)器74LS76 的輸出端Q 作為第2 個(gè)路口紅燈的輸入端。接著設(shè)計(jì)第2 個(gè)路口綠燈、黃燈的交替點(diǎn)亮，假設(shè)用GA和YA分別代表綠燈和黃燈原始狀態(tài)，R2代表紅燈的輸入狀態(tài)，G2和Y2是綠燈和黃燈實(shí)現(xiàn)交替點(diǎn)亮后的輸出狀態(tài)，數(shù)字“1”表示燈點(diǎn)亮，數(shù)字 “0”表示燈熄滅，燈正常運(yùn)行時(shí)為“N”[8]，得到真值表見(jiàn)表3。

表3 第2 個(gè)路口交通燈優(yōu)化輸入真值表

由表3 可得到黃燈、綠燈的邏輯表達(dá)式分別為：

根據(jù)邏輯表達(dá)式，優(yōu)化后綠燈的輸入端由圖4 設(shè)計(jì)的綠燈輸入端G2與JK 觸發(fā)器74LS76 的輸出端Q（即紅燈輸入端）相與得到，黃燈同理。

依上紅、黃、綠三色交通信號(hào)燈在十字路口交替點(diǎn)亮的優(yōu)化設(shè)計(jì)就此完成，如果想讓黃燈起到更好的警示效果，可以在點(diǎn)亮?xí)r閃爍，將兩個(gè)路口黃燈的輸入端分別與時(shí)鐘信號(hào)CP 經(jīng)過(guò)一個(gè)與門，然后再重新作為十字路口的黃燈輸入端。至此交通燈系統(tǒng)已基本完成，具體見(jiàn)圖3。

圖3 交通燈系統(tǒng)基本設(shè)計(jì)圖

2.4 白天、夜間模式自動(dòng)切換設(shè)計(jì)

為優(yōu)化城區(qū)交通通行效率，縮減車輛排隊(duì)等候時(shí)間，部分路口采用夜間、白天自動(dòng)切換模式。設(shè)計(jì)一個(gè)24 進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器來(lái)控制模式的切換，假設(shè)早上6 點(diǎn)到23 點(diǎn)（譯碼顯示6 →23）為白天模式，0 點(diǎn)到5 點(diǎn)（譯碼顯示0 →5）為夜間模式。選用兩塊十進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器74LS190連接設(shè)計(jì)成24 進(jìn)制的加法計(jì)數(shù)器，上部分為高位片，下部分為低位片。計(jì)數(shù)器74LS190 的輸入端CLK 統(tǒng)一接1HZ/5V 的時(shí)鐘信號(hào)，控制端接低電平，實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)；數(shù)據(jù)輸入端DCBA 初始值分別用撥碼開關(guān)S1、S2置數(shù)為“0000”；低位片計(jì)數(shù)器使能端接低電平，高位片的使能端連接低位片進(jìn)位/借位輸出端MAX/MIN的反。高位片QB 與低位片QC 經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門后分別與兩個(gè)計(jì)數(shù)器的置數(shù)端LOAD 相接[8]。交通燈在夜間模式，譯碼顯示為0到5的數(shù)字，假設(shè)計(jì)數(shù)器74LS190 高位片輸出值從高位到低位依次為QD2QC2QB2QA2，低位片為QD1QC1QB1QA1，切換夜間模式結(jié)果為K1，由卡諾圖化簡(jiǎn)之后，由于高位片計(jì)數(shù)器最大輸出為“0010”，QD2QC2輸出始終為“00”，因此可直接化簡(jiǎn)為。這里要注意的是當(dāng)譯碼顯示數(shù)字0 到7 時(shí)，化簡(jiǎn)的結(jié)果與K1相同，夜間模式設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需增加一個(gè)判斷條件，即低位片的74LS190 輸出QC1、QB1是否同時(shí)為高電平，如果QC1、QB1輸出是高電平，則低位片顯示的是6 以上的數(shù)字，不滿足夜間模式的時(shí)段。假設(shè)QC1與QB1經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門輸出結(jié)果為K2，可將K1、K2經(jīng)過(guò)一個(gè)與門連接輸出結(jié)果作為交通燈夜間模式控制端。白天模式為夜間模式的反，只需要在夜間模式控制端加一個(gè)非門得到。為優(yōu)化模式選擇，接入一個(gè)數(shù)據(jù)選擇器74LS157 集成芯片，具體見(jiàn)圖4。

圖4 交通燈白天、夜間模式切換設(shè)計(jì)圖

交通燈在夜間模式時(shí)，兩個(gè)路口的綠燈、紅燈同時(shí)熄滅，黃燈一直處于閃爍狀態(tài)。假設(shè)數(shù)據(jù)選擇器74LS157 輸出結(jié)果為開關(guān)“K”,綠燈、紅燈原始輸出分別為GA和RA，加上開關(guān)控制后的輸出分別為G1和R1。數(shù)字“1”表示燈點(diǎn)亮，數(shù)字“0”表示燈熄滅，燈正常運(yùn)行為“N”[8]，可得到真值表見(jiàn)表4。

表4 第1 個(gè)路口紅、綠燈工作模式真值表

由表4 得到綠燈、紅燈輸出的邏輯表達(dá)式為：

因此交通燈設(shè)計(jì)圖中綠燈和紅燈的最后輸入可分別由開關(guān)（即數(shù)據(jù)選擇器74LS157 輸出結(jié)果）與圖5 的綠燈、紅燈的輸入端通過(guò)一個(gè)與門來(lái)控制。

同理，黃燈在開關(guān)K 為“1”時(shí)正常工作，開關(guān)為“0”的時(shí)候黃燈一直閃爍。假設(shè)圖5 黃燈輸出為YA，加開關(guān)控制后的輸出為Y1，黃燈點(diǎn)亮值為“1”，熄滅值為“0”，燈正常運(yùn)行時(shí)為“N”[8]，可得到真值表見(jiàn)表5。

根據(jù)表5 得到黃燈輸出的邏輯表達(dá)式為：

表5 第1 個(gè)路口黃燈工作模式真值表

將圖5 黃燈輸入的反和數(shù)據(jù)選擇器74LS157輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)一個(gè)與非門，得到的結(jié)果再與時(shí)鐘信號(hào)相與作為黃燈新的輸入即可達(dá)到預(yù)期效果。

第2 個(gè)路口綠燈、黃燈與紅燈的輸入端接法與第1 個(gè)路口交通燈的接法類似，這里不予重復(fù)說(shuō)明。至此整個(gè)交通燈的電路設(shè)計(jì)圖按照設(shè)計(jì)要求全部完成。

3 仿真測(cè)試結(jié)果分析

連接各個(gè)單元模塊，形成完整電路圖，進(jìn)行仿真測(cè)試。在仿真時(shí)可適當(dāng)調(diào)整時(shí)鐘頻率，以便觀測(cè)計(jì)數(shù)結(jié)果，如圖5 所示。打開仿真開關(guān)，計(jì)數(shù)器74LS190 先顯示數(shù)字“0 →5”，此時(shí)交通燈工作在夜間模式，倒計(jì)時(shí)模塊正常計(jì)數(shù)，東西向與南北向的黃燈一直處于閃爍狀態(tài)，紅燈、綠燈同時(shí)熄滅。當(dāng)計(jì)數(shù)器74LS190 顯示數(shù)字“6 →23”，交通燈工作在白天模式，兩塊計(jì)數(shù)器74LS192 在脈沖作用下：1）第1 個(gè)計(jì)數(shù)周期正常倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，譯碼顯示數(shù)字“23 →4”時(shí)，東西向（即第1 個(gè)路口）綠燈點(diǎn)亮，黃燈、紅燈熄滅；譯碼顯示數(shù)字“3 →0”時(shí)，黃燈點(diǎn)亮，綠燈、紅燈熄滅；此計(jì)數(shù)周期，南北向（即第2 個(gè)路口）紅燈點(diǎn)亮，綠、黃信號(hào)燈同時(shí)熄滅。2）第2 個(gè)計(jì)數(shù)周期正常倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)，譯碼顯示數(shù)字“23 →4”時(shí)，南北向（即第2 個(gè)路口）綠燈點(diǎn)亮，黃燈、紅燈熄滅；譯碼顯示數(shù)字“3 →0”時(shí)，黃燈點(diǎn)亮，綠燈、紅燈熄滅；此計(jì)數(shù)周期，東西向（即第1 個(gè)路口）紅燈點(diǎn)亮，綠、黃信號(hào)燈同時(shí)熄滅。東西向與南北向交通燈在不同計(jì)數(shù)周期周而復(fù)始地交替運(yùn)行。通過(guò)Multisim14 仿真軟件,對(duì)十字路口交通燈的時(shí)鐘信號(hào)、倒計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)、信號(hào)燈主控制電路以及交通燈白天夜間模式切換等各個(gè)單元模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，得到了設(shè)定的效果，驗(yàn)證了實(shí)際電路的可操作性。

圖5 交通燈系統(tǒng)仿真測(cè)試圖

4 結(jié)束語(yǔ)

新型科技環(huán)境對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能的要求不斷提高，借助Multisim 仿真技術(shù)提供的電子電路分析、設(shè)計(jì)、仿真為一體的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，有利于解決產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的復(fù)雜性問(wèn)題，由于仿真軟件在空間和時(shí)間上可以不受限制，因而大大節(jié)約了人力、物力，加快了電子設(shè)計(jì)的研發(fā)速度，具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。