交通灯控制器数字电路的设计及仿真 数字电路十字路口的交通灯原理

　　摘要：本文针对十字路口的交通灯控制器及其数字显示功能进行设计。控制部分以同步十进制计数器为控制芯片构成模拟8进制计数器及BCD码显示器构成的显示电路组成；受控部分即A街道、B街道共计六盏灯。在完成电路设计的基础上采用Multisim仿真软件实现对电路功能的仿真。
　　关键词：模8计数器 Multisim2001 交通灯控制器 BCD码显示器
　　中图分类号:TN702 文献标识码：B 文章编号：1007-9416(2012)01-0001-03
　　
　　1、交通灯控制器的功能及要求
　　设计目标及任务分析。
　　本设计的交通灯系统工作的十字路口由A、B两条交叉的道路组成，要求实现的控制过程为：
　　A街道绿灯亮，同时B街道红灯亮，保持3秒；3秒后A街道绿灯熄灭，黄灯亮，保持1秒；1秒后A街道黄灯与B街道红灯同时熄灭，继而A街道红等亮，B街道绿灯亮，并保持3秒；3秒后B街道绿灯熄灭，黄灯亮，保持1秒；1秒后A街道红灯与B街道黄灯同时熄灭，继而A街道绿灯与B街道红灯亮。依照上述过程如此循环。
　　路口交通灯控制系统与其他控制系统一样，划分为控制器和受控电路两部分。根据交通灯控制器的设计要求，本课题需要实现一个8秒的周期循环控制。整个系统由一个模8计数器和6个交通灯组成，为了更直观地观察模8计数器工作过程及交通灯的受控状态，电路中接入BCD码显示其显示循环过程。
　　2、交通灯控制器数字电路设计
　　2.1 模8计数器设计
　　74LS160 是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的十进制上升沿计数器,功能管脚图及功能说明分别如图1和表1所示。
　　因为74LS160兼有异步置零和同步预置数功能，所以置零法和置数法均可采用。图2所示电路是采用异步置零法接成的八进制计数器。由于要产生8s的控制信号，所以CLK端输入1Hz的脉冲信号，而8s一循环相当于摸8计数器，即0000-0111，当计数器计成QDQCQBQA=1000状态时，非门74LS04D将QD=1的信号转化为低电平信号给CLR端，将计数器置零，QDQCQBQA回到0000状态。
　　2.2 显示电路
　　译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应的输出高、低电平信号或另外一个代码。在数字测量仪表和各种数字系统中得到广泛的采用，一方面供人们直接读取测量和运算的结果；另一方面用于监视数字系统的工作情况。
　　本逻辑系统电路采用CTCMOSIC，这是一种采用CMOS-TTL混合集成工艺的CMOS逻辑电路。因此，它既具有一般COMS集成电路的各种特点，还具有一般CMOSIC所欠缺的强驱动特性，即所谓的低能耗、强驱动的特性，是一种COMS-TTL兼容的集成电路，具有静电功耗低（一般为微瓦数量级）；电源电压范围宽（4～15V），适宜与各种电平的电路相匹配；抗噪声能力大。直流噪声容限可达45%电源电压；负载能力强，可直接匹配驱动LED数码管等特点。完成的设计的电路图如图3所示。
　　2.3 交通灯逻辑表达式的设计
　　首先对A街道绿灯（GA）的设计进行分析。根据设计要求GA的时序波形如图4a)所示；根据波形图得到GA真值表，如表2所示；得到真值表后可以根据卡诺图的步骤进行卡诺图化简如图6b)所示。
　　化简后的逻辑表达式为：
　　同理可以得到A街道黄灯（YA）、A街道红灯（RA）、B街道绿灯（GB）、B街道黄灯（YB）、B街道红灯（RB）的化简后的逻辑表达式，分别为：
　　3、交通灯控制器电路实现及仿真
　　根据上述逻辑表达式，可以用门电路画出相应的电路图。在完成电路设计后就可以采用Multisim软件进行仿真分析，其步骤为：创建仿真电路原理图→电路图选项的设置→使用仿真仪器→设定仿真分析方法→启动Multisim仿真。
　　步骤一：按照常规方式从各元件库中调用元器件放置到电路窗口中，并按照已经计算好的参数对元器件进行相应的设置。Multisim的界面上的In Use List栏内列出了电路所使用的所有元器件，使用它可以检查所调用的元器件是否正确。放置完所有元器件后需要按照设计好的原理图对其进行线路连接，连接后的交通灯控制器电路如图5所示。
　　步骤二：正确连接电路及逻辑分析仪后启动Simulate菜单中的Run命令或者按下F5
　　步骤三：交通灯交替闪烁过程及时间显示功能的仿真结果。
　　如图6a)所示，上排的是A街道灯，下排是B街道灯，图6b)所示的是BCD码显示器，可以观察到的现象：BCD码显示器自0开始计数当计数到7时回到0重新计数，如此循环。与此同时A街道绿灯（GA）和B街道红灯（RB）同时亮，依照计数器的计数节奏3秒后，GA熄灭YA亮；1秒后YA与RB同时熄灭，RA与GB亮；随后相对于上半周期，3秒后GB熄灭YB 亮，并且在1秒后同RA一起熄灭。如此完成一个周期，再回到计数器0状态继续循环。
　　步骤四：通过逻辑分析仪对电路的工作情况进行分析，得到时序逻辑图，如图7a)所示为的仿真时序波形图，图7b)所示为的仿真时序波形图。逻辑分析仪窗口，自上到下的波形依次是，A街道绿灯（GA）、A 街道黄灯（YA）、A街道红灯（RA）、B街道绿灯(GB)、Ｂ街道黄灯（YB）Ｂ街道红灯（RB）。
　　注意事项：Simulate菜单中的Default Instrument Settings...命令，在打开的Default Instrument Settings对话框中选择“Real”或“Ideal”可调整仿真速度。逻辑分析仪的时钟设置为1Hz。
　　4、结语
　　本课题是为十字路口交通灯的控制而设计的，可以实现交通控制的自动化。结合课题设计的要求，确立了一个基于74LS160计数器的交通灯控制器的设计方案。交通灯控制器的设计采用的是时序逻辑电路的设计方法，按设计要求将同步十进制计数器构成为八进制计数器，通过对实际情况的分析，得出交通灯相应的时序波形图，之后得到真值表，最后通过卡诺图依次对各交通灯状态进行化简得出逻辑表达式，完成了整个设计。
　　为了进一步验证设计的正确性，本课题通过Multisim软件来创建电路原理图，然后再通过基本操作对电路仿真情况进行观察。通过仿真，可以看出仿真结果符合设计要求，结果正确，达到了预期的目的。
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　　作者简介
　　刘建华,男,1976.2.28,高级技师。担任上海市职业教育项目式教学系列规划教材编委会电气运行与控制专业分委会委员，研究方向：机电工程应用技术。
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