基于Multisim 11交通灯控制器设计.docx
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基于Multisim11交通灯控制器设计
基于Multisim11交通灯控制器设计
摘要：
介绍运用Multisim11仿真软件，设计一个十字路口交通灯控制器。
该控制器实现了对十字路口交通信号灯控制。
利用Multisim11这种比较高效的设计平台，能够方便地设计电路，并且运用虚拟仪器库进行仿真以及验证电路是否达到设计要求。
与传统的设计方法相比，他更具有省时、低成本、高效率的优越性。
关键词：
Multisim11；交通灯控制器；组合逻辑电路：
DesignTrafficLightsControllerattheCrossroadsBasedonMultisim11
Abstract:
AtrafficlightscontrolleratthecrossroadswasdesignedbasedonMultisim11simulationsoftware,andthetrafficsignallightscontrolatthecrossroadswasrealized.ItiseasytodesigntheelectriccircuitbuusinghighefficientMultisim11designplatform,makethesimulationbyvirtualinstrumentlibraries,andverifytheelectricciecuitwhetherornotmeetthedesignrequirements.Ithassuperiorityoftimesaving,loecostandefficientbycomparingwiththetraditionaldesignmethod.
Keywords:
Multisim11;trafficcontroller;combinatoriallogicalcircuit;
1.绪论····················································································1
2.交通信号灯控制电路的概述···············································1
3.单元模块。
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3.1电源模块·······································································2
3.2秒脉冲发生模块···························································4
3.3计数模块······································································5
3.4逻辑电路模块······························································6
3.5分频器模块··································································8
4.数字电子钟电路的仿真与调试······································9
4.1仿真软件的简介···························································9
4.2交通信号灯控制电路的仿真·······································10
4.3交通信号灯控制电路的实现·······································11
4.4调试方法·····································································11
4.5调试中出现的问题、原因分析及解决方案·················12
5.总结····················································································13
参考文献············································································14
致谢····················································································15
附录····················································································16
1.绪论
随着我国城市化建设的发展，人民的生活水平日渐提高，越来越多的汽车进入了寻常百姓家，再加上政府大力发展公交车、出租车，使得道路上车辆越来越多，许多大城市如北京、上海、南京等均出现了道路交通超负荷运行的情况。
因此，自80年代后期以来，很多城市纷纷扩建城市道路，在道路建设完成的初期，它们也曾有效地改善了交通状况。
然而，随着交通数量的快速增长和缺乏对道路的系统研究和控制，扩建道路并没有充分发挥出预期的作用。
而城市道路多十字路口、多交叉的特点，也决定了城市道路的交通状况必然受到这种路况的制约。
所以，如何采用合适的控制方法，最大限度利用好耗费巨资修建的多车道城市道路，缓解城区的交通拥堵状况，越来越成为交通运输管理和城市规划部门亟待解决的问题。
在这种情况下，道路交通信号灯开始发挥着越来越重要的作用，并已成为交通部门管理交通的重要工具之一。
2交通信号灯控制电路的概述
交通信号灯控制电路的逻辑框图如图2-1所示。
它由555集成芯片构成的多谐振荡电路、双D触发器构成的分频器、十二进制扭环形计数器、直流稳压电源构成部分以及组合逻辑电路组成。
555集成芯片构成的振荡电路产生的信号经过分频器作为4秒脉冲，4秒脉冲送入计数器，来控制红黄绿灯的工作状态及工作时间。
可通过观察亮灯的情况形成有序的交通。
其整体电路图如图2-1所示。
图2-1整体电路框图
该系统的工作原理是：
信号灯黑天工作，即开关闭合时，计数器被置零，不工作，A、B输入为低电平，使红灯、绿灯不工作。
当555多谐振荡器产生的秒脉冲为高电平时，黄灯亮，为低电平时，黄灯灭。
产生黄灯闪烁的现象。
信号灯白天工作，即开关断开时，计数器正常工作，有直流稳压电源为其提供5V直流电压，555定时器形成的多谐振荡器为其提供秒脉冲，A、B输入为高电平，通过与、或、非们组成的组合逻辑电路决定亮灯的情况，使某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。
在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。
其中信号灯白天点亮流程图如图2-2所示。
图2-2信号指示灯白天点亮流程图
3.单元模块
3.1电源模块
电源电路如图3-1所示，直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。
电源电压采用直流5v，通过变压器将市电220v降压到交流9v，在通过整流桥整流整流滤波和稳压块7805得到直流5v电压。
直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。
故稳压电源电路的输出稳压值和输出的电流值应该满足整体电路的需要。
在变压器次级交流电压u2为正半周时，即A为正B为负时，二极管D2、D3导通，D1、D4截止。
电流流经的路径是：
从A点出发，经二极管D2、负载，在经D3回到B点。
若忽略二极管的正向压降，可以认为R2上的电压u0≈u2.
当u2为负半周时，即A为负B为正时，二极管的D1、D4导通D2、D3截止。
电流的通路是从B点出发，经D4、负载R2回到原A点。
若忽略二极管的正向压降u0≈-u2.
从图上看出，无u2的正、负半周如何变换，流经R2的电流方向始终不变，即由C到D。
四只二极管中对应桥臂上的两只为一组，两组轮流导通。
在负载上，即可得到全脉冲的直流电压和电流。
因为这种整流属于全波整流类型。
图3-1直流稳压电源电路图
3.2秒脉冲发生模块
秒脉冲产生电路实习就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用555和电阻、电容组成的多谐振荡器。
基本RS触发器、双极型三极管T和输出缓冲器组成，其外部有8个引脚，第8脚为电源端，第1脚为接地端，第3脚为输出端，第4脚为直接复位端，第5脚为控制电压输入端，第6脚为复位控制端，第2脚为置位控制端，第7脚为放电端。
如图3-2所示CB555的电路结构图，3-3所示555定时器引脚图。
为了电路简单和调节振荡周期的方便，采用555定时器组成多谐振荡器。
图3-2CB555电路结构图
图3-3555定时器引脚图
振荡周期与频率的计算公式为：
T=（R1+2R2）CIn2=0.7（R1+2R2）C电源电压VCC=+5V,其中电路图中C2的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01uF的瓷片电容。
在此毕业设计中要求输出T=1s，选取的电容为C1=1uF，R1=560ῼ，根据振荡周期计算，选择电阻R1=560ῼ。
当元件选取完成以后，根据电路原理图连接电路即可。
图3-4555定时器与RC组成的多谐振荡器
3.3计数模块
74LS164是用8位串行输入并行输出的移位寄存器主成的扭环形十二进制计数器。
数据通过两个输入端（A或B）之一串行输入：
任一输入端可以用作高电平使能端，控制另一输入端的数据输入。
或者两个输入端连接在一起，或者把不用的输入端接高电平，一定不要悬空。
它具有异步清零、置数、计数、保持等功能，图3-5为其引脚排列和逻辑符号，
逻辑功能见表3-1.
图3-574LS164引脚排列和逻辑符
表3-174LS164的逻辑功能表
输入输出
清零时钟串入
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
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组成的十二进制扭环型计数器电路，其中脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。
其中电路图和功能表如图3-6
图3-6计数器电路图
3.4逻辑电路模块
逻辑控制电路是本设计的核心电路，它由控制交通信号灯按要求方式点亮（一般经驱动电路去控制信号灯）。
根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。
夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。
控制电路的特点：
从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：
如南北方向绿灯亮时，东西方红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯时，东西方向绿灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。
因此采用组合逻辑设计，组合逻辑电路：
将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而且组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北方向的信号灯的点亮。
组合逻辑电路的原理图如图3-7所示。
组合逻辑电路的真值表如表3-2所示。
图3-7组合逻辑电路的原理图
表3-2组合逻辑电路的真值表
计数器输出南北信号东西信号
QAQBQCQDQEQFNSGNSYNSREWGEWYEWR
000000100001
100000100001
110000100001
111000100001
111100100001
111110010001
111111001100
011111001100
001111001100
000111001100
000011001100
000001001010
000000100001
3.5分频器模块
所用的扭环形十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。
为了使整体电路的工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频器获得，这就需要设计一个4分频器电路。
秒脉冲进4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。
本次设计使用两个D触发器（74LS74）组成4分频器电路。
使555多谐振荡器与分频器共同为逻辑电路提供4S脉冲。
如表3-3为D触发器动能表，图3-8为两个D触发器组成的四分频器。
图3-8四分频器的电路原理图
表3-3D触发器功能表
CPDQn+1
0XQn
100
111
74LS74内含两个独立的D上升沿双D触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入（
）复位输入（
）、时钟输入（CP）和数据输出（Q、Q’）。
、
的低电平使输出预置或清除，而与其他输入端的电平无关。
当
、
均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送输出端。
图3-9为74LS74的管脚排布，表3-4为74LS74的功能表。
表3-474LS74的功能表
图3-974LS74的管脚排布
4.数字电子钟电路的仿真与调试
4.1仿真软件的简介
随着计算机与微电子技术的发展,电子设计自动化EDA领域已成为电子技术发展的主体。
EDA（ElectronicDesignAutomation电子设计自动化技术）是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统,它在教学、科研、产品设计与制造等方面发挥着巨大的作用。
Multisim11是一款知名的EDA仿真软件,由加拿大IIT公司于2007年推出最新版本。
在Windows环境下,Multisim11软件有一个完整的集成化设计环境,它将原理图的创建、电路的测试分析、结果的图表显示等全部集成到同一个电路窗口中。
在搭建实际电路之前,采用Multisim11仿真软件进行虚拟测试,可使实验方法和实验手段现代化,扩展实验容量,使实验内容更完备,提高了实验效率,节省大量的实验资源。
Multisim11软件进行设计仿真分析的基本步骤为:
设计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Multisim11仿真。
下面介绍以Multisim11为平台设计一个十字路口交通控制器系统的过程。
4.2交通信号灯控制电路的仿真
按照原理图逐步分仿真，先仿真直流稳压电源的产生部分，然后仿真秒脉冲产生部分，最后整体电路的仿真直流稳压电源产生部分电路及仿真结果：
图4-1秒脉冲仿真电路图
仿真秒脉冲产生电路的电路图及仿真结果为：
图4-2秒脉冲仿真图
图4-3仿真图
通过仿真的部分电路，结合组合逻辑电路及计数器，分频器部分实现电路的整体仿真。
整体仿真电路图及仿真结果见附录。
4.3交通信号灯控制电路的实现
交通信号灯控制电路的工作原理：
信号灯白天工作，即开关断开时，计数器正常工作，由直流稳压电源为其提供5V直流电压，555定时器形成的多谐振荡器为其提供秒脉冲，A、B输入为高电平，通过与、或、非组成的逻辑电路决定亮灯的情况，使其某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。
在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。
信号灯黑天工作，即开关闭合时，计数器被置零，不工作，A、B输入为低电平，使红灯、绿灯不工作。
当555多谐振荡器产生的脉冲为高电平时，黄灯亮，为低电平时，黄灯灭。
产生黄灯闪烁的现象。
4.4调试方法
1）首先调试直流稳压电源。
用电压表观察直流稳压电源的输出电压，确定电路连接及所用远见是否正确，输出电压是否为5V.
调试555定时器。
用示波器观察定时器输出波形，确定555定时器是否正常工作，振荡频率是否是1Hz.
2调试分频器。
用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是0.25Hz。
3）调试计数器电路。
将双D触发器组成的4分频器的电路产生的4秒脉冲信号作为计数器的输入信号，观察计数器是否正常工作。
4）整体调试。
各部分电路连接起来，观察交通信号灯控制电路是否正常工作。
4.5调试中出现的问题、原因分析及解决方法
1）对直流稳压电源进行仿真时，发现在直流稳压电源的输入输出均符合要求的情况下，接入整体电路后总是出现故障，把直流稳压电源产生电路换成直流电源，则结果正确。
经老师的指点，发现变压器型号错误。
改变型号后，实验结果与预测结果相同。
2）对555定时器形成的多谐振荡器进行仿真时，与预期结果差不多，有一定的误差。
接入整体电路后发现亮灯情况与理论结果不一致，但是直接用秒脉冲时，得到理想结果。
经过讨论分析，555定时器运用型号错误，再次犯了相同的错误，经过改正，得到理想结果。
5.总结
万事开头难，一开始选了这个设计题目，花了好长时间才进入状态，设计所需的电路图。
通过这次的设计，我发现只要不放弃，在最困难的时候坚持下去，那么所有的事情都能迎刃而解。
开头是重要，只有做好了，才能有好的结果。
学了一个学期的《数字电子技术》课程，知道这次毕业设计时，才发现，原来自己掌握的知识没那么有限，能够运用到实际中的知识更是少之又少。
平时，我们都只是学习原理知识，但是没有进行实践。
许多知识学了就忘，很难将它们长期的保存在脑海中。
所以说，实践是检验真理的唯一标准。
一切事物，对与不对，都需要通过实践来证明。
同时，实践还是真正掌握知识、掌握技能的重要途径，一切的成就都来源于实践，空想是不通的。
通过本次的毕业设计，我明白了一个道理：
无论做什么事情，都必需养成严谨，认真，善思的工作作风，我这次毕业设计由于采用数字电路来实现的，所以电路较复杂，但是容易理解。
时间转瞬即逝，经过数日的思考、分析，我从原先看见电路图就一头雾水到现在能够设计复杂的交通信号灯控制电路，并且能够实现电路的仿真与调试，之间的巨大变化着实令人吃惊。
但是这种进步来之不易，因为这期间我遇到了很多的困难，发现了很多的问题，正是解决问题期间我才慢慢的熟悉数字电子技术的基础知识，才慢慢学会了如何按照给定的要求设计出合适的电路。
这次毕业设计主要是运用数字电子技术基础知识设计一个符合要求的十字路口交通信号灯控制电路，这次设计不仅要求我们掌握数字电子技术基础课程的基础知识，还要求我们对交通信号灯控制电路的各个组成部分的原理，包括555组成的多谐振荡器的原理、计数器的原理、直流稳压电源产生原理以及逻辑电路的功能都有深刻的理解和掌握，这次毕业设计最重要的是要求我们能够运用所学的知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有一定的动手能力，能够根据电路图绘制出所需原件，仿真并调试。
在毕业设计过程中我们遇到很多问题，原因有很多比如如何安装软件、如何正确快速的查找各个器件，调试过程中遇到的问题都不尽相同，但是通过老师的讲解都迎刃而解。
虽然我现在已经初步学会了如何设计符合的交通信号灯控制电路，但是离真正能够利用已学的数电知识自由设计使用电路还有一段距离。
课程的这段时间我确实受益匪浅，使我的专业知识有了很大的进步，因为进步总是让人快乐的。
这次毕业设计让我有很深的感悟：
课本知识固然重要，但是实践环节也是必不可少的，真希望我们能在以后的工作中多动手实践，拓展我们多方面的思维。
参考文献
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数字部分。
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中国电力工业出版社，1999
致谢
成功离不开时间的迁移，汗水的流淌及众人智慧的协助。
经过数日的刻苦努力，本人终于顺利完成毕业设计与毕业论文。
从论文课题的选取到作品的成功调试，再到论文的完成，中间凝聚了各位老师的心血和汗水。
在这里，感谢系领导、老师对我的关心和大力支持；感谢赵桂云老师，在这次毕业设计过程中，给予的极大帮助和鼓励，对赵老师的精心教育和指导表示衷心的感谢；感谢班上得同学给予我坚持不懈的支持与帮助；感谢帮助过我的所有同学，感谢你们给予的热忱指导和热情帮助，在此表达我最深深的谢意！
再次感谢各位老师和各位同学的帮助！
附录
系统总电路图工作情况
交通信号灯控制电路的工作原理：
信号灯黑天工作，即开关闭合时，计数器被置零，不工作，A、B输入为低电平，使红灯、绿灯不工作。
当555多谐振荡器产生的秒脉冲为高电平时，黄灯亮，为低电平时，黄灯灭。
产生黄灯闪烁的现象。
信号灯白天工作，即开关断开时，计数器正常工作，有直流稳压电源为其提供5V直流电压，555定时器形成的多谐振荡器为其提供秒脉冲，当输入为高电平，通过与、或、非门组成的组合逻辑电路决定亮灯情况，使某方向绿灯点亮20s，然后黄灯点亮4s，最后红灯点亮24s。
在该方向为绿灯点亮期间，另一方向红灯点亮。
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