基于Multisim14 的交通灯设计

刘 英

（福建经济学校 电子工程教研室，福建 福州 350001）

交通灯是城市交通管理的有效手段，有利于保证车辆、行人的安全通行以及维持城市道路的畅通，减少交通事故。交通灯控制电路如果是完全由硬件组成的设计会存在故障点多、调试复杂，稳定性较差等缺陷；同样利用单片机技术开发的系统抗干扰性和通信信号较差，扩展能力弱；而利用电路仿真软件设计则大大提高了其效率和速度，而且成本低。Multisim14 是一种具有强大仿真分析能力的交互式软件，它秉承着“把硬件实验室搬进电脑，软件就是元件库、仪器”的理念，集电子电路分析、设计、仿真为一体的实验环境，普遍应用于电子工程、产品设计及系统开发等方面[1]。本文通过十字路口交通灯设计以及结果的仿真测试，将理论教学与专业设计完美结合，利用数字电子电路知识来解决实际问题。

1 交通灯系统设计要求及原理

道路交通通行规则是车辆在绿灯亮时允许通行，红灯亮禁止通过，黄灯亮时停车给行驶中的车辆警示作用[2]。假设十字路口交通灯系统设计需符合以下几种情形：1）十字路口东西向绿灯或黄灯亮时，则南北向亮红灯；当南北向绿灯或黄灯亮时，则东西向亮红灯；东西与南北向车道的通行时间设定每个周期24s 交替转换。2）每次绿灯信号转换为红灯时，黄灯先闪亮4 秒。3）计数器以秒为单位进行倒计时方式计数，亮灯时间十位和个位分别用两个译码显示管显示。

交通灯系统由时钟信号、主控制电路、减法计数器、译码显示、交通信号灯状态控制等部分组成[3]。整个电路通过时钟信号产生秒脉冲，送至减法计数器，每次来一个脉冲就递减一次，此时倒计时信号通过译码管显示。红、黄、绿三种交通信号灯的交替点亮由主控制电路进行转换，具体电路原理见图1。

图1 交通灯控制系统原理框图

2 单元电路功能介绍

2.1 时钟信号模块设计

时钟脉冲信号1HZ 频率可利用555 定时器配合外接电阻、电容等元器件构成振荡器，并结合计数器74LS190 连接的分频电路输出[4]。点击Multisim14 仿真软件中的“工具”菜单，再选择“电路向导”的“555 定时器向导”选项，设置好参数之后点“搭建电路”，这样就快捷生成了一个时钟电路[5]。为了让电路看起来简单，设计过程中采用Multisim 数据库的1HZ/5V 时钟信号。建议制作交通灯实物电路图时最好使用555 定时器结合计数器分频搭建时钟电路。

2.2 倒计时计数模块设计

按照设计要求，交通灯十字路口东西向与南北向交替通行24s，选用两块十进制加/减计数器74LS192 级联设计成24 进制减计数器，上部分为高位片，下部分为低位片。当输入端UP=“1”，DOWN 接时钟信号时，计数器是作减法运算，反之加法运算，因此将两个74LS192 计数器的控制端UP 都接高电平“5V”，低片位的DOWN 接入1HZ/5V 的时钟信号[6]。同时高位片计数器的控制端DOWN 与低位片的借位输出端相连，低位片的置数端接高位片的，高位片输出端QA、QD 经过一个与非门后与其相接，从而实现计数器倒计时计数。由于每个路口信号灯运行24s 交替转换，故高位片和低位片计数器的数据输入端DCBA 分别用拨码开关S1、S2置数为“0010”和“0011”[7]。

2.3 信号灯控制模块设计

信号灯控制电路是设计的核心模块，十字路口交通灯交替运行有四种情况，见表1。

表1 交通灯状态表

根据表1，当信号灯高电平有效时，译码器倒计时显示23 秒到4 秒即计数器输出值为0010__0011 到0000__0100 之间绿灯点亮，红灯、黄灯熄灭；译码器倒计时显示3 秒到0 秒即计数器输出值为0000__0011 到0000__0000 之间黄灯点亮，此时绿灯、红灯熄灭。可知红灯在下个计数周期才点亮，因此先设置东西方向（即第1 个路口）绿灯、黄灯的交替运行。

2.3.1 交通灯的输入设计

假设高位片计数器74LS192 输出值由高位到低位为QD2QC2QB2QA2，低位片为QD1QC1QB1QA1，则黄灯点亮时间依次是0000__0011、0000__0010、0000__0001、0000__0000，设黄灯亮灭结果为Y，经卡诺图化简为，由于高位片计数器最大输出为“0010”，QD2QC2可忽略不计，黄灯点亮输出可直接化简为[8]。仿真元件库无四输入与或门，因而利用与非门芯片74LS20 和非门74LS04 将高位片的QB2QA2与低位片的QD1QC1进行连接作为黄灯的输入。

交通灯正常运行时，黄灯与绿灯是交替亮灭的，因而绿灯输入可由黄灯输入的反即门电路74LS20 的输出结果得到。76LS76 是双JK 触发器集成芯片，当输入端J=K=“1”时，即J、K 同时接高电平可实现翻转功能，而红灯是间隔一个计数周期交替点亮与熄灭，因此可利用触发器76LS76 翻转功能来进行红灯设计。交通信号灯单个计数周期24s 转换为二进制输出相当于0010_0011 →0000_0000，东西向信号灯的计数周期与南北向变化唯一的区别是高位片计数器74LS192 的输出端QB2由“0”变为“1”，由于设计图选用的触发器是时钟下降沿触发的，因此将高位片计数器74LS192 的输出端QB2经过一个非门后再与76LS76 时钟信号连接，从而控制红灯的亮灭。

经过以上设计分析，就完成了第1 个路口红、黄、绿灯在一个计数周期输入显示的预期效果，具体设计电路见图2。

图2 交通灯输入设计图

2.3.2 交通灯的交替点亮优化设计

在单个计数周期红灯亮时，黄灯、绿灯是同时熄灭，红灯熄灭时，黄灯、绿灯交替点亮。假设用GA和YA分别代表绿灯和黄灯初始状态，R1代表红灯的输入状态，G1和Y1是绿灯和黄灯实现交替点亮后的输出状态，数字“1”表示灯点亮，数字“0”表示灯熄灭，灯正常运行时为“N”[8]，得到真值表，见表2。

表2 第1 个路口交通灯优化输入真值表

由表2 可得到黄灯、绿灯的逻辑表达式分别为：

根据逻辑表达式，将图4 设计的绿灯输入端G1与JK 触发器74LS76 的输出端（即红灯输入的反）相与，其结果作为绿灯最新的输入。黄灯同样操作，从而成功实现第1 个路口交通灯交替点亮的预定功能。

由表1 可知，东西向与南北向的红灯是分别在不同的计数周期内交替亮灭的，因此JK 触发器74LS76 的输出端Q 作为第2 个路口红灯的输入端。接着设计第2 个路口绿灯、黄灯的交替点亮，假设用GA和YA分别代表绿灯和黄灯原始状态，R2代表红灯的输入状态，G2和Y2是绿灯和黄灯实现交替点亮后的输出状态，数字“1”表示灯点亮，数字 “0”表示灯熄灭，灯正常运行时为“N”[8]，得到真值表见表3。

表3 第2 个路口交通灯优化输入真值表

由表3 可得到黄灯、绿灯的逻辑表达式分别为：

根据逻辑表达式，优化后绿灯的输入端由图4 设计的绿灯输入端G2与JK 触发器74LS76 的输出端Q（即红灯输入端）相与得到，黄灯同理。

依上红、黄、绿三色交通信号灯在十字路口交替点亮的优化设计就此完成，如果想让黄灯起到更好的警示效果，可以在点亮时闪烁，将两个路口黄灯的输入端分别与时钟信号CP 经过一个与门，然后再重新作为十字路口的黄灯输入端。至此交通灯系统已基本完成，具体见图3。

图3 交通灯系统基本设计图

2.4 白天、夜间模式自动切换设计

为优化城区交通通行效率，缩减车辆排队等候时间，部分路口采用夜间、白天自动切换模式。设计一个24 进制的加法计数器来控制模式的切换，假设早上6 点到23 点（译码显示6 →23）为白天模式，0 点到5 点（译码显示0 →5）为夜间模式。选用两块十进制加/减计数器74LS190连接设计成24 进制的加法计数器，上部分为高位片，下部分为低位片。计数器74LS190 的输入端CLK 统一接1HZ/5V 的时钟信号，控制端接低电平，实现加法计数；数据输入端DCBA 初始值分别用拨码开关S1、S2置数为“0000”；低位片计数器使能端接低电平，高位片的使能端连接低位片进位/借位输出端MAX/MIN的反。高位片QB 与低位片QC 经过一个与非门后分别与两个计数器的置数端LOAD 相接[8]。交通灯在夜间模式，译码显示为0到5的数字，假设计数器74LS190 高位片输出值从高位到低位依次为QD2QC2QB2QA2，低位片为QD1QC1QB1QA1，切换夜间模式结果为K1，由卡诺图化简之后，由于高位片计数器最大输出为“0010”，QD2QC2输出始终为“00”，因此可直接化简为。这里要注意的是当译码显示数字0 到7 时，化简的结果与K1相同，夜间模式设计结果会出现错误，因此在设计过程中需增加一个判断条件，即低位片的74LS190 输出QC1、QB1是否同时为高电平，如果QC1、QB1输出是高电平，则低位片显示的是6 以上的数字，不满足夜间模式的时段。假设QC1与QB1经过一个与非门输出结果为K2，可将K1、K2经过一个与门连接输出结果作为交通灯夜间模式控制端。白天模式为夜间模式的反，只需要在夜间模式控制端加一个非门得到。为优化模式选择，接入一个数据选择器74LS157 集成芯片，具体见图4。

图4 交通灯白天、夜间模式切换设计图

交通灯在夜间模式时，两个路口的绿灯、红灯同时熄灭，黄灯一直处于闪烁状态。假设数据选择器74LS157 输出结果为开关“K”,绿灯、红灯原始输出分别为GA和RA，加上开关控制后的输出分别为G1和R1。数字“1”表示灯点亮，数字“0”表示灯熄灭，灯正常运行为“N”[8]，可得到真值表见表4。

表4 第1 个路口红、绿灯工作模式真值表

由表4 得到绿灯、红灯输出的逻辑表达式为：

因此交通灯设计图中绿灯和红灯的最后输入可分别由开关（即数据选择器74LS157 输出结果）与图5 的绿灯、红灯的输入端通过一个与门来控制。

同理，黄灯在开关K 为“1”时正常工作，开关为“0”的时候黄灯一直闪烁。假设图5 黄灯输出为YA，加开关控制后的输出为Y1，黄灯点亮值为“1”，熄灭值为“0”，灯正常运行时为“N”[8]，可得到真值表见表5。

根据表5 得到黄灯输出的逻辑表达式为：

表5 第1 个路口黄灯工作模式真值表

将图5 黄灯输入的反和数据选择器74LS157输出结果经过一个与非门，得到的结果再与时钟信号相与作为黄灯新的输入即可达到预期效果。

第2 个路口绿灯、黄灯与红灯的输入端接法与第1 个路口交通灯的接法类似，这里不予重复说明。至此整个交通灯的电路设计图按照设计要求全部完成。

3 仿真测试结果分析

连接各个单元模块，形成完整电路图，进行仿真测试。在仿真时可适当调整时钟频率，以便观测计数结果，如图5 所示。打开仿真开关，计数器74LS190 先显示数字“0 →5”，此时交通灯工作在夜间模式，倒计时模块正常计数，东西向与南北向的黄灯一直处于闪烁状态，红灯、绿灯同时熄灭。当计数器74LS190 显示数字“6 →23”，交通灯工作在白天模式，两块计数器74LS192 在脉冲作用下：1）第1 个计数周期正常倒计时计数，译码显示数字“23 →4”时，东西向（即第1 个路口）绿灯点亮，黄灯、红灯熄灭；译码显示数字“3 →0”时，黄灯点亮，绿灯、红灯熄灭；此计数周期，南北向（即第2 个路口）红灯点亮，绿、黄信号灯同时熄灭。2）第2 个计数周期正常倒计时计数，译码显示数字“23 →4”时，南北向（即第2 个路口）绿灯点亮，黄灯、红灯熄灭；译码显示数字“3 →0”时，黄灯点亮，绿灯、红灯熄灭；此计数周期，东西向（即第1 个路口）红灯点亮，绿、黄信号灯同时熄灭。东西向与南北向交通灯在不同计数周期周而复始地交替运行。通过Multisim14 仿真软件,对十字路口交通灯的时钟信号、倒计时计数、信号灯主控制电路以及交通灯白天夜间模式切换等各个单元模块进行设计与仿真，得到了设定的效果，验证了实际电路的可操作性。

图5 交通灯系统仿真测试图

4 结束语

新型科技环境对电子产品设计和功能的要求不断提高，借助Multisim 仿真技术提供的电子电路分析、设计、仿真为一体的虚拟实验环境，有利于解决产品结构和工作环境的复杂性问题，由于仿真软件在空间和时间上可以不受限制，因而大大节约了人力、物力，加快了电子设计的研发速度，具有一定的现实价值。