数字逻辑电路交通信号灯控制器设计与multisim仿真

news2024/10/3 22:24:44

当今时代是一个自动化时代，交通灯控制等很多行业的设备都与计算机密切相关。因此，一个好的交通灯控制系统，将给道路拥挤、违章控制等方面给技术革新。随着大规模的集成电路及计算机技术的迅速发展，以及人工智能在控制技术方面的广泛运用，智能设备有了很大的发展，是现在科技发展的主流方向。

交通信号灯是日常生活中遇到的一个普通实例，它的控制也颇具典型和实用价值。由于交通路口的形状和规模不一，所采用的信号灯的数量、控制要求不一，控制的复杂程度也就不一样。自从交通灯诞生以来，其内部的电路控制系统就不断的被改进，设计方法也开始多种多样，从而使交通灯显得更加智能化、科学化、简便化。尤其是近几年来，随着电子与计算机技术的飞速发展，电子电路分析和设计方法有了很大的改进，电子设计自动化也已经成为现代电子系统中不可缺少的工具和手段，这些为交通灯控制电路的设计提供了一定的技术基础。

第一章 multisim简介

NI Multisim是一款著名的电子设计自动化软件，与NI Ultiboard同属美国国家仪器公司的电路设计软件套件Ｊ侨胙〔死哟骃PICE项目中为数不多的几款软件之一。

Multisim是一款Multisim在学术界以及产业界被广泛地应用于电路教学、电路图设计以及SPICE模拟，著名的电子设计自动化软件，是EDA仿真设计系统的一个重要组成部分，它创建电路方便且仿真所用的仪器及仿真数据读取方法都与实际实验方法相似，有各种虚拟仪器和仪表可以使用且不消耗实际元器件，降低了实验成本，节省实验时间，提高了实验效率。

Multisim在学术界以及产业界被广泛地应用于电路教学、电路图设计以及SPICE模拟。Multisim是以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。我们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样我们无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。

实际工作中可以利用此软件实现计算机仿真设计与虚拟实验，并且设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验、修改调试方便、设计和实验用的元器件及测试仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验，仿真时可方便地对电路参数进行测试和分析,可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图，并且在实验中不消耗实际上的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，从而降低了实验成本低，加快了实验速度，提高了实验效率高。基于上述优点，我们利用虚拟实验室中的虚拟仪器来组织完成交通灯控制电路的仿真设计。

第二章总体设计思路、基本原理和框图
2.1设计思路

依设计要求，交通灯控制系统主要由秒脉冲信号发生器，倒计时定时计数器，信号灯转换控制器和译码驱动器等单元电路组成，其原理框图如图2.1.1所示。其中，秒脉冲信号发生器是倒计时定时电路和黄灯闪烁控制电路的标准时钟信号源；倒计时定时计数器输出两组驱动信号，分别为黄灯闪烁和红绿灯转换的控制信号，这两组信号经信号灯转换控制器控制信号灯有序工作。译码驱动器用以驱动点亮东西，南北两个方向车道的交通信号灯。

（见附件）

图2.1.1 交通灯控制系统原理框图

2.2设计原理和功能

图2.2（1）交通信号系统外观示意图

根据设计任务与要求, 系统主要由秒脉冲信号发生器、计数器、控制器、信号灯显示器四大部分组成。其中秒脉冲信号发生器用于给各个组成部分提供脉冲信号，向控制器发出定时信号，使相应的发光二极管发光。计数器在控制器的控制下，改变交通灯信号，产生倒计时时间显示，控制器根据计数器的信号，进行状态间的转换，使显示器的显示发生相应转变。计数器可由74LS190实现，交通信号控制器可由JK触发器实现。扩展功能为交通灯转换提示功能，以提示行人交通灯转换了，请注意。

上述方案所示的交通信号灯控制器的工作过程：先手动对倒计时模块进行预置数设置，然后倒计时和信号灯同时开始工作，一开始东西方向是绿灯，南北方向为红灯，倒计时从45开始以一秒减1的工作状态进行减计时；当倒计时减到“05

”时，状态转换，东西方向为黄灯闪烁，南北方向为红灯；当倒计时减到“00”

时，状态转换，东西方向是红灯，南北风向为绿灯，然后计数器重新预置数为45；当倒计时减到“05”时，状态转换，东西方向为红灯，南北方向为黄灯闪烁。如此循环下去，进行交通灯运作。

图2.2（2）系统工作流程图

2.2.1基本功能

1、设计一个十字路口的交通灯控制电路，要求东西方向和南北方向车道两条交叉道路上的车辆交替运行，每次通行时间都设为45s。时间可设置修改。

在绿灯转为红灯时，要求黄灯先亮5s，才能变换运行车道。
黄灯亮时，要求每秒闪亮一次。
东西方向、南北方向车道除了有红、黄、绿灯指示外，每一种灯亮的时间都用显示器进行显示。

5、假定+5V电源给定。

2.2.2拓展功能

在每个入口设置了与交通灯同时工作的蜂鸣器，以方便提示行人通过。

2.3总体设计框图

图2.3 总设计框图

第三章单元电路设计

3.1各芯片的用法和功能

3.1.1 74LS190

表3.1.1 74LS190的功能表

图3.1.1（1）74LS190的外引线图

图3.1.1（2）74LS190的逻辑符号

3.1.2 JK触发器

JK触发器是数字电路触发器中的一种基本电路单元。JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能，在各类集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。在实际应用中，它不仅有很强的通用性，而且能灵活地转换其他类型的触发器。由JK触发器可以构成D触发器和T触发器。

K触发器和触发器中最基本的RS触发器结构相似，其区别在于，RS触发器不允许R与S同时为1，而JK触发器允许J与K同时为1。当J与K同时变为1的同时，输出的值状态会反转。也就是说，原来是0的话，变成1；原来是1的话，变成0。对应表如下表3.1.2:

表3.1.2 JK触发器的时序图

图3.1.2（2） JK触发器逻辑简图

输入信号在负跳变触发沿来到后就不必保持，原因在于即使原来的J、K信号变化,还要经一级与非门的延迟才能传输到G3和G4的输出端,在此之前，触发器已由G12、G13、G22、G23的输出状态和触发器原先的状态决定翻转。所以这种触发器要求输入信号的维持时间极短，从而具有很高的抗干扰能力，且因缩短tCPH 可提高工作速度。

从负跳变触发沿到触发器输出状态稳定，也需要一定的延迟时间tCPL。显然,该延迟时间应大于两级与或非门的延迟时间。即tCPL大于2.8tpd。

综上所述，对边沿JK 触发器归纳为以下几点：

1.边沿JK 触发器具有置位、复位、保持（记忆）和计数功能； 2.边沿JK 触发器属于脉冲触发方式，触发翻转只在时钟脉冲的负

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