基于数字电路的交通灯控制器的设计与仿真

摘 要 把数字电路的设计与EDA仿真软件相互结合，设计一个十字路通灯控制器。该控制器能够实现对十字路通信号灯控制。利用EDA这种高效的设计平台，能够方便地设计电路，并通过对电路仿真来验证电路是否达到设计要求。与传统的设计方法相比，它具有灵活性强、低成本、高效率的优越性。

【关键词】 EDA 数字电路 电路仿真

数字电路主要有组合逻辑电路和时序逻辑电路两部分组成，交通灯控制器的设计既可以涉及到这两部分的基本原理的运用，又可以锻炼学生对数电综合电路的设计和分析能力，因此交通灯控制器的设计是数字电路一个很好的教学题材，在完成电路设计的同时配合电子设计自动化（EDA）教学，学生无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，EDA可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。目前在各高校教学中普遍使用EDA仿真软件是Multisim10.1， 是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以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。

下面介绍以Muitisim10.1 为平台设计一个十字路通控制器系统的过程.

1 设计要求

设计一个十字路口的交通灯控制器，要求主干道和支干道交替运行，主干道每次通行时间都设为30秒；支干道每次通行时间都设为20秒；绿灯可以通行，红灯禁止通行；每次绿灯变红灯时，要求黄灯先亮5秒钟（此时另干道的红灯不变）；十字路口要有数字显示，作为等候的时间提示。要求主干道和支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位做减法计数。黄灯亮时，原红灯按1Hz的频率闪烁。

2 交通控制器电路设计与仿真

2.1 状态控制器的设计

根据设计要求，主干道和支干道红、绿、黄灯正常工作时，只有四种可能：主干道车道绿灯亮，支干道车道红灯亮，用S0表示，绿灯亮足规定的时间间隔30秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态；主干道车道黄灯亮，支干道车道红灯闪烁，用S1表示，黄灯亮规定的时间间隔5秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态；主干道车道红灯亮，支干道车道绿灯亮，用S2表示，绿灯亮足规定的时间间隔20秒时，控制器发出状态转换信号，转到下一工作状态；主干道车道红灯闪烁，支干道车道黄灯亮，用S3表示，黄灯亮足规定的时间间隔5秒是，控制器发出状态转换信号，系统又转换到最初种状态。可以用一个2位二进制计数器实现这四种状态：S0=00，S1=01，S2=10，S3=11，本设计用74ls190连接成二进制加法计数器，电路图如图1所示：

2.2 状态译码器的设计

状态控制器已经产生了四种状态，用Q2，Q1两位二进制数组合来表示S0到S3四种状态，状态译码器要求利用Q2，Q1分别控制主、支干道上红、绿、黄信号灯的状态，红、绿、黄信号灯状态与控制器的输出Q2，Q1关心可用表1（1不是灯亮，0表示灯灭）来表示。由信号真值表可以设计出状态译码器电路，如图2所示：

74LS245为8个双向3态缓冲电路。主要使用在数据的双向缓冲，～G=0，DIR=0，B->A；～G=0， DIR=1， A->B；～G=1， DIR为0或者1，输入和输出均为高阻态；高阻态的含意就是相当于没有这个芯片。在本电路中是实现红灯的闪烁，无论是主干道还是支干道，Q1为1，可以利用Q1来控制～G，当Q1为1，～ Q1为0，～G为0，秒信号就可以输入电路，实现红灯的闪烁。

2.3 倒计时电路的设计

根据设计要求，该系统共有四种状态（S0-S3），在每种状态都要求能够自动调入不同定时时间的定时器，完成30S、20S、5S的倒计时显示。该定时器由两片74LS190构成减法计算器实现，初始值可通过三片74LS245完成预置数，显示电路用自带译码功能的两个数码管实现两位十进制数的显示。设计的定时倒计时电路如图3所示：

2.4 仿真结果

将上述各单元电路组合起来，可以得到交通控制灯的整体电路，点击Multisim 10.1 软件的“Simulate/ Run”按钮，便可以进行交通灯控制器的仿真。电路的倒计时显示首先为30 s，此时主干道绿灯亮，支干道红灯亮，进入状态S0，倒计时为0后，主干道黄灯亮，支干道红灯闪烁，闪烁的频率为1HZ，进入状态S1，倒计时从5开始计时，倒计时为0后，主干道红灯亮，支干道绿灯亮，进入状态S2，倒计时从20开始计时，倒计时为0后，主干道红灯闪烁，闪烁的频率为1HZ，支干道黄灯亮，进入状态S3，倒计时从5开始计时，倒计时为0后，又回到S0状态，如此循环下去。

3 结语

该设计通过把数字电路的分析与设计与EDA相互结合，完成交通灯控制器各个单元电路和整体电路的设计和仿真，很好的解决目前高校教育中理论教学与实际动手实验相脱节，试验室条件不足等问题。电路设计仿真成功后再构建实际电路，既可以降低成本，又大大提高了教学和专业设计的效率，对老师教学也是一个很好的提高和促进。

参考文献

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[4]郑步生，吴渭.Multisim 2001 电路设计及仿真入门与应用[M].北京：电子工业出版社，2002.

作者单位

云南广播电视大学 机械电子工程学院 云南省昆明市 650223