基于Proteus的数字电路交通灯控制器的设计与仿真

摘要：随着科学技术的不断发展以及城市化进程的不断加快，交通问题一直是标志着城市发展的一个重要问题。而交通灯作为调节城市道路交通问题的重要载体，其设计与仿真技术的实现一直是人们所关注的关键所在。基于此，本文详细介绍了利用数字集成芯片设计的交通灯控制器，这个控制器由众多元件所构成，其设计除了能够实现最基本的交通灯功能，相比于传统的设计方法，具有更加灵活、高效的特点，值得被广泛推广。

关键词：数字电路；交通灯控制器；电路仿真

前言：数字电路早在上世纪中后期就已经形成，其主要由组合逻辑电路以及时序逻辑电路所组成。就当前的实际情况来看，交通灯控制器的显示设计均采用单片机的原理，为了能够寻求一种更加简便的方法，设计者利用数字集成电路来完成交通灯控制器，并以此来实现十字路通信号灯的控制。通过一系列的仿真与修改，能够得知，和传统的设计方法相比，利用数字电路的技术，具有灵活性强、效率高以及成本低等特点。

1 交通灯控制器的设计要求

本次设计的交通灯控制器所工作的条件是由甲、乙两个交叉路口所构成，通过对交通灯控制器的设计，要求其控制的任务是：在甲路口绿灯亮的同时，要求乙路口红灯亮，这样的状态保持3s。在3s之后，甲路口绿灯停，黄灯亮，保持1s，1s之后甲路口的黄灯以及乙路口的红灯同时停止，甲路口红灯亮，乙路口绿灯亮，保持3s。3s之后乙路口的绿灯停，黄灯亮，保持1s，1s之后乙路口的黄灯灭，亮起红灯，同时甲路口绿灯亮起，并以此循环。

而这时的交通灯控制系统被分为控制器和受控电路两个部分，根据对交通灯控制器的具体设计要求，本次研究中需要设计出一个循环控制系统，并观察其控制的状态。在下文中，将重点介绍设计的具体方案。

2 交通灯控制器的具体设计方案

2.1主控制器的设计

根据实际情况来看，在十字路口，车辆通行主要有两种情况：一种是在交通事故条件下要求车辆禁行。在这种情况下，十字路口的两端均不通行，这是交通灯需要红灯亮，倒计时功能停止，并保持闪烁的状态；另一种就是无特殊情况的通行，主要包含四种情况：第一，最开始的时候，东西道路为通行状态，绿灯亮，南北道路为禁行状态，红灯亮；第二，十字路口的道路全部禁行东西道路黄灯亮，南北道路红灯闪烁；第三，东西道路禁行，红灯亮，南北道路通行，绿灯亮；最后，十字路口全部禁行，南北道路黄灯亮，且东西道路红灯闪烁。根据这种情况，主控制器要实现4种状态，并分别定义为S0、S1、S2、S3。要想实现这4种电路，可以应用到数字电路技术[1]。设计如下图所示：

在这个设计图当中，我们利用的是两块74LS192芯片，K0表示清零，由位置1切换到2，K1和K2是交通道路特殊状态的控制键，如果有特殊状态按K1，特殊状态处理后，再按K2，表示恢复了正常的通车控制。A、B、C三种信号均用于对信号灯的控制，同时C还兼做停止计时时的闪烁效果控制。

2.2状态译码器的设计

上文中提到，主控制器在实际应用中会产生四种状态，而状态译码器则要求分别控制十字路口上红、绿、黄灯的状态，而这3种灯的状态和主控制器的输出可以用R1来表示。与此同时，利用信号真值表能够设计出交通灯控制器状态译码器的电路。

在本次设计中的数字电路技术，共分为8个双向3态缓冲电路，在其输入和输出均为高阻态的状态。高阻态就是指在应用过程中相当于没有这个数字芯片。在本次研究的电路中，主要是实现红灯的闪烁，无论是在十字路口的主干道和支干道，都能够利用这个状态译码器来进行控制[2]。

2.3倒计时计数器的设计

在这次的研究中，交通灯控制器的倒计时电路主要是利用数字芯片74LS192来进行设计。具体设计如下图所示：

在倒计时电路的脉冲信号和交通道路特殊情况控制信号C经过与非门U5：A后，被送入到个位片U2的DN端口，而十位片则被连接到另外的Q3端口当中。通过预置数的方式来实现任意进制下倒计时电路的设计，并且十位和个位片U1和U2的预置数据要按照下表来进行设计：

通过上表能够得知所预置的具体数值，由于U1和U2的预置时间是倒计时电路到0s时根据U1和U2的TCD信号经过或门U6：A之后才形成的，考虑到数字芯片的延迟特点，因此选择03s时就对主控制器当中的U11产生出驱动脉冲，以此来实现U1和U2的预置数据最终能顺利送达。

3 交通灯控制器的仿真结果

在本次研究设计完成之后，需要利用到Proteus的软件来进行仿真检测，这个软件是英国一家公司专门的EDA的工具软件。本次设计当中的所有数字集成芯片都可以在这个软件的元件库里找到[3]。在仿真检测中，设计人员画好仿真电路并修订出元件的具体参数就能够实现仿真。通过仿真，数字电路对于交通的灯的基本控制功能就能实现，同时还具有倒计时及时间设置功能，能够被广泛运用。

结论：本次研究设计是通过将数字电路的分析设计和电子设计自动化相互结合，能够完成交通灯控制器中各个单元电路以及整体信号电路的设计。为了能够进一步验证该设计的准确性，本次研究还通过Proteus软件来进行仿真观察，通过仿真检测，可以看出仿真的结果符合设计的具体要求，并达到了所预期的目的。本次设计的交通灯控制器是在数字电路的基础上完成的，相比于传统的单片机设计交通灯控制器，这种设计方法更加简单便捷，不需要再次进行软件的编程和调试，并且成本低廉，适合在实际应用中广泛推广。

参考文献：

[1]宋朝君.基于数字电路的交通灯控制器的设计与仿真[J].电子技术与软件工程，2013，11（20）：96-97.

[2]刘建华，龚校伟，崔雅君.交通灯控制器数字电路的设计及仿真[J].数字技术与应用，2012，10（01）：1-2+4.

[3]黄鸿锋.交通灯控制器的设计与实现[J].中国集成电路，2010，12（07）：65-67.

作者简介：卢学燕（1991.5～），女，甘肃省临夏回族自治州，西北师范大学，2011级本科生，研究方向：电子信息工程

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