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1、应用电路二 交通信号灯控制系统的设计与仿真分析十字路口的交通信号灯是我们每天出行时都会遇到的，信号灯指挥着行人和各种车辆安全有序的通行。实现红、绿灯的自动控制是城市交通管理现代化的重要课题，合适的信号灯控制系统可以提高城市交通的效率。下面我们以该课题为例进行设计与仿真分析。1. 电路设计分析(1)交通信号灯控制系统的技术指标主、支干道交替通行，主干道每次放行30s，支干道每次放行20s。绿灯亮，表示可通行；红灯亮，表示禁止通行。每次绿灯变红灯时，黄灯先亮5s(此时另一干道上的红灯不变)。十字路口要有数字显示，作为等候时间提示。要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均以秒为单位作减计数。在黄灯亮时
2、，原红灯按1Hz的频率闪烁。要求主、支干道通行时间及黄灯亮的时间均可099s内任意设定。(2)方案论证根据设计任务和技术指标的要求，可画出该交通灯控制系统的组成框图，如图4 -15所示。 可以看出，交通信号灯控制系统主要由下列模块组成。 状态控制器，主要用于记录十字路口交通灯的工作状态，以实现对主、支干道车辆运行状态的控制。 状态译码器，按照状态控制器所处的状态，通过状态译码器分别驱动点亮相应的信号灯，指挥主、支干道的行人和车辆。 秒脉冲发生器，产生整个定时系统的时基脉冲，确保整个电路同步工作和实现定时控制。 减法计数器，通过减法计数器对秒脉冲作减计数，完成计时任务，达到控制每一种工作状态持续
3、时间的目的。减法计数器的回零脉冲使状态控制器完成状态转换，同时状态译码器根据系统下一个工作状态，决定计数器下一次减法计数的初始值。 减法计数器的状态由BCD译码器译码、数码管显示。在黄灯亮期间，状态译码器将秒脉冲引入红灯控制电路，使红灯闪烁。 (3)方案实现 根据方案论证的思路，决定方案实现的方法。 状态控制器的设计。 首先分析十字路口交通信号灯工作的实际各种可能状态。根据设计要求，因主干道和支干道备有3种灯(红、绿、黄)，它们在正常工作时，亮灯的组合只有4种可能。 主绿灯亮，支红灯亮，主干道通行。 主黄灯亮，支红灯闪烁，主干道停车。 主红灯亮，支绿灯亮，支干道通行。 主红灯闪烁，支黄灯亮，支
4、干道停车。 将各信号灯的工作顺序制作成流程图，如图4 - 16所示。 信号灯4种不同的状态分别用S0(主绿灯亮，支红灯亮)、S1(主黄灯亮，支红灯闪烁)、S2(主红灯亮，支绿灯亮)、S3(主红灯闪烁，支黄灯亮)表示，其状态编码及状态转换图如图4-17所示。4组编码对应4种状态，显然这是一个2位二进制计数器的输出状态，故可采用多种中规模集成计数器来实现。本电路采用CD4029连接成二进制加法计数器构成状态控制器电路如图4 -18所示。CD4029为4 位可预置二进制十进制可逆计数器。该计数器可进行二进制加减计数或BCD 十进制加 / 减计数操作，两种计数方式均有超前进位功能；B/D端为高电平时，
5、进行二进制计数；B/D端为低电平时，进行十进制计数。有关CD4029引脚及功能表详见数字集成电路手册。状态译码器设计。主、支干道上红、黄、绿信号灯的状态主要取决于状态控制器的输出状态。它们之间的关系见表4 -1。其中主干道的信号灯分别用大写字母R、Y、G代表红灯、黄灯和绿灯，支干道的信号灯分别用小写字母r、y、g代表红灯、黄灯和绿灯。对于信号灯的状态，1表示灯亮，0表示灯灭。这样，就将交通信号灯信号的工作状态以真值表的形式表达出来，这是电路设计中最重要的一个环节，只有正确地用真值表描述实际工作状态，才能考虑下一步用数字电路芯片来设计电路。根据真值表，可求出各信号灯的逻辑函数表达式为； = =
6、y = = 如何从真值表得到表达式，很多有关数字电路的书籍资料上都有介绍，这部分内容是数字电路中的一块基本知识，需要的读者可自行查阅相关资料。输出端，选择发光二极管来模拟交通灯，由于门电路带灌电流的能力一般比带拉电流的能力强，要求门电路输出低电平时，点亮相应的发光二极管，故交通信号灯显示电路组成如图4 -19所示。 由交通信号灯控制系统设计的技术指标知道，当黄灯亮时，红灯按1Hz的频率闪烁。从表4 1中可以看出，黄灯亮时，Q1必为高电平；而红灯点亮信号与Q 1信号无关。可利用Q1信号去控制一个三态门电路74LS245(或模拟开关)，当Q1为高电平时(为低电平，控制三态门的EN)，将秒脉冲信号引
7、到驱动红灯的与非门的输入端，使红灯在黄灯亮期间闪烁；反之将其隔离，红灯信号不受黄灯信号的影响。这部分电路用到了三态门，三态门的功能简介如下(以TTL三态门为例)。 三态门简称TSL门，它是在普通门的基础上加上使能控制电路和控制信号构成的。所谓三态门，是指其输出有3种状态，即高电平、低电平和高阻态(开路状态)。，在高阻态时，其输出与外接电路呈断开状态。图4 -20所示是三态与非门的逻辑图。如图 4-20(a)所示的三态门是控制端为高电平时有效。当 EN=1时，与普通与非门的逻辑功能相同，当EN = 0时，不论A、B的状态如何，输出均为高阻态(与外电路隔断)。 如图4 -20(b)所示的三态门是控
8、制端为低电平时有效。当时，与普通与非门的逻辑功能相同；当时，不论A、B的状态如何，输出为高阻态。定时系统设计。根据设计要求，交通灯控制系统要有一个能自动置入不同定时时间的定时器，以完成30s、20s、5s的定时任务。该定时器由两片CD4029构成的2位十进制可预置减法计数器构成，时间显示状态由两片74LS47和两只发光二极管对减法计数器进行译码显示，预置到减法计数器的时间常数通过3片8路双向三态门74LS245来设定。3片74LS245的输入数据分别接入30、20、5 这3个不同的数字，任一输入数据到减法计数器的置入，由状态译码器的输出信号控制不同的74LS245的选通信号来实现。例如，当状态
9、控制器在S1(Q2Q1=01)或在S3(Q2Ql=11)时，要求减法计数器按初值5开始计数，故采用S1、S3为逻辑变量而形成的控制信号Q1去控制输入数据接数字5的74LS245的选通端。由于74LS245选通信号要求低电平有效，故Q1经过一个非门输出后接相应74LS245的选通控制端。同理，输入数据接30的三态门74LS245的选通信号来自主干道绿灯信号G的输入数据，输入数据接20的三态门74LS245的选通信号来自支干道绿灯信号g。所设计的定时系统如图4 -21所示。这部分电路用到了三态门74LS245，74LS245的功能简介如下。74LS245是我们常用的芯片，用来驱动发光二极管或者其他
10、的设备，是带三态输出的8位双向数据缓冲器，专用于数据双向传输。其中芯片引脚为芯片使能端(有的标为)，为低电平时，缓冲器才能工作。DIR为传输方向控制端，当DIR = 0时，信号由B向A传输；当DIN = l时，信号由A向B传输；为高电平时，A、B均为高阻态。74LS245芯片引脚如图4 - 22所示。这部分电路还用到了中规模集成电路74LS47，功能简介如下。中规模集成电路74LS47是一种常用的7段显示译码器，该电路的输出为低电平有效，即输出为0时，对应字段点亮；输出为1时，对应字段熄灭，所以驱动的是共阳极的7段显示器。该译码器能够驱动7段显示器显示0 15共16个数字的字形。输入端A3、A
11、2、A1和A0接收4位二进制码，输出端Qa、Qb、Qc、Qd、Qe、Qf和Qg分别驱动7段显示器的7段。译码显示原理图如图4-23(a)所示，图4 -23(b)给出了7段显示笔画与0 15共16个数字的对应关系。秒脉冲发生器设计。产生秒信号的电路有多种形式，图424是利用555定时器组成的秒信号发生器。该电路的输出脉冲周期为T = 0.7(R1 +2R2)C，若T = 1s，令C = 10F，R1 = 39K，则R2 = 51K。取一个47k固定电阻与一个5kQ的电位器RW串联代替电阻R2。在调试电路时，调节电位器RW，使输出脉冲周期为ls。2电路组成及仿真分析(1)仿真调试秒脉冲发生器秒脉冲
12、信号发生器的仿真电路如图4-25所示。用示波器监视秒脉冲发生器的输出，调节电位器RW，使输出信号的周期为1s。 单元模块电路的设计。 用Multisim 10仿真时，可将交通灯控制系统的各部分电路模块化，这样最后总调试的时候，只需将各个模块连接调试即可，这也是仿真软件的一大功能(这是一项虚拟的功能，实际电路是不可能有的，但CPLD借鉴了这个思路，可以自定义芯片的引脚)。用好模块化设计，会大大简化电路的连接，提高总电路凋试的效果。其他部件如显示器件、发光二极管等放在总体电路外，以便观察输出结果。秒信号模块的设计和封装如图4 - 25所示。添加模块引脚。选择Place ConnectorsHBSC
13、 Connector菜单命令，放置模块引脚并连接在秒脉冲信号发生器的输出端，将其更名为CLOCK，如图4_26所示。单击“存储”按钮，将编辑的图形文件存盘，文件名为“秒信号模块.ms10”。模块封装。模块封装在总体电路设计环境中进行。(2)仿真调试交通信号灯状态控制器 将秒信号引入状态控制器脉冲输入端，在该脉冲作用下，模拟主、支干道的三色信号灯应按要求依次转换，如果不是这样就应查找原因。交通信号灯状态控制器仿真电路如图4-27所示。 由于仿真软件中秒脉冲信号发生器产生的仿真秒脉冲信号太慢，为了加快调试速度，在交通信号灯状态控制器仿真电路中用信号发生器代替秒脉冲信号，信号发生器频率设置为l00H
14、z。为了观察起来直观，在输出端接有指示灯，用来观察4029BD的输出信号。同时需要注意，仿真电路中的4029BD与图4-18中的CD4029芯片只是标注有所不同，功能是完全相同的。简要说明如下：CP为时钟脉冲输入端，UPDN为加减计数控制端，BINDEC为二进制十进制计数端，PE为置数控制端，CI为计数控制端，Q3、Q2、Ql、Q0为计数输出端，TC为进位输出端，P3、P2、P1、P0为置数输入端。仿真电路中4029BD的计数输出端为Q3、Q2、Q1、Q0。逻辑原理图4-1 8中的CD4029输出端为Q4、Q3、Q2、Q1，这一点特别需要注意。仿真图采用的是和原理图相同的引脚进行连接的，但标号
15、是不一样的。 同样用前面介绍的单元模块电路的设计方法，将交通信号灯状态控制器仿真电路加上模块引脚。图4-27所示电路为己添加模块引脚的电路。 (3)仿真调试交通信号灯显示电路 参照图4 -19所示的交通信号灯状态显示电路进行仿真测试，仿真电路如图4 - 28所示。 仿真电路采用了总线结构，减少了线路的复杂程度，这部分仿真电路是交通信号灯状态控制器与交通信号灯显示电路相连接后的测试电路。其中对于支干道的交通信号灯标注，由于Multisim 10软件的问题(不支持同一字符的多次标注)，只能标注成小写的r1(红灯)、yl(黄灯)、gl(绿灯)。测试的目的是检查该电路能否满足交通信号灯转换的技术要求。 同样用前面介绍的单元模块电路的设计方法，给交通信号灯显示电路加上模块引脚。图4-29所示电路为已添加模块引脚的电路。 (4)仿真调试交通信号灯定时电路 参照图4 - 21所示的交通信号灯定时电路进行仿真测试，仿真电路如图4 -30所示。 调试顺序。 将秒信号引入定时系统电路的
