1 引言    1

1.1设计目的    1

1.2设计背景    1

1.3设计任务    1

2  Multisim技术简介    2

2.1 Multisim的发展历史    2

2.2 Multisim 10的概述    2

2.3 Multisim 10的基本操作界面    3

3 总体设计    5

3.1 总体设计思想    5

3.2 秒脉冲发生器    6

3.2.1 555定时器的简介    6

3.2.2 555定时器的工作原理    6

3.2.3 555定时器的引脚图及功能表介绍    7

3.2.4 由555定时器构成的秒脉冲发生器    7

3.3倒计时装置    8

3.3.1 十进制加减法计数器74LS192的工作原理    8

3.3.2 由74LS192构成的倒计时装置    9

3.4数码显示装置    10

3.5主控制电路    11

3.5.1芯片74Ls160的介绍    11

3.5.2芯片74Ls160的引脚图及功能表    12

3.5.3 主控电路的构成    13

3.6交通信号灯    15

3.7夜间工作模式    15

3.8手动控制部分与黄灯闪耀部分    16

4 设计总结    17

参考文献    18

附录1 器件明细表    19

附录2总设计电路Multisim仿真图    19

1 引言

1.1设计目的

学习了一个学期的《数字电子技术》课程，这次的课程设计主要综合了解与运用所学的知识，通过这次课程设计来检查这一学期的学习状况。在课程设计的同时让大家了解我们学习的课程在今后生活学习中所存在的意义和重要性，提高大家对这门课程的喜爱程度，为以后学习提供有力的动力。另外，还可以让我们更加深入的了解交通灯等与我们所学知识有关的生活期间的工作原理。更重要的是要通过制作来了解交通灯控制系统，了解译码器、计数器、寄存器芯片的作用。

1.2设计背景

在大、中城市，十字道口的红绿灯是交通法规的无声命令，是司机和行人的行为准则。十字道口的交通红绿灯控制是保证交通安全和道路畅通的关键。当前，国内大多数城市正在采用“自动”红绿交通灯，它具有固定的“红灯—绿灯”转换间隔，并自动切换。它们一般由“通行与禁止时间控制显示、红黄绿三色信号灯和方向指示灯”三部分组成。在交通灯的通行与禁止时间控制显示中，通常要么东西、南北两方向各50秒；要么根据交通规律，东西方向60秒，南北方向40秒，时间控制都是固定的。但是，实际上不同时刻的车辆流通状况是十分复杂的，是高度非线性的、随机的，还经常受认为因素的影响。采用定时控制经常造成道路有效应用时间的浪费，出现绿灯方向车辆较少，红灯方向车辆积压。其最大的缺陷就在于当路况发生变化时，不能满足司机与路人的实际需要，轻者造成时间上的浪费，重者直接导致交通堵塞。这就需要一个安全、自动的系统对红、黄、绿的转化进行管理。本次的设计就是基于此目的进行的。

1.3设计任务

（1）要求东西方向的红、黄、绿灯和南北方向的红、黄、绿灯按照正常的工作时序进行工作，黄灯亮时应为闪烁状态；

（2）南北和东西车辆交替进行，各通行时间24秒

（3）每次绿灯变红灯时，黄灯先闪烁4秒，才可以变换运行方向

（4）十字路口要有数字显示作为时间提示，以倒计时按照时序要求进行显示；

（5）可以手动调整和自动控制，夜间为黄灯闪耀状态

2  Multisim技术简介

2.1 Multisim的发展历史

Multisim是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT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。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。

工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的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。

该软件实现了EWB4.0-- EWB5.0-- EWB6.0-- Multisim2001-- Multisim 7-- Multisim 8-- Multisim 9-- Multisim 10的发展过程。

目前在各高校教学中普遍使用Multisim2001，网上最为普遍的是Multisim 9，NI于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NI Multisim v 10作为其中一个组成部分包含于其中。

2.2 Multisim 10的概述

（1）通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路

（2）通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为

（3）借助高级电路分析, 理解基本设计特征

（4）通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试

（5）通过改进、整合设计流程, 减少建模错误并缩短上市时间

NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。 Multisim10软件进行设计仿真分析的基本步骤为：设计创建仿真电路原理图→电路图选项的设置→使用仿真仪器→设定仿真分析方法→启动Multisim10仿真。

 2.3 Multisim 10的基本操作界面

1.启动Multisim 10双击桌面上的Multisim快捷方式或选择程序菜单中的Multisim选项，即可进入。打开界面如下图：

图1 工作界面

2. Multisim界面

图2 Multisim界面

3. Multisim的常用界面介绍

（1）常用的器件、芯片等择对话框，如下图：

图3 选择器件对话框

（2）常用仪器的选择

图4  示波器，信号发生器等仪器的选择框

3 总体设计

3.1 总体设计思想

设计交通信号控制灯要求白天的工作方式如图2-1：

夜晚的工作方式是：南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮，因此总的设计框图如图2-2：

数码显示装置

交通信号灯

主控制电路

倒计时装置

秒脉冲发生器

图6 总设计原理框图

3.2 秒脉冲发生器

3.2.1 555定时器的简介

555定时器是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，其应用十分广泛。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。它的内部电压标准使用了三个5K的电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，两者的工作原理和结构相似。几乎所有的双极型产品型号最后的三位数码都是555或556；所有的CMOS产品型号最后四位数码都是7555或7556，两者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555和7555是单定时器，556和7556是双定时器。双极型的电压是+5V~+15V，输出的最大电流可达200mA，CMOS型的电源电压是+3V~+18V。

3.2.2 555定时器的工作原理

图7 555定时器内部框图

555电路的内部电路方框图如图8-1所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器A1同相比较端和低电平比较器A2的反相输入端的参考电平为和。A1和A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号输入并超过时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

是复位端，当其为0时，555输出低电平。平时该端开路或接VCC。

Vc是控制电压端（5脚），平时输出作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01uf的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路。

3.2.3 555定时器的引脚图及功能表介绍

555定时器的引脚图如下：

图8 555定时器的引脚图

555定时器的状态表如下图：

图9 555定时器功能表表的截图

3.2.4 由555定时器构成的秒脉冲发生器

由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、电容组成的多谐振荡电路，也可以是用555定时器和电阻、电容组成的多谐振荡器。为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用555定时器组成多谐振荡器。

振荡周期与频率的计算公式为：T=(R1+2R2)Cln2=0.7(R1+2R2)C,电源电压为Vcc=5V，其中电路图中C1的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，课程设计中要求输出T=1S，选取电容为C1=10nF，C2=10uF，R1=48kΩ，根据振荡周期计算，选择电阻R2=48kΩ。在Multisim中进行仿如图3-1： 

图10 由555定时器构成的秒脉冲发生器

由此电路就可以产生脉冲频率为1赫兹的脉冲。

3.3倒计时装置

3.3.1 十进制加减法计数器74LS192的工作原理

74LS192同步可逆递增/递减BCD 计数器。74LS192的预置数是异步的，当置入控制端（Load）为低电平时，不管时钟（CP）的状态如何, 输出端（Q0～Q3）即可预置成与数据输入端（D0～D3）相一致的状态。74LS192 的计数是同步的，当计数控制端（CTEN ）为低电平时，在CP 上升沿作用下Q0～Q3同时变化，从而消除了异步计数器中现的计数尖峰。当计数方式控制（U /D）为低电平时进行加计数，当计数方式控制（U /D）为高电平时进行减计数。只有在CP 为高电平时CTEN 和U /D 才可以跳变。74LS192有超前进位的功能，当计数溢出时，进位/错位输出端（CO/BO）输出一低电平脉冲，其宽度为CP 脉冲周期的高电平脉冲；行波时钟输出端（ RC ）输出一个宽度等于CP 低电平部分的低电平脉冲。利用 RC 端，可级联成N 位同步计数器。当采用并行CP控制时，则将RC 接到后一级CT ；当采用并行CT 控制时，则将RC 接到后一级CP。

引出管脚符号：

CO/BO进位输出/借位输出端

CLK 时钟输入端（上升沿有效）

CTEN 计数控制端（低电平有效）

D0～D3 并行数据输入端

LOAD 异步并行置入控制端（低电平有效）

Q0～Q3 输出端

RC 行波时钟输出端（低电平有效）

U /D 加/减计数方式控制端

  74LS192芯片的引脚图如下：

图11 74LS192的引脚图

图12 74LS192功能表的截图

3.3.2 由74LS192构成的倒计时装置

十字路口要有数字显示作为倒计时提示，以便人们直观的把握时间。具体的工作方式为：当某方向绿灯亮时，只显示器为某值，然后每秒减1，计数方式工作，直至减到4或0时，十字路口的红绿灯变换，一次工作结束后进入下一步某方向的工作循环。在倒计时的过程中计数器还向信号灯提供模为4的定时信号T1和模为0的定时信号T2，用以控制黄灯的闪烁和黄灯向红灯变换。因为要计数的数字从24开始，所以要用两片 74LS192级联得到。级联的电路图如图所示：

图13 两片74LS192的级联图

3.4数码显示装置

本设计采用的七段显示译码器，如下图所示：

图14 七段显示译码器

将七段显示译码器与上述倒计时装置相连，连接图如下：

图15 七段显示译码器与倒计时装置的连接图

按照上图连接便可以数字的形式现实倒计时装置的工作状态。

3.5主控制电路 

3.5.1芯片74Ls160的介绍

74Ls160是可预置十进计数器，由四个D 型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平。当预置是同步时，在置数输入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都与建立数据一致。清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置为低电平。超前进位电路无须另加门，即可级联出n 位同步应用的计数器。它是借助于两个计数使能输入和一个动态进位输出来实现的。两个计数使能输入（ENP 和ENT）计数时必须是高电平，且输入ENT 必须正反馈，以便使能动态进位输出。因而被使能的动态进位输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度近似等于QA 输出高电平。此高电平溢出进位脉冲可用来使能其后的各个串联级。使能ENP 和ENT 输入的跳变不受时钟输入的影响。电路有全的时钟电路。改变工作模式的控制输入（使能ENP、ENT 或清零）纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。

3.5.2芯片74Ls160的引脚图及功能表

74Ls160芯片的引脚图及功能表如下图：

图16 74Ls160的引脚图

图17 74Ls160功能表的截图

3.5.3 主控电路的构成 

为了实现倒计时装置分别从24s，20s，4s开始倒计时，须由三个状态转换来实现数字不同时减法计数器不同的预置数，因此，我们选用计数器74Ls160来实现上述功能。电路连接如下图：

图18 主控原件

由上图可以实现其输出端输出信号由01,10,11三个状态的循环。由于当减法计数器减到00时，需重新置数，此时需给计数器74Ls160一个信号使其状态发生改变，并使减法计数器进入不同的置数。其具体连接图如下（此为东西向的控制电路图，其循环状态时红灯—绿灯—黄灯；因此南北向的控制电路状态转换应为绿灯—红灯—黄灯）：

图19 主控电路的置数功能

3.6交通信号灯

由于红灯亮的时间为24s，绿灯亮的时间为20s，黄灯为4s，并与倒计时显示装置同步。同时，主控制电路中74Ls160输出为QAQBQCQD，本设计只是用QAQB，分别为00,01,10,11，我们只采用01.10.11三个状态。因此，东西方向上的红、绿、黄灯分别对应01,10,11.南北方向上的红、绿、黄灯分别对应11,01,10.连接图如下说是：

图20 交通信号灯的控制电路

南北电路的连接图见最后的总图。

3.7夜间工作模式

为了使实验在一次课时间内完成，本设计中白天与夜间的转换开关为手动开关。在实际应用中可以设计自动转换开关。

用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自动转换开关。这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。第二天天量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用手动切换白天与夜晚模式的选择。

3.8手动控制部分与黄灯闪耀部分

夜晚模式改为手动控制后，应由电建开关来实现。夜晚时分，应将开关如下图所示连接。同时，由于黄灯要求在4s内以及夜晚时为闪烁状态，所以东西方向的黄灯应由秒脉冲和QAQB用与门连接来控制，电路连接如下图：（南北方向连接图见总图）

图21 手动控制电路及黄灯闪烁电路

4 设计总结

此次课程设计主是运用本学期所学到的模拟电子技术知识来设计一个符合要求的交通信号控制系统。要求我们运用所学知识将几种单元电路组合起来，并且能够根据给定性能指标求解电路中的参数，最后在实践方面还要求我们要有动手能力，绘制出仿真电路并调试。通过这次数字电子技术课程设计，我学到了很多的东西，不仅巩固以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有的知识。从而进一步加深了对数字电子技术的了解，让我对它产生了浓厚的兴趣。这次课程设计让我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，还要把所学的理论知识与实践相结合起来，而设计运用时要求对基础知识掌握的特别牢固熟练，才能很快的想到并学以致用，因此我们在以后的学习中更应该甲苯努力的学习。

这次课设让我从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和思考的能力。在设计的过程中遇到的问题，可以说是困难重重，这毕竟第一次做，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。不同的学生设计出不同的电路模型。通过与同学们交流，让我可以用全新的视角去看待问题，思考问题并进一步解决问题。

总得来说这次交通控制逻辑电路的设计比较成功的。在设计中遇到了很多问题，尤其在运行仿真图时，最后在马老师的辛勤的指导下，终于下载调试成功。很感谢学校为我们安排的这次课设以及指导老师的耐心指导和详细讲解，同时很感谢同学们的帮助。

参考文献

[1].郭锁利,《基于Multisim 10的电子系统设计仿真与综合应用》.人民邮电出版社,2008.2

[2].王鸿明，段玉生.《电工与电子技术》.高等教育出版社，2009.12

[3].阎石.《数字电子技术基础》.高等教育出版社，2009.2

[4].吴俊芹.《电子技术实训与课程设计》.机械工业出版社，2009.4

[5] 毕满清.电子技术实验与课程设计.北京:机械工业出版社,2001.3

附录1 器件明细表