羅光毅，熊飛嶠

（遵義師范學(xué)院物理系，貴州遵義563002）

基于EWB在交通信號燈自動控制系統(tǒng)仿真設(shè)計

羅光毅，熊飛嶠

（遵義師范學(xué)院物理系，貴州遵義563002）

介紹了ewb在電子線路設(shè)計和研究中的作用，以十字路口的道路交通信號燈自動控制為例，研究了數(shù)字集成741系列對交通信號燈的控制，并對74163置換74160作了可行性研究，根據(jù)交通信號燈的控制要求和特點，闡述了控制方案并仿真設(shè)計。

電路設(shè)計；ewb；仿真設(shè)計

雖然道路交通信號燈設(shè)計的種類很多，功能各異，但交通信號燈自動指揮控制系統(tǒng)都是典型的數(shù)字電路控制系統(tǒng)。以數(shù)字集成741系統(tǒng)、三態(tài)門邏輯電路為主的低成本同時又能發(fā)揮其功能的設(shè)計電路，足以解決信號燈自動控制。EWB（electronics workbench）作為電子設(shè)計自動化技術(shù)軟件，功能強大，可視化界面清晰，且易學(xué)易用，可作為高校電路實驗和綜合電路設(shè)計的配套軟件[1]。設(shè)計遵循“理論推導(dǎo),虛實結(jié)合,仿真設(shè)計,實驗驗證”的原則[2]。設(shè)計者不僅可精確地進行電路分析，深入理解電子電路原理，而且有利于培養(yǎng)設(shè)計者的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[3]。本文基于EWB對交通信號燈自動控制系統(tǒng)進行仿真設(shè)計。

1 設(shè)計系統(tǒng)工作流程和邏輯結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計系統(tǒng)工作流程

1.1.1 設(shè)計效果

設(shè)系統(tǒng)工作的十字路口由車流量較大的主干道和流量較小的支線組成，四個路口均設(shè)有紅、黃、綠三色信號燈和兩位計數(shù)、譯碼顯示器，以達到以下效果：

（1）主、支道路交替通行，通行時間均可在0-99s內(nèi)任意設(shè)定；

（2）每次綠燈換紅燈前，黃燈先亮較短時間以等待十字路口內(nèi)留車通過；

（3）主、支道路通行時間和黃燈亮的時間均由同一兩位百進制減法計數(shù)器（按零狀態(tài)為無效態(tài)方式計數(shù)）順序定時控制；

（4）減法計數(shù)器回零瞬間完成十字路口通行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換；

（5）計數(shù)器的狀態(tài)由顯示器件庫中的帶譯碼七段數(shù)碼顯示器顯示，三色信號燈由其中的指示燈模擬實現(xiàn)。

1.1.2 交通信號燈自動指揮控制系統(tǒng)的設(shè)計思路

（1）在交通指揮信號系統(tǒng)工作時，信號燈按一定的時序工作：1）主干道綠燈和支道東西方向綠燈不能同時亮，如果同時亮則應(yīng)該立即發(fā)出報警信號，并自動關(guān)閉信號燈系統(tǒng)。2）系統(tǒng)工作后，首先主干道南北紅燈亮并維持25s；在此同時，支道東西綠燈亮，并維持25s時間，到25s時，東西綠燈閃亮，閃亮5s后熄滅。3）在東西綠燈熄滅時，東西黃燈亮并維持5s，到5s時，東西黃燈熄滅，東西紅燈亮，同時南北紅燈熄滅，南北綠燈亮。4）東西紅燈亮并維持35s；在此同時，南北綠燈亮并維持30s,然后，南北綠燈閃亮5s后熄滅。5）南北綠燈熄滅時，南北黃燈亮持續(xù)5s后熄滅，同時南北紅燈亮，東西綠燈亮，至此，結(jié)束一個工作循環(huán)。然后兩個方向的信號燈按上面的要求周而復(fù)始地進行工作。

1.2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

由以上設(shè)計思路，分別列出該系統(tǒng)的工作流程圖1和結(jié)構(gòu)方框圖2。

2 系統(tǒng)單元電路設(shè)計

2.1 運用可逆計數(shù)器74190（預(yù)置BCD十進制同步可逆計數(shù)器）設(shè)計異步0-99任意進制減法計數(shù)器

2.1.1 “零狀態(tài)置數(shù)法”

由于74190是在時鐘脈沖上升沿觸發(fā)，因此，可以利用低位計數(shù)器的借位輸出脈沖直接作高位計數(shù)器的觸發(fā)脈沖，高低位計數(shù)器組成異步級連方式，先將兩塊74190分別連接成十進制減法工作方式，將個位計數(shù)器（U2）的借位信號（RCO’）連接到十位計數(shù)器（U1）的脈沖輸入端（LCK）組成異步計數(shù)方式。將兩個計數(shù)器（U1、U2）的（RCO’）端通過或門控制兩片計數(shù)器的置數(shù)控制端（LOAD），將兩片計數(shù)器的置數(shù)輸入端（D、C、B、A）按進制要求適當(dāng)連接，該減法計數(shù)器在“00”狀態(tài)的瞬間完成置數(shù)。因此，電路中或門的輸入為 0，使兩片 74190的置數(shù)控制端（LOAD’）同時得到有效低電平，將置數(shù)輸入端（D、C、B、A）的數(shù)據(jù)置入計數(shù)器，并在0-99以內(nèi)任意選擇計數(shù)值，如圖3。

2.1.2 “九狀態(tài)置數(shù)法”

對十進制遞減計數(shù)器而言，“0”狀態(tài)之后，一定是狀態(tài)“9”，我們可以利用QD和QA相“與”后，完成任意進制置數(shù)。即利用“9”狀態(tài)出現(xiàn)的瞬間特征（QD= QA=1），借助置數(shù)控制端LOAD和置數(shù)輸入端A，B，C，D，將“9”置換為任意進制數(shù)“N”。圖4為采用異步級連方式的零為有效狀態(tài)的遞減計數(shù)器。

“利用反饋清零”法組成的零有效九進制遞增計數(shù)器，利用“反饋置數(shù)”法同樣也可以組成零為無效狀態(tài)的任意進制遞增計數(shù)器，對74190而言，令其工作在遞增計數(shù)方式下，同樣也可以利用“反饋置數(shù)”法組成零狀態(tài)有效或無效的任意進制遞增計數(shù)器。

2.2 運用74163或74160設(shè)計狀態(tài)譯碼器

以狀態(tài)控制器輸出（QB、QA）作譯碼器的輸入變量，根據(jù)四個不同通行狀態(tài)，對主、支線道路三色信號燈的控制要求，列出燈控函數(shù)真值表1。

由燈控函數(shù)邏輯表達式，可畫出與門和非門組成的狀態(tài)譯碼電路如下，將狀態(tài)控制器、狀態(tài)譯碼器以及模擬三色信號燈相連接，構(gòu)成三色信號燈邏輯控制電路，狀態(tài)譯碼器電路的過程完全可以借助EWB自動進行，在EWB界面下，打開儀器庫，調(diào)出邏輯轉(zhuǎn)換儀面板上的真值表，填入某燈的輸入變量和輸出函數(shù)值，按下“真值表→簡化邏輯函數(shù)→邏輯圖”按鈕，即可得到該燈的邏輯圖。由燈控函數(shù)真值表可以寫出六盞燈的邏輯式：

表1 燈控函數(shù)真值表一

據(jù)此，由以74163集成塊為主體的燈控邏輯電路如圖5。

根據(jù)電路要求及集成電路的功能，在設(shè)計中用74163代替47160同樣達到效果，具體設(shè)計如下（見圖6）：只需將74160的A、B、C、D接地，把QA、QB加一個與非門接到LQAD`上，其余不變，則此時輸出的QA、QB信號可以用74163組成的三色燈邏輯控制電路替代。

2.3 三態(tài)門定時控制器的設(shè)計

三態(tài)門，是指邏輯門的輸出除有高、低電平兩種狀態(tài)外，還有第三種狀態(tài)——高阻狀態(tài)的門電路，高阻態(tài)相當(dāng)于隔斷狀態(tài)（亦稱禁止態(tài)）。三態(tài)與非門的最重要用途是可向一條導(dǎo)線上輪流傳送幾組不同的數(shù)據(jù)和控制信號，為了保證接在同一條總線上的許多三態(tài)門能正常工作，一個必要條件是，任何時間里最多只有一個門處于工作狀態(tài)。

根據(jù)三態(tài)門的基本工作原理，當(dāng)c為高電平時，a、b為通路，當(dāng)c為低電平時，a、b產(chǎn)生高阻。其功能如表2。

表2 三態(tài)門工作狀態(tài)

為使設(shè)計系統(tǒng)簡化，用同一減法計數(shù)器分時顯示主、支線道路通行時間，現(xiàn)設(shè)計主、支線道路的綠燈通行時間為35s、25s，主、支線道路的紅燈停止時間為25s、35s，黃燈均為5s。將控制電路的子電路的CLK端反向接入計時顯示器的Zs端，這樣計時顯示與燈控邏輯電路實現(xiàn)了同步連接，因為計時設(shè)定為25秒、35秒、5秒，這樣，計時器的個位端都是5秒，數(shù)5的二進制表示為0101，所以，將D3、D1接低電平，D2、D0接高電平，于是，計時顯示器里控制個位的集成塊74190的A、B、C、D就為0101。而對于十位，由于數(shù)2為0010，設(shè)定D5為高電平，D7、D6、D4為低電平，由于數(shù)3為0011，設(shè)定D4、D5為高電平，D6、D7為低電平;數(shù)0為0000，D4、D5、D6、D7都為低電平。綜上，D6、D7總為低電平，所以，將它們接地。

（1）主干道綠燈a亮35秒：用二個三態(tài)門，a端都接高電平，控制端都接地，a，b端分別接D4、D5這樣，當(dāng)a亮?xí)r兩三態(tài)門的a，b都接通高電平，且將高電平輸給D4、D5，于是，D7、D6、D5、D4組成0011，十位顯示3，于是計時顯示為35s。

（2）支線道路綠燈亮25秒：用一個三態(tài)門，a端接高電平，b端接D5，控制端接g，當(dāng)g亮?xí)r，c的控制端為H，其a、b都為H，并將H輸給D5，而A、B為低電平，于是a、b兩端產(chǎn)生高阻，所以，D4為0，D5為0，總效果為0010，十位顯示2，于是計時顯示為25s。

（3）黃燈亮5秒：再用一個三態(tài)門，設(shè)為D，其a端接地，b端接D5，控制端接Y、y,即將Y、y接入同一或門，再將其輸出端接控制端，這樣，當(dāng)黃燈亮?xí)r，A、B、C都產(chǎn)生高阻，而D中的b輸出的是低電平，所以D7D6D5D4＝0000，十位為0，計時器顯示為5s。

2.4 交通信號燈自動控制系統(tǒng)設(shè)計的生成

將生成的各子電路整合起來就生成了交通信號燈自動控制系統(tǒng)，如圖7。

3 結(jié)束語

通過對交通信號燈自動控制系統(tǒng)進行設(shè)計與仿真,實證了EWB在電子線路應(yīng)用設(shè)計中的價值地位，對學(xué)習(xí)和實用非常有益。

[1]劉曉東,孫海蘭.EWB5.0在電路分析教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國科技信息，2006，（14）：221-223.

[2]鞏瑞春,王潤文.EWB在數(shù)字電路設(shè)計性實驗中的應(yīng)用研究[J].陰山學(xué)刊，2009，23（3）:68-70.

[3]林文劍，王勁松，林建詔，等.基于EWB的555多諧振蕩器設(shè)計研究 [EB/OL].http://www.paper.edu.cn/downloadpaper.php?serial_number=200811-612&type=1，2009-06-20.

（責(zé)任編輯：朱 彬）

Design and Simulation on Control System of Traffic Lights Based on EWB

LUO Guang-yi，XIONG Fei-qiao
(Department of Physics,Zunyi Normal College,Zunyi,563002,China)

After depicting the role EWB plays in the electronic circuit design and the research based on the case of the automatic control of traffic lights in the crossroads,this paper explores the control of 741 digital integration series over traffic signal lights,then makes a feasible study onto the replacement of 74163 for 74160,and then expounds the design and simulation on control system.

circuit design;EWB;simulation and design

TN791

A

1009-3583（2010）-02-0071-03

2009-10-24

羅光毅，男，貴州遵義人，遵義師范學(xué)院物理系高級講師。