基于EWB在交通信号灯自动控制系统仿真设计

罗光毅，熊飞峤

（遵义师范学院物理系，贵州遵义563002）

基于EWB在交通信号灯自动控制系统仿真设计

罗光毅，熊飞峤

（遵义师范学院物理系，贵州遵义563002）

介绍了ewb在电子线路设计和研究中的作用，以十字路口的道路交通信号灯自动控制为例，研究了数字集成741系列对交通信号灯的控制，并对74163置换74160作了可行性研究，根据交通信号灯的控制要求和特点，阐述了控制方案并仿真设计。

电路设计；ewb；仿真设计

虽然道路交通信号灯设计的种类很多，功能各异，但交通信号灯自动指挥控制系统都是典型的数字电路控制系统。以数字集成741系统、三态门逻辑电路为主的低成本同时又能发挥其功能的设计电路，足以解决信号灯自动控制。EWB（electronics workbench）作为电子设计自动化技术软件，功能强大，可视化界面清晰，且易学易用，可作为高校电路实验和综合电路设计的配套软件[1]。设计遵循“理论推导,虚实结合,仿真设计,实验验证”的原则[2]。设计者不仅可精确地进行电路分析，深入理解电子电路原理，而且有利于培养设计者的创新思维和创新能力[3]。本文基于EWB对交通信号灯自动控制系统进行仿真设计。

1 设计系统工作流程和逻辑结构

1.1 设计系统工作流程

1.1.1 设计效果

设系统工作的十字路口由车流量较大的主干道和流量较小的支线组成，四个路口均设有红、黄、绿三色信号灯和两位计数、译码显示器，以达到以下效果：

（1）主、支道路交替通行，通行时间均可在0-99s内任意设定；

（2）每次绿灯换红灯前，黄灯先亮较短时间以等待十字路口内留车通过；

（3）主、支道路通行时间和黄灯亮的时间均由同一两位百进制减法计数器（按零状态为无效态方式计数）顺序定时控制；

（4）减法计数器回零瞬间完成十字路口通行状态的转换；

（5）计数器的状态由显示器件库中的带译码七段数码显示器显示，三色信号灯由其中的指示灯模拟实现。

1.1.2 交通信号灯自动指挥控制系统的设计思路

（1）在交通指挥信号系统工作时，信号灯按一定的时序工作：1）主干道绿灯和支道东西方向绿灯不能同时亮，如果同时亮则应该立即发出报警信号，并自动关闭信号灯系统。2）系统工作后，首先主干道南北红灯亮并维持25s；在此同时，支道东西绿灯亮，并维持25s时间，到25s时，东西绿灯闪亮，闪亮5s后熄灭。3）在东西绿灯熄灭时，东西黄灯亮并维持5s，到5s时，东西黄灯熄灭，东西红灯亮，同时南北红灯熄灭，南北绿灯亮。4）东西红灯亮并维持35s；在此同时，南北绿灯亮并维持30s,然后，南北绿灯闪亮5s后熄灭。5）南北绿灯熄灭时，南北黄灯亮持续5s后熄灭，同时南北红灯亮，东西绿灯亮，至此，结束一个工作循环。然后两个方向的信号灯按上面的要求周而复始地进行工作。

1.2 系统逻辑结构设计

由以上设计思路，分别列出该系统的工作流程图1和结构方框图2。

2 系统单元电路设计

2.1 运用可逆计数器74190（预置BCD十进制同步可逆计数器）设计异步0-99任意进制减法计数器

2.1.1 “零状态置数法”

由于74190是在时钟脉冲上升沿触发，因此，可以利用低位计数器的借位输出脉冲直接作高位计数器的触发脉冲，高低位计数器组成异步级连方式，先将两块74190分别连接成十进制减法工作方式，将个位计数器（U2）的借位信号（RCO’）连接到十位计数器（U1）的脉冲输入端（LCK）组成异步计数方式。将两个计数器（U1、U2）的（RCO’）端通过或门控制两片计数器的置数控制端（LOAD），将两片计数器的置数输入端（D、C、B、A）按进制要求适当连接，该减法计数器在“00”状态的瞬间完成置数。因此，电路中或门的输入为 0，使两片 74190的置数控制端（LOAD’）同时得到有效低电平，将置数输入端（D、C、B、A）的数据置入计数器，并在0-99以内任意选择计数值，如图3。

2.1.2 “九状态置数法”

对十进制递减计数器而言，“0”状态之后，一定是状态“9”，我们可以利用QD和QA相“与”后，完成任意进制置数。即利用“9”状态出现的瞬间特征（QD= QA=1），借助置数控制端LOAD和置数输入端A，B，C，D，将“9”置换为任意进制数“N”。图4为采用异步级连方式的零为有效状态的递减计数器。

“利用反馈清零”法组成的零有效九进制递增计数器，利用“反馈置数”法同样也可以组成零为无效状态的任意进制递增计数器，对74190而言，令其工作在递增计数方式下，同样也可以利用“反馈置数”法组成零状态有效或无效的任意进制递增计数器。

2.2 运用74163或74160设计状态译码器

以状态控制器输出（QB、QA）作译码器的输入变量，根据四个不同通行状态，对主、支线道路三色信号灯的控制要求，列出灯控函数真值表1。

由灯控函数逻辑表达式，可画出与门和非门组成的状态译码电路如下，将状态控制器、状态译码器以及模拟三色信号灯相连接，构成三色信号灯逻辑控制电路，状态译码器电路的过程完全可以借助EWB自动进行，在EWB界面下，打开仪器库，调出逻辑转换仪面板上的真值表，填入某灯的输入变量和输出函数值，按下“真值表→简化逻辑函数→逻辑图”按钮，即可得到该灯的逻辑图。由灯控函数真值表可以写出六盏灯的逻辑式：

表1 灯控函数真值表一

据此，由以74163集成块为主体的灯控逻辑电路如图5。

根据电路要求及集成电路的功能，在设计中用74163代替47160同样达到效果，具体设计如下（见图6）：只需将74160的A、B、C、D接地，把QA、QB加一个与非门接到LQAD`上，其余不变，则此时输出的QA、QB信号可以用74163组成的三色灯逻辑控制电路替代。

2.3 三态门定时控制器的设计

三态门，是指逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态——高阻状态的门电路，高阻态相当于隔断状态（亦称禁止态）。三态与非门的最重要用途是可向一条导线上轮流传送几组不同的数据和控制信号，为了保证接在同一条总线上的许多三态门能正常工作，一个必要条件是，任何时间里最多只有一个门处于工作状态。

根据三态门的基本工作原理，当c为高电平时，a、b为通路，当c为低电平时，a、b产生高阻。其功能如表2。

表2 三态门工作状态

为使设计系统简化，用同一减法计数器分时显示主、支线道路通行时间，现设计主、支线道路的绿灯通行时间为35s、25s，主、支线道路的红灯停止时间为25s、35s，黄灯均为5s。将控制电路的子电路的CLK端反向接入计时显示器的Zs端，这样计时显示与灯控逻辑电路实现了同步连接，因为计时设定为25秒、35秒、5秒，这样，计时器的个位端都是5秒，数5的二进制表示为0101，所以，将D3、D1接低电平，D2、D0接高电平，于是，计时显示器里控制个位的集成块74190的A、B、C、D就为0101。而对于十位，由于数2为0010，设定D5为高电平，D7、D6、D4为低电平，由于数3为0011，设定D4、D5为高电平，D6、D7为低电平;数0为0000，D4、D5、D6、D7都为低电平。综上，D6、D7总为低电平，所以，将它们接地。

（1）主干道绿灯a亮35秒：用二个三态门，a端都接高电平，控制端都接地，a，b端分别接D4、D5这样，当a亮时两三态门的a，b都接通高电平，且将高电平输给D4、D5，于是，D7、D6、D5、D4组成0011，十位显示3，于是计时显示为35s。

（2）支线道路绿灯亮25秒：用一个三态门，a端接高电平，b端接D5，控制端接g，当g亮时，c的控制端为H，其a、b都为H，并将H输给D5，而A、B为低电平，于是a、b两端产生高阻，所以，D4为0，D5为0，总效果为0010，十位显示2，于是计时显示为25s。

（3）黄灯亮5秒：再用一个三态门，设为D，其a端接地，b端接D5，控制端接Y、y,即将Y、y接入同一或门，再将其输出端接控制端，这样，当黄灯亮时，A、B、C都产生高阻，而D中的b输出的是低电平，所以D7D6D5D4＝0000，十位为0，计时器显示为5s。

2.4 交通信号灯自动控制系统设计的生成

将生成的各子电路整合起来就生成了交通信号灯自动控制系统，如图7。

3 结束语

通过对交通信号灯自动控制系统进行设计与仿真,实证了EWB在电子线路应用设计中的价值地位，对学习和实用非常有益。

[1]刘晓东,孙海兰.EWB5.0在电路分析教学中的应用[J].中国科技信息，2006，（14）：221-223.

[2]巩瑞春,王润文.EWB在数字电路设计性实验中的应用研究[J].阴山学刊，2009，23（3）:68-70.

[3]林文剑，王劲松，林建诏，等.基于EWB的555多谐振荡器设计研究 [EB/OL].http://www.paper.edu.cn/downloadpaper.php?serial_number=200811-612&type=1，2009-06-20.

（责任编辑：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

罗光毅，男，贵州遵义人，遵义师范学院物理系高级讲师。