Multisim仿真说明书正文

1 引言    1

2 Multisim的简介与注意事项    1

3 设计过程    1

3.1 总体设计要求与内容    2

3.2 控制电路的特点    2

4 单元模块    3

4.1 电源模块    3

4.2 秒脉冲发生模块    4

4.3 计数模块    6

4.4 分频模块    7

4.5 控制电路模块    8

5 交通信号灯的仿真与调试    9

5.1 电路的仿真    9

5.2 交通灯完整功能的实现    12

5.3 调试方法    14

5.4 调试中出现的问题、原因分析及解决方法    14

6 总结    16

参考文献    17

附录Ⅰ 器件明细表    18

附录Ⅱ 仿真原理图    19

1 引言

随着我国交通事业的迅速发展，各种公交、运输汽车和汽车进入家庭的步伐加快使得城市的汽车数量逐年增加，城市道路交通堵塞、拥挤问题显得越来越突出，交通在许多城市已经成为“瓶颈”问题。

以下就城乡交通灯控制系统的电路原理、设计计算和实验调试等问题来进行具体分析讨论。

本系统由控制器、定时器、译码器和秒脉冲信号发生器等部分组成。秒脉冲发生器是该系统中定时器和控制器的标准时钟信号源，555定时器输出脉冲信号，译码器输出两组信号灯的控制信号，控制电路控制定时器和译码器的工作，驱动电路驱动六只三色LED工作。最后用电路仿真软件绘制出红绿灯的完整电路图。对电子技术的学习起到了良好的辅助作用。

2 Multisim的简介与注意事项

Multisim10是美国NI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。有了Multisim 软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。

注意事项

不要长时间使软件处于仿真状态，以免死机

删除元件、仪器、连线等，一定要在断开仿真开关的情况下进行

注意数字地与模拟地的差别，使用标准符号

LED数码管的极性

分模块调试，最后综合调试

3 设计过程

交通信号灯是交通信号中的重要组成部分，是道路交通的基本语言。为了加强道路交通安全，减少事故的发生，提高道路的使用效率，交通信号灯的设计尤为必要，同时，设计交通信号灯所应用的知识涉及范围广，通过设计可以牢固掌握所学理论知识，有利于电子技术的学习，将理论与实际有机联系起来，有利于对电子器件的功能和作用有更深入，更形象的理解。交通信号灯控制系统是典型的数字电路控制系统，通过该系统的设计和仿真，我们可以得到数字及系统的综合训练。

3.1 总体设计要求与内容

1总体设计要求

（1）要求根据设计要求实现交通灯的现实功能；

（2）用Multisim进行仿真

（3）设计说明书；  

2设计内容

2.1 信号灯白天工作要求

某方向绿灯点亮20秒，然后黄灯点亮4秒，最后红灯点亮24秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。

如果以4秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为5：1：6。

从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟（白天点亮时的工作换灯流程图如图3-1所示）。

2.2 夜间工作方式

南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮。要求设置一个手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。

图3-1 交通灯工作换灯流程

3.2 控制电路的特点

从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。因此采用组合逻辑设计。组合逻辑电路：将十二进制计数器作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出去驱动东西和南北两个方向的信号灯的点亮。

其整体电路框图如3-2图所示：

图3-2 整体电路框图

4 单元模块

根据交通信号灯的工作方式，设计电路分为电源模块、秒脉冲发生模块、计数模块、分频模块和控制电路模块五部分，这五个模块的详细设计如下。

4.1 电源模块

信号灯采用三极管2N2219驱动，其额定电流与额定电压应满足三级管的驱动能力，电源电压采用直流5V，通过变压器将市电降压到交流9V，在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5V电压。直流稳压电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电流值应满足整体电路的需要

作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5V直流稳压电源来驱动各芯片使电路其正常工作。因此需要设计输出为5V的直流稳压电源。

直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成稳压芯片稳压四部分。

直流稳压电源原理图如图4-1所示

                   图4-1 直流稳压电源原理图

220V

4.2 秒脉冲发生模块

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，也可以是用定时器555(图4-2是555定时器的原理图，图4-3是555定时器的引脚图)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（如图4-4所示）：

图4-2 555定时器的原理图

图4-3 555定时器的引脚图

图4-4 用555定时器组成多谐振荡器

1S

根据周期与频率的计算公式：

电源电压，其中电路图中C3的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用0.01uf的瓷片电容。再次课程设计中要求输出T=1S，选取电容C2=1uf，R2=560k欧姆，根据震荡周期计算，选择电阻R1=430K欧姆。当元件选取完成后，根据电路原理图连接电路即可。

4.3 计数模块

由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十二进制（绿、黄、红的时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制计数器，循环工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8位串入并出移位寄存器74LS1（其引脚图如图4-5所示）：

图4-5 74LS1引脚图

应用电路：用74LS1组成的12进制扭环型计数器电路 ，其电路图如下图4-6所示：

图4-6 12进制扭环型计数器

4.4 分频模块

十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的CP脉冲为4秒。为了使整体电路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频获得，这就需要设计一个4分频器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的CP脉冲。本次课程设计使用两个D触发器组成4分频器电路，如图4-7所示：

图4-7 四分频的电路原理图

74LS74是一个边沿触发器数字电路器件，每个器件中包含两个相同的、相互的边沿触发d触发器电路模块。图4-8为其引脚排列和逻辑符号:

图4-8 74LS74的引脚图

功能说明：

74LS74内含两个的上升沿双D触发器，每个触发器有数据输入（D）、置位输入复位输入、时钟输入（CP）和数据输出。、的低电平使输出预置或清除，而与其它输入端的电平无关。当、均无效（高电平式）时，符合建立时间要求的D数据在CP上升沿作用下传送到输出端。

4.5 控制电路模块

逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一般经驱动电路去控制信号灯)。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。组合逻辑电路的真值表如表4-3所示，逻辑控制原理图如图4-9所示: 

根据表4-4写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，经化简得：

NSG=           

由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。本次课设非门选用TTL集成门74LS04，与门选用TTL集成门74LS08。在此基础上，表达式需要修改，以实现课设要求。白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其它灯熄灭。为此，在夜间应使74LS1停止循环工作，可通过开关将74LS1的接地，使74LS1的所有端全部清零。白天为高电平，74LS1循环工作。

由74LS1 组成的12进制扭环形计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。在夜间由于=0使所有的74LS1的端清零，需修改表达式：

组合逻辑电路输出与输入的表达式为：

             ESG=        EWG=

NSY=+       EWY=+

             NSR=           EWR=

由逻辑真值表以及上述分析可得，逻辑控制原理图如图3-7所示：

3-7逻辑控制原理图

5 交通信号灯的仿真与调试

5.1 电路的仿真

1 直流电源电压仿真

在Multisim中进行仿真测电压数值如图5-1所示：

图5-1 电源仿真图

2 对555定时器进行仿真

图5-2  555定时器仿真图

3 秒脉冲波形仿真

用示波器观察555定时器产生1s脉冲的波形如图5-3上半部分的波形，经四分频器后的脉冲波形如图5-3下半部分的波形。

图5-3 1S脉冲波形与经四分频器后的脉冲波形图

5.2 交通灯完整功能的实现

1 白天工作方式

交通灯从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用LED红、绿、黄发光二极管模拟。

图5-4 东西方向红灯亮南北方向绿灯亮

图5-5 东西方向红灯亮南北方向黄灯亮

图5-6 东西方向绿灯亮南北方向红灯亮

图5-7 东西方向黄灯亮南北方向红灯亮

2 夜间工作方式

南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其它灯不亮，如图5-8所示：

图5-8 交通灯夜晚工作图

5.3 调试方法

1 首先调试555定时器。用示波器观察555定时器输出波形，确定555定时器是否正常工作，振荡频率是否是2Hz。调节电位器R1，使555定时器产生频 率为1Hz的方波信号。

2 调试分频器。用示波器观察分频器输出波形，确定信号频率是否是0.25Hz。

3 调试十二进制计数示电路，将秒信号输送各计数器观察是否工作正常。

4 整体调试。各部分电路连接起来，观察交通灯是否正常工作。

5.4 调试中出现的问题、原因分析及解决方法

1 灯不正常发光

原因有可能是线路接触不良造成的，有些线没有连接起来。

   2 软件运行时，Tran的时间运行时过慢，按毫秒计时，因此等待时间会很长。

原因应该是软件的设置问题，可通过Simulate下拉菜单中的Interactive simulation setting进行调节，将maximum time step的时间改为0.01s即可加快运行速度。

主要设置步骤如图5-9、5-10所示：

5-12 步骤1

5-13 步骤2

6 总结

通过这一周的《电子技术》课程设计（交通信号灯控制电路的设计和仿真），让自己把快要忘记的知识又温习了一遍，认识到数字电路的设计需要扎实的知识功底，还有认真仔细的态度。

在课程设计过程中，遇到了很多问题，包括开始软件的正确安装，各种元件的查找以及电路的连接，在课程设计过程中认识到很多的不足，面对这些要虚心的向同学和老师请教，在这个过程中也有很多的错误，比如电路连接中元件之间的连接方式，错误时会使数据显示不正常，以至于最终的交通灯不能正常闪亮或者不亮，改正错误也是一种进步的方式，同时在对新知识的学习中也充满了乐趣 ，包括和大家的交流，以及在设计完成时的喜悦。

通过这次课程设计认识到做任何事情都要有恒心，不能遇到困难就放弃，中途而废是很难成功的，还要有耐心，发现错误是一个需要慢慢观察和思考的过程，作为一名即将毕业的大学生更应该抓住一些锻炼自己的机会，学习一些以后对自己有帮助的知识并尽可能的在生活中实践，理论联系实际才是现在社会对人才的要求，应该有更多的理论和实践能力，让自己成为可以在社会中游刃有余。                    

参考文献

[1] 付家才.《电子工程实践技术》．北京：北京工业出版社，2003

[2] 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] 阎石．《数字电子技术基础（第五版）》．北京：高等教育出版社，2009

[4] 丁润涛．《电子工程手册》．北京：机械工业出版社，1995

[5] 韩力. 《Multisim10应用教程》.电子工业出版社，2008

附录Ⅰ  器件清单