基于Multisim的交通灯仿真设计
设计要求
设计并实现一个简单的十字路口交通灯控制电路。具体要求：以4个红色指示灯、4个绿色指示灯和4个黄色指示灯模拟路口东西南北4个方向的红绿黄交通灯。控制这些灯，使它们安下列规律亮灭。
- 东西方向绿灯亮，南北方向红灯亮。东西方向通车，时间20秒；
- 东西方向黄灯闪烁，南北方向红灯亮，时间5秒。
- 东西方向红灯亮，南北方向绿灯亮。南北方向通车，时间20秒；
- 东西方向红灯亮，南北方向黄灯闪烁，时间5秒。
- 返回1，继续运行。
一、方案分析
就题目分析，交通灯在四个状态之间循环转换，故可以采用序列产生器、同步时钟状态机及译码器设计主要标准；利用555定时器产生秒脉冲时钟信号，利用2位2进制计数器产生四个一循环的序列，利用逻辑电路产生控制东西灯、南北灯、持续时间、是否闪烁的编码信号，利用倒计时器确定持续时间，利用倍频器产生闪烁脉冲，利用状态译码器解读编码信号，传递给LED显示驱动电路，从而达到设计要求。
二、模块组成
1.脉冲产生器
利用前几个实验所学到的555脉冲产生知识，可以轻松产生一个2Hz脉冲时钟信号（CLK_2用于黄灯闪烁），再利用D触发器二分频，产生秒脉冲信号（CLK_1）。
采用如图所示的555振荡产生电路，在6和7脚之间添加一个二极管，当$R_1=R_2$时理想输出脉冲占空比为50%。
$$T=2 \times 0.7 \times R_1 \times C_1=0.5s$$
当$C_1=10μF$时，求得$R_1 \approx 35.7K \Omega$，通过微调$R_3$可使占空比接近50%
输出如下图：
2.状态编码器
利用两个D触发器实现简单的2位2进制计数器，输出为00-01-10-11-00……，分别代表交通灯四个循环状态。该模块有两个输入，分别为时钟信号和保持信号。当保持信号低有效时，保持输出的编码，用以控制灯亮时间。
输出波形如图：
左侧保持信号为1，右侧保持信号为0但这四个编码是远远不够的，为控制交通灯的的颜色，至少需要3个状态，故采用2位编码（00红灯亮、01黄灯亮、10绿灯亮），两个不同的方向则需要4位编码（前两位东西向，后两位南北向）；控制灯亮的时长及黄灯闪烁只需一位编码（1表示30秒，黄灯不闪烁，0表示2秒，黄灯闪烁）；共需要5位编码。如下表：
电路图如下：
输出第1位，当且仅当状态为00时输出1
输出第2位，当且仅当状态为01时输出1
输出第3位，当且仅当状态为10时输出1
输出第4位，当且仅当状态为11时输出1
输出第5位，当且仅当状态为00或10时输出13.1状态译码器及LED显示驱动电路
要使交通灯按照要求显示，则需对状态编码进行译码。在上述状态编码中，前两位负责东西向三种状态，中两位负责南北向的三种状态，采用一片74LS139双二四译码器，可以满足需求。由于输出为低电平有效需反相。其中对于黄灯，需额外添加一个控制器闪烁的时钟。
LED显示驱动利用三极管的工作在饱和区的特性用作开关电路。如下图：
当输入为高电平时，LED点亮总电路：
4.倒计时器
74LS190本身为10进制8421BCD加减计数器。利用置数功能，可以实现2和3进制的倒计时（从而实现2秒、30秒的倒计时）。
3进制倒计时器仿真效果如图：
输出为0010-0001-0000-0010……由于逻辑电路的关系，出现了冒险，约35ns
为实现倒计时30s和2s的功能需要增加倒计时的模式选择功能。我们利用状态编码器的最后一位T；当T=1时，两个计数器分别对2和9倒计时，当T=0时，左侧不使能（显示0），右侧对1倒计时。这里展示具有10进制和2进制倒计时模式的倒计时器电路（3进制控制使能即可）：
T=1 置数无效 十进制倒计时；T=0 置数有效 二进制倒计时
左侧 十进制倒计时，右侧二进制倒计时在倒计时过程后，我们需要输出一个信号使状态编码器保持，结束后需输出一个信号进入下一状态。这里我们利用74LS190的借位输出ROC，当两个计数器的ROC均为低电平时，倒计时结束，使输出KEEP为高电平结束序列保持状态，进入下一状态。倒计时的显示采用74LS47 8421BCD七段码译码器和共阳极七段数码管。总电路如下：
三、总电路
脉冲产生器
状态编码器
状态译码器及显示驱动电路
倒计时器四、仿真结果
东西绿灯亮 南北红灯亮 持续30s
西黄灯闪烁 南北红灯亮 持续2s
东西红灯亮 南北绿灯亮 持续30s
东西红灯亮 南北黄灯闪烁 持续2s五、总结
本次的交通灯设计，涵盖了555定时器产生脉冲波形，状态编码、译码，倒计时器设计，LED显示驱动电路，是对本课程学习情况的综合性考察。本人在设计的过程中也遇到了很多困难，常常出现仿真崩溃，最终是勉强完成了设计任务，但有时仍会出现bug，后续仍需改善。最后感谢陈瑜老师的教导，祝老师与助教身体安康。