卢建华*



Proteus在交通灯控制系统中的应用

卢建华*

（武汉科技大学计算机学院，湖北武汉，430065）

Proteus VSM是一款功能强大的电路仿真软件，有效地利用Proteus VSM，能较好地解决硬件实验条件不足的问题，让学生方便地在个人电脑上完成计算机外围电路的设计与运行。本文以十字路口交通灯控制系统为例，介绍了如何利用Proteus VSM软件仿真设计计算机系统硬件电路的方法。

Proteus VSM；硬件设计；交通灯控制；仿真

引言

在计算机硬件类课程的教学过程中，由于受实验设备、实验场地等因素的限制，实践环节大多是纸上谈兵，学生对所学内容没有直观认识，从而失去了兴趣。引入Proteus VSM，使得学生可以随时随地在个人电脑上模拟试验环节，大大地提升了学生对硬件类课程的学习兴趣。

1 Proteus 简介及其在实践教学中的优势

Proteus是由英国Labcenter Electronics公司开发的一款功能强大的EDA工具软件，它集电路设计、分析、制板和仿真等功能于一身，不仅是模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计与仿真平台，更是目前世界上最先进、最完整的多种微控制器系统的设计与仿真平台。Proteus提供了大量的模拟与数字元器件及外围设备、虚拟仪器，并且具有对常用控制芯片及其外围电路组成的综合系统的交互仿真功能。在当今的计算机专业教学过程中普遍存在着一种现象，就是学生对硬件类相关课程存在畏难情绪，学习兴趣不高，主要原因是硬件类实验环节受实验设备、实验场地的限制。学生对硬件系统的设计很难付诸实施，无法感受设计效果，不像计算机软件，编制好应用程序，在个人电脑上就可以运行，看到运行结果。

把Proteus VSM引入到计算机硬件类课程的实践教学环节，能够让学生不受实验设备、实验场地的限制，在个人电脑上轻松地完成各种控制系统的硬件设计、仿真运行，直观地感受到设计的效果，可以大大地提升学生对计算机硬件类课程的学习兴趣。

2 十字路口交通灯控制系统的设计要求

为了让学生更好地理解所学的各种集成电路芯片的功能，并提高综合运用各类芯片设计控制系统的能力，我们在课程设计中让学生利用Proteus VSM设计一个十字路口交通灯控制系统。

设计的基本要求是：用Proteus VSM中提供的交通灯元器件模拟实际的交通灯，用七段数码管显示当前交通状态的剩余时间。对交通灯各状态之间转换的具体要求如下：

（1）主干道和支干道交替允许通行，主干道每次放行45秒，支干道每次放行25秒。绿色交通灯亮表示允许通行，红色交通灯亮表示禁止通行，每次从绿灯亮变为红灯亮的过程中，亮黄灯5秒作为过渡。

（2）用倒计时方式显示当前交通灯状态的剩余时间。

（3）电路具有清零功能，使计数器从初始状态开始计数，并显示对应的交通灯状态。

（4）提供人工干预控制选项，使得在特殊情况下能够只允许主干道通行或者只允许支干道通行。

3 基于Proteus VSM的交通灯控制系统设计

（1）交通灯状态转换及交通灯的表示

根据设计题目要求，该控制系统存在4种状态：S0——主干道亮绿灯，支干道亮红灯；S1——主干道亮黄灯，支干道亮红灯；S2——支干道亮绿灯，主干道亮红灯；S3——支干道亮黄灯，主干道亮红灯，状态转换表如表1所示。

表1 交通灯控制器的状态转换表

根据4种状态转换的条件，可以画出状态转换图如图1所示。十字路口交通指示灯采用交通灯专用器件Traffic Light，如图2所示。

图1 交通灯控制器状态转换图

图2 交通灯专用器件Traffic Light

（引脚送高电平时对应的灯亮）

（2）交通灯持续时间的倒计时设计

选用两片带预置功能的BCD加/减计数器74HC190，根据设计要求，主干道的通行时间为45s，考虑装入初值的过程需要占用1s的时间，所以在S0状态时，对主干道计数器预置初值39用于亮绿灯的计时，减为0时转换到S1状态，再装入4用于亮黄灯的计时，以满足主干道通行45s的要求；同时，在S0状态时对支干道计数器预置初值44用于亮红灯的计时，以满足主干道通行期间，支干道亮红灯的要求。同理，从S1状态过渡到S2状态时，对支干道计数器预置初值19用于亮绿灯的计时，减为0时转换到S3状态，再装入4用于亮黄灯的计时，以满足支干道通行25s的要求；同时，在S2状态时对主干道计数器预置初值24用于亮红灯的计时，以满足支干道通行期间，主干道亮红灯的要求。图3为装入初值24的减1计数器单元电路，其中上面一片74HC190完成对十位的计数，下面一片完成对个位的计数。

图3 初值为24的倒计时减1计数器电路

装入计数初值后，个位减1计数器开始对输入脉冲做减1计数，当个位减为0时，令十位计数器计数使能端有效，完成十位减1的操作。计数器的输出锁存到锁存器74HC373的输出端，提供给字形译码器74HC248进行译码，驱动数码管显示计数值。根据需要可设计同类型的计时单元电路，预置的初值分别设置为39、44、19、24，用作主干道绿灯、支干道红灯、支干道绿灯、主干道红灯的计时初值。黄灯亮5s的计时用另一片74HC190实现，并将其输出分别送至主干道和支干道输出显示电路的个位字形译码器。

由于是多个单元电路分时有效，为字形译码器74HC248提供显示数据，所以在计数器输出端设置一片锁存器74HC373，用于控制显示器显示哪个计数器的计数值。

（3）4种不同的状态及其相互转换

状态S0：初始状态，主干道亮绿灯，数码管从初值39开始倒计时显示；支干道亮红灯，数码管从初值44开始倒计时显示。当主干道计数器减到0而支干道计数器减到5时，切换到状态S1。

状态S1：主干道计数器从初值4开始倒计时，显示黄灯，支干道继续亮红灯，当两个计数器都减到0时，切换到状态S2。

状态S2：主干道亮红灯，数码管从初值24开始倒计时显示；支干道亮绿灯，数码管从初值19开始倒计时显示。当支干道计数器减到0而主干道计数器减到5时，切换到状态S3。

状态S3：支干道计数器从初值4开始倒计时，显示黄灯，主干道继续亮红灯，当两个计数器都减到0时，切换到状态S0，开始新一轮的状态转换。

表2列出了4种不同状态下的交通灯控制信号，其中，J1612、J1611是状态转换计数器74HC161的输出，GA、YA、RA和GB、YB、RB分别是主干道和支干道的绿灯、黄灯、红灯的控制信号。

表2 4种不同状态下的交通灯控制信号表

4种状态之间的转换由一片74HC161控制完成，其输出经74HC139译码后产生主干道、支干道的绿、黄、红三色交通灯的控制信号，电路如图4所示。

图4 由状态输出驱动主、支干道信号灯的电路

图4中的RST按钮实现对电路的复位，使电路进入初始状态S0，然后在没有人工干预的情况下，4种状态自动转换，状态转换计数器的使能端STen由图5所示的电路产生。

图5 状态转换计数器使能控制电路

图5中J390~J396是状态S0时，主干道绿灯减1计数器的输出端。J190~J196是状态S2时，支干道绿灯减1计数器的输出端。J0~J3是状态S1和S3时，黄灯减1计数器的输出端。由两个4选1的多路选择器74HC153，在不同状态下控制STen输出高电平。也就是，在状态S0（对应状态计数器74HC161的输出J1612、J1611=00）的40s减1计数器减到0，或在状态S2（对应状态计数器74HC161的输出J1612、J1611=10）的20s减1计数器减到0时，使74HC153的输出STen为高电平，从而使74HC161的输出分别转换为01和11，即完成了从S0到S1、从S2到S3的状态转换。同理，当状态为S1和S3（对应状态计数器74HC161的输出J1612、J1611分别是01和11）时，若5s减1计数器减到0，则Sten为高电平，从而完成从S1到S2、从S3到S0的状态转换。

（4）单边通行的实现方法

在特殊情况下，如果需要单边通行，则采用人工干预，设置两个开关，通过开关的状态控制电路进入主干道单边通行，或者支干道单边通行，并阻止电路进行状态转换。

4 交通灯控制电路仿真效果

在非人工干预情况下，4个状态自动转换，仿真运行效果如图6所示。

图6 基于Proteus VSM的交通灯控制电路仿真效果

5 结束语

利用Proteus VSM对十字路口交通灯控制系统进行设计，不需要任何硬件电路实物，可以将设计理念以仿真的方式呈现出来。学生可以在自己的个人电脑上，在Proteus环境中设计好硬件电路，通过仿真就能看到生动、逼真的运行效果，对于理解各硬件芯片的工作原理和使用方法有很大的帮助，也降低了进行硬件系统设计和调试的成本，有助于提高学生学习计算机硬件的兴趣。

[1] 卢建华, 邵平凡. 数字逻辑与数字系统设计. 北京: 清华大学出版社, 2015.

[2] [美]Richard E. Haskell Darrin M.Hanna 著, 郑利浩等译. FPGA数字逻辑设计教程----Verilog. 北京: 电子工业出版社, 2010.

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[4] 陈逸菲, 孙宁. 微机原理与接口技术实验及实践教程——基于Proteus仿真. 北京: 电子工业出版社, 2016.

[5] 朱清慧, 张凤蕊. Proteus教程(第2版). 北京: 清华大学出版社, 2011.

Application of Proteus in Traffic Light Control System

LU Jianhua*

(Wuhan University of Science and Technology, Hubei Wuhan, 430065, China)

Proteus VSM is a powerful circuit simulation software, effective use of Proteus VSM, can better solve the problem of insufficient hardware experimental conditions, so that students can easily complete the design and operation of computer peripheral circuits on the personal computer. This paper takes crossroads traffic light control system as an example to introduce how to use Proteus VSM software to simulate the design of computer system hardware circuit.

Proteus VSM; hardware design; traffic light control; simulation

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.002

G64

A

1672-9129(2018)01-0005-03

卢建华. Proteus在交通灯控制系统中的应用[J]. 数码设计, 2018, 7(1): 5-6.

LU Jianhua. Application of Proteus in Traffic Light Control System[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 5-6.

2017-10-19；

2017-11-15。

2014 年湖北省高等学校省级教学研究项目——基于CPLD/FPGA 的计算机硬件类课程教学体系改革与应用（2014227）。

卢建华（1968-），女，黑龙江，副教授，硕士研究生学历，研究方向：嵌入式系统。E-mail: 2646069240@qq.com