一、概述

簡(jiǎn)易交通燈電路是脈沖數(shù)字電路的簡(jiǎn)單應(yīng)用，設(shè)計(jì)了交通信號(hào)燈不同方向在不同的時(shí)間倒計(jì)時(shí)內(nèi)，亮不同的的信號(hào)燈的功能，同時(shí)應(yīng)用了七段數(shù)碼管來(lái)顯示時(shí)間。此交通燈可以在實(shí)現(xiàn)東西、南北方向紅黃綠燈的顏色轉(zhuǎn)換，接下來(lái)就是按照4個(gè)階段循環(huán)發(fā)光，并且如果發(fā)生緊急事件看，可以手動(dòng)控制四個(gè)方向紅燈全亮，禁止該道路的車(chē)輛通行，特殊情況過(guò)后才能恢復(fù)正常。這在當(dāng)今社會(huì)交通中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，有效的減少交通擁堵和交通事故。

本電路主要有四個(gè)模塊構(gòu)成：555脈沖發(fā)生器、5倍分頻器、倒計(jì)數(shù)器、主控制電路和手動(dòng)控制電路。整個(gè)電路是有秒脈沖提供脈沖，有計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)功能向譯碼顯示電路顯示倒計(jì)時(shí)，而且也控制三種燈泡的發(fā)光。

二、方案論證

2.1、設(shè)計(jì)思路

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，十字路口車(chē)輛運(yùn)行情況只有4種可能：1）設(shè)開(kāi)始時(shí)東西方向綠燈通行，南北紅燈不通行，持續(xù)時(shí)間為25s。2）25s后，東西方向綠燈變黃燈，南北方向紅燈保持不變，持續(xù)時(shí)間為5s。3）5s后，東西方向黃燈變紅燈禁止通行，南北方向紅燈變綠燈通行，持續(xù)時(shí)間為15s。4）15s后，東西方向紅燈不變禁止通行，南北方向綠燈變黃燈，5s后又回到第一種情況，如此循環(huán)反復(fù)。因此，要求主控制電路也有4種狀態(tài)。其控制原理框圖如圖1所示。

圖1簡(jiǎn)易交通燈電路的原理框圖

方案一：用555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖，分別給兩個(gè)不同的電路循環(huán)提供刺激脈沖信號(hào)，然后用分別對(duì)東西干道和南北干道建立電路循環(huán)圈。原理是當(dāng)前一計(jì)數(shù)器倒計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生進(jìn)位脈沖來(lái)控制后一計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作，而此計(jì)數(shù)器自身停止工作。以此進(jìn)行循環(huán)，就可以實(shí)現(xiàn)不同時(shí)刻電路的顯示。

方案二：用555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖，根據(jù)簡(jiǎn)單移位寄存器只有四個(gè)狀態(tài)，與此時(shí)的正好完全相同，因此用移位寄存器構(gòu)成系統(tǒng)的主控模塊，驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈的顯示和計(jì)數(shù)器的預(yù)置數(shù)，同時(shí)在東西干道和南北干道上各只需要一個(gè)計(jì)數(shù)器。根據(jù)不同時(shí)刻移位寄存器給計(jì)數(shù)器進(jìn)行預(yù)置數(shù)，可以顯示不同的倒計(jì)時(shí)。

方案三用555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖，分別設(shè)計(jì)25位計(jì)數(shù)器，兩個(gè)5位計(jì)數(shù)器，15位計(jì)數(shù)器。作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)四個(gè)不同進(jìn)制計(jì)數(shù)器的芯片選擇，而其余四個(gè)計(jì)數(shù)器作為數(shù)碼管的顯示控制計(jì)數(shù)器，分別顯示不同時(shí)刻的計(jì)數(shù)。

方案三雖然電路復(fù)雜，但邏輯關(guān)系清晰，單路一但啟動(dòng)可自動(dòng)循環(huán)，不需要任何開(kāi)關(guān)控制但是在后一計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)的時(shí)候并不能保證前一計(jì)數(shù)器停止工作。因此我們選擇方案三來(lái)完成設(shè)計(jì)。

三、電路設(shè)計(jì)

3.1、555脈沖發(fā)生器電路

由集成邏輯門(mén)與RC組成的時(shí)鐘源振蕩器或由集成電路定時(shí)器555與RC組成的多諧振蕩器作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源，其單脈沖電路如圖2所示。

圖2555脈沖發(fā)生器

本實(shí)驗(yàn)選取多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生秒脈沖。多諧振蕩器也稱(chēng)無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒(méi)有穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)毋須外加發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖（自激振蕩）。用555實(shí)現(xiàn)多諧振需要外接電阻R1，R2和電容C，并外接+5V的直流電源。只需在+VCC端接上+5V的電源，就能在4腳產(chǎn)生周期性的方波。用555組成的脈沖產(chǎn)生電路：R1=R2=470*100ΩC=10nF

3.2、倒計(jì)時(shí)電路數(shù)字顯示電路

十字路口車(chē)輛運(yùn)行情況只有4種可能，實(shí)現(xiàn)這4個(gè)狀態(tài)的電路，可用兩個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，也可用一個(gè)二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成。所以我用二-十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS192實(shí)現(xiàn)。如圖3所示。

兩個(gè)數(shù)碼管是有兩個(gè)74LS192共同控制的，然后有74LS48實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)碼管的顯示編碼。剛開(kāi)始的時(shí)候是對(duì)數(shù)碼管的高電位一個(gè)初始值，對(duì)低電位為0.當(dāng)高電位初始值減數(shù)到0且開(kāi)始借位時(shí)，對(duì)低電位一個(gè)初始值，此時(shí)高電位初始值為0.

74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，利用74LS192進(jìn)行25s、5s、15s的計(jì)數(shù)倒計(jì)時(shí)。數(shù)碼管顯示電路：主要是有數(shù)碼管和兩個(gè)74LS48轉(zhuǎn)碼芯片實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)字的。如圖4所示。

圖3倒計(jì)數(shù)器電路及引腳圖

設(shè)計(jì)要求將各個(gè)倒計(jì)時(shí)時(shí)間用數(shù)碼管顯示出來(lái)。數(shù)碼管有兩種，七段數(shù)碼管和集成七段數(shù)碼管。七段數(shù)碼管顯示的有七個(gè)輸入端，分別對(duì)應(yīng)數(shù)碼管發(fā)光的七段而集成七段顯示數(shù)碼管是將7447集成到數(shù)碼管內(nèi)部。輸入端只有四個(gè)，分別于計(jì)數(shù)器的四個(gè)輸出端相對(duì)應(yīng)，所以實(shí)驗(yàn)中采用集成七段顯示數(shù)碼管。

圖4數(shù)碼顯示電路

3.3、分頻器電路設(shè)計(jì)

分頻的方法可以用74LS194、74LS160、74LS161等很多集成原件組成實(shí)現(xiàn)，為了減少元件類(lèi)型我選用74LS161做分頻器。74LS161是同步四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它有異步清零、同步預(yù)置數(shù)等功能。74LS161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器。這里的4位2進(jìn)制計(jì)數(shù)器的4位Qd，Qc，Qb，Qa是按二進(jìn)制方式計(jì)數(shù)的。計(jì)數(shù)的數(shù)值為0到9，a到f。74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器，可設(shè)計(jì)電路，因?yàn)槟茴A(yù)置數(shù)，所以能組成16進(jìn)制內(nèi)的任意分頻。

當(dāng)74LS161清零端CR=“0”，計(jì)數(shù)器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個(gè)時(shí)候?yàn)楫惒綇?fù)位功能。當(dāng)CR=“1”且LD=“0”時(shí)，在CP信號(hào)上升沿作用后，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端D3，D2，D1，D0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當(dāng)CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。74LS161還有一個(gè)進(jìn)位輸出端CO，其邏輯關(guān)系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET，因此一片74LS161可以組成16進(jìn)制以下的任意進(jìn)制分頻器，所以我選用74LS161作為實(shí)驗(yàn)需要的分頻器。

因?yàn)闊袅恋淖钚r(shí)間為黃燈5秒，而時(shí)鐘信號(hào)為1秒，所以選擇74LS161作為5分頻器，燈亮的轉(zhuǎn)換由主控制器控制，由于一個(gè)周期為50秒，且經(jīng)分頻后的脈沖為5秒一個(gè)脈沖，所以主控制器控要有十進(jìn)制，這樣就能實(shí)現(xiàn)電路的分頻作用。

3.4、主控制電路

主控制器控制著電路中的燈亮與對(duì)應(yīng)的時(shí)間，在不同的時(shí)間段內(nèi)，東西、南北方向分別指示不同的顏色的燈光，通過(guò)增加手動(dòng)控制電路實(shí)現(xiàn)緊急情況的發(fā)生及恢復(fù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以得知，每一次轉(zhuǎn)換的周期為50s，最小的周期為5s，因此采用74LS161的四位二進(jìn)制加法功能實(shí)現(xiàn)控制器，分別控制4個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。同時(shí)如果發(fā)生緊急情況可以手動(dòng)控制，讓四個(gè)方向全部變?yōu)榧t燈，禁止通行，如圖5所示。

圖5主控制及譯碼顯示電路圖

秒脈沖信號(hào)通過(guò)74LS161同步四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，傳遞到下一芯片，在74LS139處延遲輸出，控制東西，南北方向燈光的變化，74LS139芯片可以延遲信號(hào)的傳遞，在某個(gè)信號(hào)輸出后，延遲下一信號(hào)的輸出，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，在如果發(fā)生緊急事件，可以手動(dòng)控制四個(gè)方向紅燈全亮，禁止該道路的車(chē)輛通行，特殊情況過(guò)后才能恢復(fù)正常。所以在74LS139的輸入端接入2個(gè)74LS04非門(mén)和2個(gè)74LS08與門(mén)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)狀態(tài)下，四個(gè)方向的紅燈全亮的結(jié)果，然后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，可以正常通行。

四、性能測(cè)試

4.1、東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時(shí)間25s.

4.2、東西方向綠燈變黃燈，南北方向紅燈不變，時(shí)間5s.

4.3、南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時(shí)間15s.

4.4、南北方向綠燈變黃燈，東西方向紅燈不變，時(shí)間5s。