自制簡易紅綠燈電路圖

一、概述

簡易交通燈電路是脈衝數字電路的簡單應用，設計了交通信號燈不同方向在不同的時間倒計時內，亮不同的的信號燈的功能，同時應用了七段數碼管來顯示時間。此交通燈可以在實現東西、南北方向紅黃綠燈的顏色轉換，接下來就是按照4個階段循環發光，並且如果發生緊急事件看，可以手動控制四個方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過後才能恢復正常。這在當今社會交通中具有廣泛的應用價值，有效的減少交通擁堵和交通事故。

本電路主要有四個模塊構成：555脈衝發生器、5倍分頻器、倒計數器、主控制電路和手動控制電路。整個電路是有秒脈衝提供脈衝，有計數器進行計數功能向譯碼顯示電路顯示倒計時，而且也控制三種燈泡的發光。

二、方案論證

2.1、設計思路

根據設計要求，十字路口車輛運行情況只有4種可能：1）設開始時東西方向綠燈通行，南北紅燈不通行，持續時間為25s。2）25s後，東西方向綠燈變黃燈，南北方向紅燈保持不變，持續時間為5s。3）5s後，東西方向黃燈變紅燈禁止通行，南北方向紅燈變綠燈通行，持續時間為15s。4）15s後，東西方向紅燈不變禁止通行，南北方向綠燈變黃燈，5s後又回到第一種情況，如此循環反覆。因此，要求主控制電路也有4種狀態。其控制原理框圖如圖1所示。

圖1簡易交通燈電路的原理框圖

方案一：用555構成的多諧振盪器產生秒脈衝，分別給兩個不同的電路循環提供刺激脈衝信號，然後用分別對東西幹道和南北幹道建立電路循環圈。原理是當前一計數器倒計時結束時，產生進位脈衝來控制後一計數器開始工作，而此計數器自身停止工作。以此進行循環，就可以實現不同時刻電路的顯示。

方案二：用555構成的多諧振盪器產生秒脈衝，根據簡單移位寄存器只有四個狀態，與此時的正好完全相同，因此用移位寄存器構成系統的主控模塊，驅動信號燈的顯示和計數器的預置數，同時在東西幹道和南北幹道上各只需要一個計數器。根據不同時刻移位寄存器給計數器進行預置數，可以顯示不同的倒計時。

方案三用555構成的多諧振盪器產生秒脈衝，分別設計25位計數器，兩個5位計數器，15位計數器。作用是實現對四個不同進制計數器的芯片選擇，而其餘四個計數器作為數碼管的顯示控制計數器，分別顯示不同時刻的計數。

方案三雖然電路複雜，但邏輯關係清晰，單路一但啟動可自動循環，不需要任何開關控制但是在後一計數器開始計數的時候並不能保證前一計數器停止工作。因此我們選擇方案三來完成設計。

三、電路設計

3.1、555脈衝發生器電路

由集成邏輯門與RC組成的時鐘源振盪器或由集成電路定時器555與RC組成的多諧振盪器作為時間標準信號源，其單脈衝電路如圖2所示。

圖2555脈衝發生器

本實驗選取多諧振盪器來產生秒脈衝。多諧振盪器也稱無穩態觸發器，它沒有穩定狀態，同時毋須外加發脈衝，就能輸出一定頻率的矩形脈衝（自激振盪）。用555實現多諧振需要外接電阻R1，R2和電容C，並外接+5V的直流電源。只需在+VCC端接上+5V的電源，就能在4腳產生週期性的方波。用555組成的脈衝產生電路：R1=R2=470*100ΩC=10nF

3.2、倒計時電路數字顯示電路

十字路口車輛運行情況只有4種可能，實現這4個狀態的電路，可用兩個觸發器構成，也可用一個二-十進制計數器構成。所以我用二-十進制計數器74LS192實現。如圖3所示。

兩個數碼管是有兩個74LS192共同控制的，然後有74LS48實現對數碼管的顯示編碼。剛開始的時候是對數碼管的高電位一個初始值，對低電位為0.當高電位初始值減數到0且開始借位時，對低電位一個初始值，此時高電位初始值為0.

74LS192是同步十進制可逆計數器，它具有雙時鐘輸入，並具有清除和置數等功能，利用74LS192進行25s、5s、15s的計數倒計時。數碼管顯示電路：主要是有數碼管和兩個74LS48轉碼芯片實現顯示數字的。如圖4所示。

圖3倒計數器電路及引腳圖

設計要求將各個倒計時時間用數碼管顯示出來。數碼管有兩種，七段數碼管和集成七段數碼管。七段數碼管顯示的有七個輸入端，分別對應數碼管發光的七段而集成七段顯示數碼管是將7447集成到數碼管內部。輸入端只有四個，分別於計數器的四個輸出端相對應，所以實驗中採用集成七段顯示數碼管。

圖4數碼顯示電路

3.3、分頻器電路設計

分頻的方法可以用74LS194、74LS160、74LS161等很多集成原件組成實現，為了減少元件類型我選用74LS161做分頻器。74LS161是同步四位二進制計數器，它有異步清零、同步預置數等功能。74LS161是常用的四位二進制可預置的同步加法計數器。這裡的4位2進制計數器的4位Qd，Qc，Qb，Qa是按二進制方式計數的。計數的數值為0到9，a到f。74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器，可設計電路，因為能預置數，所以能組成16進制內的任意分頻。

當74LS161清零端CR=“0”，計數器輸出Q3、Q2、Q1、Q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當CR=“1”且LD=“0”時，在CP信號上升沿作用後，74LS161輸出端Q3、Q2、Q1、Q0的狀態分別與並行數據輸入端D3，D2，D1，D0的狀態一樣，為同步置數功能。而只有當CR=LD=EP=ET=“1”、CP脈衝上升沿作用後，計數器加1。74LS161還有一個進位輸出端CO，其邏輯關係是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET，因此一片74LS161可以組成16進制以下的任意進制分頻器，所以我選用74LS161作為實驗需要的分頻器。

因為燈亮的最小時間為黃燈5秒，而時鐘信號為1秒，所以選擇74LS161作為5分頻器，燈亮的轉換由主控制器控制，由於一個週期為50秒，且經分頻後的脈衝為5秒一個脈衝，所以主控制器控要有十進制，這樣就能實現電路的分頻作用。

3.4、主控制電路

主控制器控制著電路中的燈亮與對應的時間，在不同的時間段內，東西、南北方向分別指示不同的顏色的燈光，通過增加手動控制電路實現緊急情況的發生及恢復。根據設計要求可以得知，每一次轉換的週期為50s，最小的週期為5s，因此採用74LS161的四位二進制加法功能實現控制器，分別控制4個狀態的轉換。同時如果發生緊急情況可以手動控制，讓四個方向全部變為紅燈，禁止通行，如圖5所示。

圖5主控制及譯碼顯示電路圖

秒脈衝信號通過74LS161同步四位二進制計數器，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芯片可以延遲信號的傳遞，在某個信號輸出後，延遲下一信號的輸出，同時根據實驗要求，在如果發生緊急事件，可以手動控制四個方向紅燈全亮，禁止該道路的車輛通行，特殊情況過後才能恢復正常。所以在74LS139的輸入端接入2個74LS04非門和2個74LS08與門實現手動狀態下，四個方向的紅燈全亮的結果，然後斷開開關，可以正常通行。

四、性能測試

4.1、東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時間25s.

4.2、東西方向綠燈變黃燈，南北方向紅燈不變，時間5s.

4.3、南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時間15s.

4.4、南北方向綠燈變黃燈，東西方向紅燈不變，時間5s。