簡易交通燈的設計

作    者：蘇  運

摘要：利用數碼管，74LS48譯碼器、74LS192計數器、ne555、與非門、或非門、觸發器、蜂鳴器和小彩燈等電子元件，制作簡易交通燈，實現15秒倒計時開始后，到達5秒時紅燈熄滅，黃燈閃爍同時蜂鳴器響，到達0秒時切換到另外兩個方向的紅綠燈亮的功能。經測試，系統達到紅綠燈轉換和顯示的基本要求，具有電路美觀穩定性高的優點。

              目錄            

(1)東西方向綠燈亮，南北方向紅燈亮，時間15s。

(2)東西方向與南北方向黃燈亮，時間5s。

(3)南北方向綠燈亮，東西方向紅燈亮，時間l5s。

用數值電子技術設計交通信號燈總的控制電路的基本思路如圖1所示。

555定時器是一種非常實用的芯片，它常常被用來定時，因為555定時器輸出比較穩定，驅動能力強，其管腳腳功能如圖2所示。

Pin 1 (接地) -地線(或共同接地) ，通常被連接到電路共同接地。

Pin 2 (觸發點) -這個腳位是觸發NE555使其啟動它的時間周期。觸發信號上緣電壓須大于2/3 VCC，下緣須低于1/3 VCC 。

Pin 3 (輸出) -當時間周期開始555的輸出腳位，移至比電源電壓少1.7伏的高電位。周期的結束輸出回到O伏左右的低電位。于高電位時的最大輸出電流大約200 mA 。

Pin 4 (重置) -一個低邏輯電位送至這個腳位時會重置定時器和使輸出回到一個低電位。它通常被接到正電源或忽略不用。

Pin 5 (控制) -這個接腳準許由外部電壓改變觸發和閘限電壓。當計時器經營在穩定或振蕩的運作方式下,這輸入能用來改變或調整輸出頻率。

Pin 6 (重置鎖定) - Pin 6重置鎖定并使輸出呈低態。當這個接腳的電壓從1/3 VCC電壓以下移至2/3 VCC以上時啟動這個動作。

Pin 7 (放電) -這個接腳和主要的輸出接腳有相同的電流輸出能力，當輸出為ON時為LOW，對地為低阻抗，當輸出為OFF時為HIGH，對地為高阻抗。

Pin 8 (V +) -這是555個計時器IC的正電源電壓端。供應電壓的范圍是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。

圖2  NE555內部結構圖

定時器實質上是對秒脈沖的計數，由于交通燈是倒計時顯示的，所以使用倒計時計數芯片。這里使用功能強大的74LS192芯片，它是一塊可預置數可逆計數芯片。

74LS192屬8421BCD碼的十進制計數器，其管腳順序和功能表圖3所示。其中MR是異步清零端，高電平有效。PL是并行置數端，低電平有效，且在MR=0有效。CPU和CPu是兩個時鐘脈沖，當CPd=1，時鐘脈沖由CPU端接入。并且MR=0，PL=1時，74LS192處于加法計數狀態；當CPu脈沖從CPd端輸入，且MR=0，PL=1時，74LS192處于減法計數狀態；CPd=CPu=1時，計數器處于保持狀態。TCu是進位端，TCd是借位端。

圖3  74LS192管腳功能圖

交通燈的設計和分布如圖所示，東西方向和南北方向個有一組紅燈、黃燈和綠燈，正常工作時，定時器15秒倒計時，東西方向紅燈亮，南北方向綠燈亮，倒計時到達5秒時，東西方向的紅燈熄滅，東西方向的黃燈閃爍，同時蜂鳴器響。倒計時為0秒時，切換為東西方向的綠燈亮，南北方向的紅燈亮，計數器恢復為15秒倒計時。工作如此循環。

圖4  交通燈分布圖

  控制器是控制電路的核心，控制電路主要是對定時器的循環和交通燈的控制，可以通過定時器的輸出對控制電路進行控制。控制電路可以通過與非門，或非門和觸發器來組成，這里采用74LS00二輸入四與非門、74LS27三輸入三或非門和74LS107J-K觸發器。它們的管腳功能如圖

圖5  各邏輯芯片內部結構圖

數碼顯示電路主要時為了顯示計數器的實時時鐘，方法是用譯碼器對計數器的輸出進行譯碼，然后輸送的數碼管顯示。這里采用74LS48譯碼器和共陰極數碼管組成數碼顯示電路。

   74LS48芯片是一種常用的七段數碼管譯碼器驅動器，常用在各種數字電路和單片機系統的顯示系統中，

   共陰極數碼管的公共端接低電平，如圖6所示，當相對于的段碼輸入高電平是，對應的段碼就發光，按照如下圖輸入二進制數時，數碼管就顯示相應的數字。

圖6  共陰極數碼管顯示原理

74LS48管腳功能如右圖功能表所示，BI、RBI和LT接入高電平時，從A、B、C、d輸入BCD碼，輸出相對應的二進制數值。其功能表所示。

圖7  74LS48引腳功能

時鐘脈沖電路如圖8所示，由于對占空比沒有定性要求，

由公式     T=0.7(R1+R2)C

令T=1s,

解得：當電容C=47uf時，R1+2R2=30.395KΩ

所以R1和R2應該選用10KΩ。

圖8   時鐘脈沖發生器電路

由于要顯示2位數，所以需要兩片74LS192級聯組成，當芯片輸出數據為00是讓芯片置數為15，這樣第00秒不會顯示00而是顯示15，第0秒時定時器輸出二進制數值為00000000，由于本電路設計的交通燈延時不超過30秒，所以高兩位一直為00，所以只取前兩位即可，一共取6位數據輸出。即當計數器輸出00 0000時進行置數。可以用兩個三輸入或非門和一個兩輸入與非門構成。

推算公式：

圖9   定時器電路

蜂鳴器和交通燈的電路圖如右圖所示，按照實際要求，假設燈亮和蜂鳴器響用1表示，反之記為0，則波形圖如圖所示。驅動蜂鳴器的9012三極管基極接在黃燈的負極，低電平時黃燈亮的同時蜂鳴器也響。

圖10  蜂鳴器和交通燈的電路圖

圖11   波形圖

  紅綠燈轉換電路：根據圖10交通燈的波形圖要求，接下來就要設計控制電路了。經過仔細觀察和分析發現：各燈滅亮周期為30秒，紅燈15秒變化一次，也就是一個計數周期。電路要記住循環次數，并且以兩次為一個周期。用觸發器就可以達到要求了，計數器置數是由1到0，出現了一個下降沿，這個下降沿可以作為觸發器的觸發電平，如圖12JK觸發器的真值表可知，將觸發器的J、K、R接高電平，等CLK來一個下降沿，Q和Q非發生電平翻轉，這樣即可達到東西南北方向的紅綠燈轉換。

圖12  JK觸發器

圖13 控制電路

5秒電路：對綠燈和黃燈的控制，我們在15秒中選0~5秒讓黃燈亮，其余由綠燈亮。分析如圖15定時器真值表，只要QB1、QA1、QD0為0且QC0、QB不能全為1，對QB1、QA1、QD0為0這一條件可以用三輸入或非門來實現，對QC0、QB不能全為1可以用一與非門來實現。如圖14所示當計數到5秒時輸出高電平。這樣可以通過這個電路和觸發器的配合控制紅燈和綠燈的交替閃亮。為了提高驅動力，盡量讓電路低電平有效，所以使74LS27多余的或非門構成非門將驅動功能反過來，為了起到警示作用，讓黃燈閃爍，再讓74LS00多余的一個與非門接入秒鐘脈沖來驅動黃燈閃爍，電路如圖14所示。

圖14   5秒控制電路

圖15 定時器真值表

   譯碼和數碼管電路比較簡單，電路圖如圖16所示，只要192譯碼器輸入BCD碼，就可以輸出驅動數碼管的電平，要低電平有效，譯碼器的控制端全部接高電平。

圖16  數值顯示電路

圖17  電源開關和指示燈電路

萬用表  

5V直流電源

示波器

電腦

  為了保證原理的可靠性，同時直觀地觀察各個結點電平狀態，理解電路的工作原理，在做電路板之前先進行軟件仿真。經過幾番的調試與修改，最終得到了滿意的仿真電路圖。

   將各個元件和芯片插座焊接好以后，接上電源，接著打開電源開關，觀察電源指示燈是否正常發光，為了防止芯片被燒壞，插入芯片之前用萬用表測量各個芯片插座的電源接腳電壓是否正常，如果出現異常則對電路進行檢修，檢修完成之后關閉電源你，將所有的芯片全部插到相應的插座上，打開電源，觀察數碼管顯示是否正常，觀察交通燈的變化和預想的邏輯是否一致，定時器是否走動，如果定時器不走動，需要用示波器檢測振蕩電路是否起振，再分析到底是邏輯電路還是振蕩電路引起的。

所有的功能都正常運行以后，為了檢測時鐘電路的誤差，我們用示波器對振蕩電路的時鐘周期進行測定，將示波器的輸入端接到NE555芯片的第三個引腳，調整示波器顯示的振幅范圍和周期，觀察示波器的屏幕，讀出頻率。

在仿真電路中，一邊仿真一邊修復電路，最終將仿真電路圖作為初步方案。

  在硬件電路板調試過程中，通上電后各個芯片的電源電壓都正常，但是顯示還是會出現亂碼，并且彩燈顯示異常，而且定時器也不走動，最終經過多次的檢修，將問題逐一解決，問題是因為虛焊和信號線短路所致。經過調試還發現，原來仿真軟件并不是完全可靠的，在仿真圖中NE555芯片的第4管腳不接電源正極也可以起振，但是在實際應用上時鐘不能起振，經過修改以后電路基本能夠正常穩定地工作了。

電路基本完成以后，發現發光二極管的燈光非常弱，用萬用表測量發現觸發器輸出高電平是3.5V左右的，設計的電路兩個同色方向對立的LED和50Ω電阻是串聯的，LED電壓不夠是燈太弱的原因，所以我在電路中將對應的LED改成并聯，并且將串聯的電阻改為1KΩ，最終LED的亮度才比較適合。

如附錄5波器顯示屏所示，實際的時鐘周期為T，在示波器中大約占9.5格，每格是100ms。

所以： T=9.5*100=950ms=0.95s

最終，打開電源以后，交通燈以0.95S為時鐘周期，東西方向的紅燈和南北方向的綠燈先亮，15秒倒計時開始，當時鐘為05秒的時候，東西方向的紅燈熄滅，東西方向的黃燈閃爍，同時蜂鳴器響，當時鐘為00秒的時候東西方向的黃燈和南北方向綠燈熄滅，同時蜂鳴器不響，西方向的綠燈和南北方向的紅燈亮，15秒倒計時開始，當時鐘為05秒的時候，南北方向的紅燈熄滅，南北方向的黃燈閃爍，同時蜂鳴器響，以后的時間如此循環。

測試結果基本達到預想的邏輯要求，時鐘發生器的頻率存在5%的誤差，這些誤差主要來自于電阻和電解電容。

本設計所做的簡易交通燈以數字電子技術的基礎知識作為原理依據，電路主要包括脈沖發生器電路，定時器電路，控制電路，交通燈電路和數碼顯示電路等電路組成，利用數碼管，74LS48譯碼器、74LS192計數器、ne555、與非門、或非門、觸發器、蜂鳴器和小彩燈等數字電子技術芯片構建而成的，實現的功能是：東西方向的紅燈和南北方向的綠燈先亮，15秒倒計時開始，當時鐘為05秒的時候，東西方向的紅燈熄滅，東西方向的黃燈閃爍，同時蜂鳴器響，當時鐘為00秒的時候東西方向的黃燈和南北方向綠燈熄滅，同時蜂鳴器不響，西方向的綠燈和南北方向的紅燈亮，15秒倒計時開始，當時鐘為05秒的時候，南北方向的紅燈熄滅，南北方向的黃燈閃爍，同時蜂鳴器響，以后的時間按照循環，經測試，電路基本達到要求，電路美觀，工作穩定。

[1]余孟嘗.數字電子技術基礎簡明教程（第三版）[M].清華大學，高等教育出版社,2006.5

[3]楊少光.電子技術基礎與技能（第一版）[M].廣西教育出版社，2009.06