純數字電路紅綠交通燈帶數碼管倒計時Proteus仿真電路圖

ID:377946 · 發表于 2019-12-26 16:51

本文設計的紅綠燈分布于南北道和東西道，當南北道為紅燈時，東西道為綠燈或黃燈，當東西道為紅燈時，南北道為綠燈或黃燈。紅燈亮時間為60秒，綠燈亮時間55秒，黃燈亮時間為5秒。具體如表格所示。

南北	綠燈	黃燈	紅燈
	55	5	60
東西	紅燈		綠燈	黃燈
	60		55	5

路口示意圖如下圖所示，其中1、3為一組，2、4為一組，同一組亮燈時間相同。同時路燈旁設有8位數碼管以提醒行人燈光切換剩余時間。

圖 1：十字路口交通燈示意圖

設計思路

設計的基本思路如下流程圖所示，主要由脈沖信號發生電路，遞減計時器、數碼管顯示譯碼，交通燈切換譯碼，倒計時預置譯碼電路部分組成。

圖 2：設計思路結構圖

交通燈切換電路

亮燈組合分析,以1代表亮燈，0代表滅燈，同一時間亮燈情況有如下表所示組合。

由表可見，亮燈組合狀態有Q1、Q2、Q3、Q4四種，按時間順序依次執行。

可以通過90芯片產生4進制數碼信號，由74Ls139芯片譯碼并對輸出進行取反，形成0001→0010→0100→1000信號順序，以此選擇亮燈組合。

下面是74ls90和74ls139引腳圖及功能表

圖 3：74ls90引腳圖

圖 4：74ls功能表

圖 5：74ls90計數輸出

圖 6：74ls48引腳圖

圖 7：74ls48功能表

以D1、D2、D3、D4表示譯碼輸出，Y表示亮燈組合輸出。其選擇關系如下表所示。

D1	D2	D3	D4	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6
1	0	0	0	1	0	0	0	1	0
0	1	0	0	1	0	0	0	0	1
0	0	1	0	0	1	0	1	0	0
0	0	0	1	0	0	1	1	0	0

根據輸入輸出關系可列下列關系式;

Y1=D1+D2

Y2=D3

Y3= D4

Y4=D3+D4

Y5=D1

Y6=D2

根據關系式可以設計如下電路圖：

圖 8：交通燈切換電路仿真圖

時鐘脈沖發生器

脈沖發生器由555定時器，兩個電阻和兩個電容構成，其連接電路如下圖：

圖 9：時鐘脈沖發生器仿真圖

向555芯片提供5~12V直流電源供電，555芯片Q引腳輸出秒脈沖，其輸出波形如下圖

圖 10：脈沖發生器輸出波形圖

通過選擇固定值R和C可以控制脈沖頻率，公式如下。

數碼管顯示譯碼電路

在紅綠燈狀態時同時也伴有LED數碼管顯示倒計時時間以提醒路人燈的變換。

遞減計數可以使用74ls192或74ls190實現，數碼管顯示譯碼可以通過74ls47或74ls48實現，數碼管采用8位共陽數碼管。本文設計采用74ls192和74ls48.

74Ls192及74Ls48的引腳圖及功能表如下：

圖 11：74ls192引腳圖

圖 12：74ls192功能表

圖 13：74ls48引腳圖

圖 14：74ls48真值表

可以看到當MR引腳置低，PL，CPU引腳置高位時，給予CPD上升沿脈沖信號有向下計數功能。P0、P1、P2、P3為預置位引腳，當PL引腳為低電平，Q0、Q1、Q2、Q3引腳初始化輸出為預置電平信號。

倒計時顯示電路仿真如下圖：

進制切換譯碼電路

不同燈保持亮的狀態的時間不同，下表為不同燈的亮狀態時間

紅燈	綠燈	黃燈
60s	55s	5s

轉到芯片，即對應不同的進制。改變74ls192的預置位，可以實現不同進制的計數。

D0	D1	D2	D3	Y0	Y1	Y2	Y3	Y4	Y5	Y6	Y7
1	0	0	0	0	1	1	0	0	0	0	0
0	1	0	0	1	0	1	0	1	0	1	0
0	0	1	0	0	0	0	0	1	0	1	0

根據輸入輸出表格，可以列出以下關系式：

Y0=D1

Y1=D0

Y2=D0+D1

Y3=0

Y4=D1+D2

Y5=0

Y6=D1+D2

Y7=0

根據關系式，有如下電路圖；

總電路：

總電路如下圖所示

可以看到，圖中通過555脈沖發生電路提供脈沖到遞減計時器，通過74ls48進行顯示譯碼，使用8位數碼管進行顯示剩余時間，當一個計時周期完畢后給予交通燈切換電路以一個脈沖，切換交通燈狀態。如此循環往復，實現交通燈的指示功能。

設計感想

這個設計花了近兩周的時間，現在看來，似乎完全沒有必要，當思維從局部邏輯形式的死磕裝到系統邏輯關系式的推斷，就會發現其實很簡單，但當思維還沒有突破那一層界限，又好像一切都是有所必要。這如果是采用單片機來做，將會相當容易，但不會引起像現在這樣極大興趣，很刺激，但也有難以避免的遺憾，當你回頭發現你用盡力氣做的可以很簡單，一方面，后悔怎么早沒想到，一方面又會想著好像會有更多可以優化的地方，比如現在正落鍵的這篇文稿，此時也是半夜，整篇文稿從芯片組合入手，對于組合邏輯的分析只有兩部分，其他部分更多是直接使用集成芯片，通過讀芯片手冊直接使用，其實還想對芯片內部的移位寄存器等進行入手分析，但好像，其這也是很難有窮盡，也很費時間的。本次的作業提交看來也已晚，還是有些拖延癥，但這篇文稿現在更像是給自己的答案，但比起很多時候為感時間匆忙的敷衍，這次花去的時間也有些價值，算是寬慰吧。