自制简易红绿灯电路图

共同成长888 2021-11-09

展开全文

一、概述

简易交通灯电路是脉冲数字电路的简单应用，设计了交通信号灯不同方向在不同的时间倒计时内，亮不同的的信号灯的功能，同时应用了七段数码管来显示时间。此交通灯可以在实现东西、南北方向红黄绿灯的颜色转换，接下来就是按照4个阶段循环发光，并且如果发生紧急事件看，可以手动控制四个方向红灯全亮，禁止该道路的车辆通行，特殊情况过后才能恢复正常。这在当今社会交通中具有广泛的应用价值，有效的减少交通拥堵和交通事故。

本电路主要有四个模块构成：555脉冲发生器、5倍分频器、倒计数器、主控制电路和手动控制电路。整个电路是有秒脉冲提供脉冲，有计数器进行计数功能向译码显示电路显示倒计时，而且也控制三种灯泡的发光。

二、方案论证

2.1、设计思路

根据设计要求，十字路口车辆运行情况只有4种可能：1）设开始时东西方向绿灯通行，南北红灯不通行，持续时间为25s。2）25s后，东西方向绿灯变黄灯，南北方向红灯保持不变，持续时间为5s。3）5s后，东西方向黄灯变红灯禁止通行，南北方向红灯变绿灯通行，持续时间为15s。4）15s后，东西方向红灯不变禁止通行，南北方向绿灯变黄灯，5s后又回到第一种情况，如此循环反复。因此，要求主控制电路也有4种状态。其控制原理框图如图1所示。

图1简易交通灯电路的原理框图

方案一：用555构成的多谐振荡器产生秒脉冲，分别给两个不同的电路循环提供刺激脉冲信号，然后用分别对东西干道和南北干道建立电路循环圈。原理是当前一计数器倒计时结束时，产生进位脉冲来控制后一计数器开始工作，而此计数器自身停止工作。以此进行循环，就可以实现不同时刻电路的显示。

方案二：用555构成的多谐振荡器产生秒脉冲，根据简单移位寄存器只有四个状态，与此时的正好完全相同，因此用移位寄存器构成系统的主控模块，驱动信号灯的显示和计数器的预置数，同时在东西干道和南北干道上各只需要一个计数器。根据不同时刻移位寄存器给计数器进行预置数，可以显示不同的倒计时。

方案三用555构成的多谐振荡器产生秒脉冲，分别设计25位计数器，两个5位计数器，15位计数器。作用是实现对四个不同进制计数器的芯片选择，而其余四个计数器作为数码管的显示控制计数器，分别显示不同时刻的计数。

方案三虽然电路复杂，但逻辑关系清晰，单路一但启动可自动循环，不需要任何开关控制但是在后一计数器开始计数的时候并不能保证前一计数器停止工作。因此我们选择方案三来完成设计。

三、电路设计

3.1、555脉冲发生器电路

由集成逻辑门与RC组成的时钟源振荡器或由集成电路定时器555与RC组成的多谐振荡器作为时间标准信号源，其单脉冲电路如图2所示。

图2555脉冲发生器

本实验选取多谐振荡器来产生秒脉冲。多谐振荡器也称无稳态触发器，它没有稳定状态，同时毋须外加发脉冲，就能输出一定频率的矩形脉冲（自激振荡）。用555实现多谐振需要外接电阻R1，R2和电容C，并外接+5V的直流电源。只需在+VCC端接上+5V的电源，就能在4脚产生周期性的方波。用555组成的脉冲产生电路：R1=R2=470*100ΩC=10nF

3.2、倒计时电路数字显示电路

十字路口车辆运行情况只有4种可能，实现这4个状态的电路，可用两个触发器构成，也可用一个二-十进制计数器构成。所以我用二-十进制计数器74LS192实现。如图3所示。

两个数码管是有两个74LS192共同控制的，然后有74LS48实现对数码管的显示编码。刚开始的时候是对数码管的高电位一个初始值，对低电位为0.当高电位初始值减数到0且开始借位时，对低电位一个初始值，此时高电位初始值为0.

74LS192是同步十进制可逆计数器，它具有双时钟输入，并具有清除和置数等功能，利用74LS192进行25s、5s、15s的计数倒计时。数码管显示电路：主要是有数码管和两个74LS48转码芯片实现显示数字的。如图4所示。

图3倒计数器电路及引脚图

设计要求将各个倒计时时间用数码管显示出来。数码管有两种，七段数码管和集成七段数码管。七段数码管显示的有七个输入端，分别对应数码管发光的七段而集成七段显示数码管是将7447集成到数码管内部。输入端只有四个，分别于计数器的四个输出端相对应，所以实验中采用集成七段显示数码管。

图4数码显示电路

3.3、分频器电路设计

分频的方法可以用74LS194、74LS160、74LS161等很多集成原件组成实现，为了减少元件类型我选用74LS161做分频器。74LS161是同步四位二进制计数器，它有异步清零、同步预置数等功能。74LS161是常用的四位二进制可预置的同步加法计数器。这里的4位2进制计数器的4位Qd，Qc，Qb，Qa是按二进制方式计数的。计数的数值为0到9，a到f。74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器，可设计电路，因为能预置数，所以能组成16进制内的任意分频。

当74LS161清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS161输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=EP=ET=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。74LS161还有一个进位输出端CO，其逻辑关系是CO=Q0·Q1·Q2·Q3·CET，因此一片74LS161可以组成16进制以下的任意进制分频器，所以我选用74LS161作为实验需要的分频器。

因为灯亮的最小时间为黄灯5秒，而时钟信号为1秒，所以选择74LS161作为5分频器，灯亮的转换由主控制器控制，由于一个周期为50秒，且经分频后的脉冲为5秒一个脉冲，所以主控制器控要有十进制，这样就能实现电路的分频作用。

3.4、主控制电路

主控制器控制着电路中的灯亮与对应的时间，在不同的时间段内，东西、南北方向分别指示不同的颜色的灯光，通过增加手动控制电路实现紧急情况的发生及恢复。根据设计要求可以得知，每一次转换的周期为50s，最小的周期为5s，因此采用74LS161的四位二进制加法功能实现控制器，分别控制4个状态的转换。同时如果发生紧急情况可以手动控制，让四个方向全部变为红灯，禁止通行，如图5所示。

图5主控制及译码显示电路图

秒脉冲信号通过74LS161同步四位二进制计数器，传递到下一芯片，在74LS139处延迟输出，控制东西，南北方向灯光的变化，74LS139芯片可以延迟信号的传递，在某个信号输出后，延迟下一信号的输出，同时根据实验要求，在如果发生紧急事件，可以手动控制四个方向红灯全亮，禁止该道路的车辆通行，特殊情况过后才能恢复正常。所以在74LS139的输入端接入2个74LS04非门和2个74LS08与门实现手动状态下，四个方向的红灯全亮的结果，然后断开开关，可以正常通行。