簡易行人穿越道號誌控制電路

作者： Danny Yang

A Simple Pedestrian Crossing Safety Circuit


如圖一所示為一簡易行人穿越道號誌控制電路，此電路是由 D 型正反器、IC 555 無穩態多諧振盪器 RC 電路以及反或閘 (NOR Gate) 所組成。其功能與電路原理分別說明如下：


功能

平時路口閃黃燈，但當行人要安全地穿越車道，行人可按下「通行」按鈕，讓路口原本閃爍的黃燈熄滅，且另外的紅燈變亮，讓看到紅燈亮的車輛停下來等待行人通過。當行人穿越車道後，按下「回復」按鈕，則紅燈變熄滅，黃燈恢復閃爍。

行人穿越道控制電路
圖一    行人穿越道號誌控制電路


動作原理
  • 當電源打開瞬間，本身為 NOR Gate 的 IC 4001 的第 5 腳，會出現邏輯 "1" 的訊號 ($0.1\mu F$ 的電容在該瞬間為短路狀態 )，因而 IC 4001 的第 4 腳會輸出邏輯 "0" 給 IC 4001 的第 1 與第 2 腳，IC 4001 的第 3 腳會因此而輸出邏輯 "1" 給 D 型正反器 IC 4013 第 4 腳 (CLR) 。在 IC 4013 第 6 腳 (PR) 恆接地的情況下，導致 IC 4013 第 1 腳 (QA) 會輸出邏輯 "0" 的訊號給 IC 4001 的第 12 腳。且電源打開後，計時 IC 555 組成的無穩態多諧振盪器也會開始輸出矩形波至 IC 4001 的第 13 腳〔其原理參見 IC 555 無穩態多諧振盪器的原理與振盪頻率推導〕。因此，IC 4001 的第 11 腳，在電源打開後會輸出 IC 555 無穩態多諧振盪器輸出矩形波的反相，來讓黃色的 LED 閃爍。
  • 當電源打開一段極短時間穩定後，IC 4001 的第 5 腳會出現邏輯 "0"，第 6 腳一樣同為邏輯 "0"，IC 4001 的第 4 腳因而輸出邏輯 "1" 給 IC 4001 的第 1 與第 2 腳，導致 IC 4001 的第 3 腳輸出邏輯 "0" 給 IC 4013 第 4 腳。此時，IC 4013 的 CLR = "0" 且 PR = "0"，QA 維持原態輸出邏輯 "0" 的訊號至 IC 4001 的第 12 腳，黃色的 LED 繼續閃爍。
  • 當「通行」按鈕被按下，IC 4013 的第 5 腳 (D) 會出現邏輯 "1" ，時脈上緣同時出現在其第 3 腳 (CK) 產生了觸發，使得 IC 4013 的第 1 腳 (QA) 輸出邏輯 "1"，除了會讓紅色 LED 亮之外，該訊號送至 IC 4001 的第 12 腳，導致 IC 4001 的第 11 腳輸出邏輯 "0"，黃色 LED 因而熄滅。
  • 當「通行」按鈕被鬆開， IC 4013 第 3 腳 (CK) 的時脈上緣消失無法觸發，其餘接腳狀態不變，因此其第 1 腳 (QA) 繼續維持輸出邏輯 "1" ，紅色 LED 依舊亮，黃色 LED 仍然熄滅不閃爍。
  • 當「回復」按鈕被按下，IC 4001 的第 6 腳接收到是邏輯 "1" 的訊號，第 5 腳則是接收到 "0"，IC 4001 的第 4 腳輸出邏輯 "0" 給  IC 4001 的第 1 與第 2 腳。IC 4001 的第 3 腳因此輸出邏輯 "1" 給 IC 4013 第 4 腳 (CLR)，加上原本 IC 4013 第 6 腳 (PR) 就是輸入邏輯 "0"，導致 IC 4013 的第 1 腳 (QA) 輸出邏輯 "0"，使得紅色 LED 熄，黃色的 LED 閃爍。
  • 當「回復」按鈕被鬆開，IC 4001 的第 6 腳出現邏輯 "0"，第 5 腳會出現邏輯 "0"，第 4、第 1 與第 2 為邏輯 "1"，第 3 為邏輯 "0"，第 4 腳 (CLR) 一樣為邏輯 "0"，加上第 6 腳 (PR) 恆為邏輯 "0"，使得 IC 4013 的第 1 腳 (QA) 維持輸出邏輯 "0"，紅色 LED 依舊熄，黃色的 LED 閃爍繼續維持閃爍。

設計思維

如圖二所示的 $RC$ 電路接法，可分別用來產生電源訊號與回復按鈕訊號。當電源打開瞬間，電源訊號為邏輯 "1"；當電源穩定時，電源訊號則為邏輯 "0"。而當回復按鈕未被按下或按下後鬆開時，回復按鈕訊號為邏輯 "1"；且當回復按鈕被按下時，回復按鈕訊號則為邏輯 "0"。

圖二    電源訊號與回復按鈕訊號的產生

由於電源ㄧ打開瞬間，我們希望 IC 4013 的第 1 腳 (QA) 能輸出邏輯 "0"，使得紅色 LED 不亮，且黃色 LED 能閃爍。此時，如圖三所示，IC 4013 的第 4 腳 (CLR) 在第 6 腳 (PR) 為邏輯 "0" 的情況下，必須為邏輯 "1"。至於如何能產生這樣的狀態，我們將在下面說明：                     

紅色 LED 不亮，且黃色 LED 能閃爍，則 QA = "0"
圖三     紅色 LED 不亮，且黃色 LED 能閃爍，則 QA = "0"

首先，如圖四所示，為ㄧ常用來作為控制訊號是否通過的及閘，其邏輯表示式為：
$$Y= \overline C \cdot CLK\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(1)$$
須注意的是，由於我們希望 IC 4013 的 QA 接腳輸出邏輯 "0" 時，555 無穩態多諧振盪器輸出的矩形波能通過控制的邏輯閘出現在其輸出端，因此圖四中的及閘的控制輸入端設為 $\overline C$。

AND Gate 作為時脈訊號通過與否的控制閘
圖四    AND Gate 作為時脈訊號通過與否的控制閘

接著我們將式子 (1) 改寫成
$$Y =\overline { \overline {\overline C \cdot CLK}}$$
且根據第摩根定理 (De Morgan's theorem)，上式可再改寫為
$$Y = \overline {C + \overline {CLK}}$$
上式的組合邏輯如圖五所示。因此，若要用萬用閘 NOR Gate 來代用 AND Gate，圖四的邏輯閘，可由圖五來代替。

NOR Gate 作為訊號通過與否的控制閘
圖五    NOR Gate 作為訊號通過與否的控制閘    

然而，圖五的組合邏輯中的反相器 (NOT Gate) 其實是可省略的。原本 $C ="0"$ 時，$Y=CLK$，若該反相器省略，只是輸出變成 $Y=\overline {CLK}$，反相的時脈一樣可驅動黃色 LED 閃爍，效果上並無差別，如圖六所示。

IC 4001 作為時脈訊號控制閘
圖六    IC 4001 作為時脈訊號控制閘

接下來，我們來看如何讓 IC 4013 的第 4 腳 (CLR) 在電源打開瞬間、電源穩定通行按鈕未按下、回復按鈕按下以及回復按鈕鬆開後的這些狀況下，能接收到邏輯 "1" 的訊號。首先，根據圖二，我們可令 P 為代表電源是打開瞬間 (P = "1") 與電源穩定(P = "0") 的布林代數變數；可令 R 代表回復按鈕是鬆開或未按下 (R = "0") 與按下 (R = "1") 的布林代數變數。P、R 與 CLR 的真值表如圖七所示。

圖七    真值表


圖七的真值表，其邏輯表示式如下：
$$\overline {CLR} = \overline P \cdot \overline R$$
即
$$CLR=\overline{\overline P\cdot \overline R}$$
根據第摩根定理，上式可寫成
$$CLR =P+R$$
$$\;\;\;\;\;\;\;\;\;=\overline{\overline{P+R}}$$
其邏輯電路，如圖八所示。

決定 IC 4013 CLR 接腳的輸入邏輯值的邏輯電路
圖八    決定 IC 4013 CLR 接腳的輸入邏輯值的組合邏輯電路

最後，我們來簡單說明當通行按鈕按下，IC 4013 的 QA 會輸出邏輯 "1"，可讓紅色 LED 亮，且黃色 LED 熄滅不閃爍的電路設計思維。如圖九所示，當通行按鈕未按下，IC 4013 的 D 輸入接腳雖然恆輸入邏輯 "1" 的訊號，但由於其 CK 接腳持續接收到的是邏輯 "0" 訊號，並沒有發生觸發，因此即使 D 輸入接腳輸入邏輯 "1"，QA 接腳並不會輸出邏輯 "1"，使紅色 LED 亮，且黃色 LED 熄滅不閃爍。此情況會持續，直到通行按鈕被按下，CK 接腳接收到電壓準位由低升至高的上緣觸發訊號後，QA 接腳就會轉態輸出邏輯 "1" 了。即使通行按鈕鬆開，因觸發訊號已經消失，QA 接腳一樣維持原態邏輯 "1" 的輸出。

圖九    通行按鈕按下，QA 接腳能輸出邏輯 $"1"$ 的電路 



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