有紅燈倒數計時的基本交通號誌控制電路

作者： Danny Yang
 


先前介紹的「基本的交通號誌控制電路」一文，並沒有紅燈倒數計時的功能，本文延續該電路探討如何將紅燈倒數計時的功能加入。其完整的電路如圖一所示：


圖一  有紅燈倒數計時的基本的交通號誌控制電路


功能

一開始縱向的紅色 LED 亮，伴隨著從 4 秒開始的倒數計時顯示，且橫向的綠色 LED 同時跟著亮。當縱向的紅色 LED 倒數至 1 秒時，橫向的綠色 LED 熄滅，且橫向的黃色 LED 亮；當縱向的紅色 LED 倒數至 0 秒時 (不顯示)，縱向的紅色 LED 熄滅，轉而縱向的綠色 LED 亮，且橫向的紅色 LED 亮，伴隨著從 4 秒開始的倒數計時顯示。當橫向的紅色 LED 倒數至 1 秒時，縱向的綠色 LED 熄滅，縱向的的黃色 LED 亮；當橫向的紅色 LED 倒數至 0 秒時 (不顯示)，橫向的紅色 LED 熄滅，縱向的綠色 LED 亮，如此周而復始。其燈號動作時序圖如圖二所示。

燈號動作時序圖
圖二  燈號動作時序圖



電路設計

沒有紅燈倒數計時功能的基本的交通號誌控制電路，電路如圖三所示，該部分的原理參見該文說明，這裡不再贅述。接下來，我們將只針對要另外加入的紅燈倒數計時部分的電路來作說明。

無紅燈倒數計時的基本的交通號誌控制電路
圖三  無紅燈倒數計時的基本的交通號誌控制電路

紅燈倒數計時顯示電路真值表
圖四  紅燈倒數計時顯示電路的真值表

基本的交通號誌控制電路中的 3 位元模數 8 的同步上數計數電路的輸出 $(Q_C,\;Q_B,\;Q_A)$ ，是我們要加入的紅燈倒數計時顯示部分的輸入；而圖一中負責將 BCD 碼轉七段顯示碼的兩顆 IC 4511 各自的 BCD 碼輸入腳 $(Q_C^{'},\;Q_B^{'},\;Q_A^{'})$ 與 $(Q_C^{"},\;Q_B^{"},\;Q_A^{"})$ ，則分別是縱向與橫向的紅燈倒數計時輸出連接接腳，其真值表如圖四所示。

根據圖四的真值表，可畫出圖五至圖十的卡諾圖 (Karnaugh Map)：

$Q_C\;'$ 的卡諾圖
圖五  $Q_C\;'$ 的卡諾圖

$Q_B\;'$ 的卡諾圖
圖六   $Q_B\;'$ 的卡諾圖

$Q_A\;'$ 的卡諾圖
圖七  $Q_A\;'$ 的卡諾圖

$Q_C\;''$ 的卡諾圖
圖八  $Q_C\;''$ 的卡諾圖

$Q_B\;''$ 的卡諾圖
圖九  $Q_B\;''$ 的卡諾圖

圖十  $Q_A\;''$ 的卡諾圖

經由卡諾圖化簡，即可找出 $Q_C^{'}$、$Q_B^{'}$、$Q_A^{'}$、$Q_C^{"}$、$Q_B^{"}$ 以及 $Q_A^{"}$ 如下的邏輯表示式：
$$Q_C^{'}=\overline {Q_C}\;\overline {Q_B}\;\overline {Q_A}$$
$$Q_B^{'}=\overline {Q_C}\;\overline {Q_B}\;Q_A+\overline{Q_C}\;Q_B\;\overline {Q_A}$$
$$Q_A^{'}=\overline {Q_C}\;Q_A$$
$$Q_C^{"}=Q_C\;\overline {Q_B}\;\overline {Q_A}$$
$$Q_B^{"}=Q_C\;\overline{Q_B}\;Q_A+Q_C\;Q_B\;\overline{Q_A}$$
$$Q_A^{"}=Q_C\;Q_A$$
最後，根據上面的邏輯式，就可畫出其組合邏輯電路。此組合邏輯電路再與 IC 4511 與共陰七段段顯示器結合，就可完成紅燈倒數計時顯示電路，如圖十一所示。其中作為電子開關的電晶體 2SC1384，是用來決定縱向與橫向的七段顯示器共陰的共同端何時接地，以便能作紅燈倒數計時的顯示。我們觀察圖四的紅燈倒數計時顯示電路的真值表，可發現縱向該有紅燈倒數計時顯示時 $Q_C=0$；橫向該有紅燈倒數計時顯示時 $Q_C=1$。因此，控制縱向七段顯示器共陰的共同端何時接地的電晶體基級端可透過一個 $1K\Omega $ 電阻連接至 $\overline Q_C$ 接腳；控制橫向七段顯示器共陰的共同端何時接地的電晶體基級端一樣可透過一個 $1K\Omega $ 電阻連接至 $Q_C$ 接腳。

紅燈倒數計時顯示電路
圖十一  紅燈倒數計時顯示電路

最後，將紅燈倒數計時顯示電路與先前的基本的交通號誌控制電路結合，即可完成有紅燈倒數計時的基本的交通號誌控制電路。不過，如果要增加紅燈倒數秒數，可增加循序邏輯電路的位元數，以上面的設計思維重新設計組合邏輯電路的部分以符合需求。



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