汽车尾灯控制电路的设计与仿真

1、唐唐 山山 学学 院院 数字数字电电子技子技术术 课课 程程 设设 计计 题题 目目 汽汽车车尾灯控制尾灯控制电电路的路的设计设计与仿真与仿真 系系 (部部) 信息工程系信息工程系 班班 级级 姓姓 名名 学学 号号 指指导导教教师师 成成凤凤敏敏 2012 年年 7 月月 9 日至日至 7 月月 13 日日 共共 1 周周 2012 年年 7 月月 13 日日 数字数字电电子技子技术术 课课程程设计设计任任务书务书 一、一、设计题设计题目、内容及要求目、内容及要求 设计题目：设计题目：汽车尾灯控制电路的设计与仿真 设计内容设计内容： 汽车尾灯两侧各有 3 个指示灯，汽车运行时具有如下模式：

2、汽车正向行使时，左右两侧的指示灯全部处于熄灭状态。 汽车右转弯行驶时，右侧的 3 个指示灯按右循环顺序点亮。 汽车左转弯行驶时，左侧的 3 个指示灯按左循环顺序点亮。 汽车临时刹车时，左右两侧的指示灯同时处于闪烁状态。 设计要求：设计要求： 设计汽车尾灯控制电路，并实现 4 种模式下的显示功能。 用 multisim 进行电路仿真。 撰写设计说明书。 二、二、设计设计原始原始资资料料 multisim 仿真软件、课件、芯片资料。 三、要求的三、要求的设计设计成果（成果（课课程程设计说设计说明明书书、 、设计实设计实物、物、图纸图纸等）等） 课程设计说明书、仿真电路图。 四、四、进进程安排程安排

3、 周 1 讲解整个设计要实现的功能，查阅相关资料，画出整体电路； 周 2、3 进行仿真并调试； 周 4 撰写课程设计任务书； 周 5 课程设计答辩并提交设计说明书。 五、主要参考五、主要参考资资料料 1 付家才电子工程实践技术北京：北京工业出版社，2003 2 毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，2001 3 阎石主编数字电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2009 4 丁润涛主编电子工程手册北京：机械工业出版社，1995 指指导导教教师师（ （签签名）：名）：教研室主任（教研室主任（签签名）：名）： 课课程程设计设计成成绩评绩评定表定表 出勤天数 出勤 情况 缺勤天数

4、出勤情况及设计过程表现（20 分） 课设答辩（20 分） 设计成果（60 分） 成 绩 评 定 总成绩（100 分） 提问 （答辩） 问题 情况 综 合 评 定 指导教师签名： 年 月 日 目 录 1 引言.1 1.1 设计目的.1 1.2 设计背景.1 2 设计原理.3 3 总体设计.4 3.1 单元电路设计.4 3.1.1 秒脉冲产生电路.4 3.1.2 十二进制计数器.5 3.1.3 分频器电路的设计.6 3.1.4 直流稳压电源.8 3.1.5 信号灯驱动电路的设计.9 3.1.6 白天夜间模式切换的设计.9 3.1.7 交通灯逻辑控制电路.10 3.2 时序仿真结果.12 4 设计总

5、结.16 参考文献.17 附录 1 器件明细表.错误！未定义书签。 附录 2 仿真电路图.19 1 引言 1.1 设计目的的 学习了一个学期的数字电子技术课程，这次的课程设计主要综合了解与 运用所学的知识，通过这次课程设计来检查这一学期的学习状况。通过制作来了 解交通灯控制系统，了解译码器、计数器、寄存器芯片的作用。 交通灯控制系统主要是实现城市交叉路口红绿灯的控制。在现代化的大城市 中，十字交叉路口越来越多，在每一个交叉路口都需要有一个准确的时间间隔和 转换顺序，这就需要一个安全、自动的系统对红、黄、绿的转化进行管理。本次 的设计就是基于此目的进行的。 设计交通信号控制灯要求某方向绿灯点亮

6、20 秒，然后黄灯点亮 4 秒，最后红 灯点亮 24 秒。在该方向为绿灯和黄灯点亮期间，另一方向红灯点亮。 如果以 4 秒作为时间计量单位，则某一方向绿、黄、红三种指示灯点亮的时间比例为 5：1：6。 从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东西方向 红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向绿 灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用 led 红、绿、黄发光二 极管模拟。 夜间工作方式 南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次。其它灯不亮。要求设置一个手动 开关，用它控制白天和夜间工作方式。 1.21.2 设计背景设计背景 随着世界范围内城市

7、化和机动化进程的加快，城市交通越来越成为一个全球 化的问题。城市交通基础设施供给滞后于高速机动化增长需求，道路堵塞日趋加 重，交通事故频繁，环境污染加剧等问题普遍存在。目前，全国大中城市普遍存 在着道路拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱的现象，交通事故频发，这给人民的生 命财产安全带来了极大的损失。如何解决城市交通问题已成为全社会关注的焦点 和大众的迫切呼声。探究城市交通发展中存在问题的原因，无论是从宏观上还是 从微观上分析，其根本原因在于城市交通系统的管理机制不适应。 城市交通控制系统（utc ，urban traffic control system）是现代城市智 能交通系统（idj ，inte

8、lligent transport system）的组成之一，主要用于城 市道路交通的控制与管理。城市平交路口实现交通信号控制是城市交通管理现代 化的基本标志之一，是提高交通管理效能的重要技术手段。路口信号控制器是控 制交叉路口交通信号的设备，它是交通信号控制的重要组成部分。各种交通控制 方案，最终都要由路口信号控制器来实现。为了确保十字路口的行人和车辆顺利、 畅通地通过,往往采用电子控制的交通信号来进行指挥。伴随着社会的发展以及人 类生活水平的提高,汽车的数量在不断增加。 multisim10 是一款知名的 eda 仿真软件，由加拿大 iit、公司于 2007 年推出 最新版本。在 wind

9、ows 环境下，multisim10 软件有一个完整的集成化设计环境， 它将原理图的创建、电路的测试分析、结的图表显示等全部集成到同一个电路窗 口中。在搭建实际电路之前，采用 multisim10 仿真软件进行虚拟测试，可使实验 方法和实验手段现代化，扩展实验容量，使实验内容更完备，提高了实验效率， 节省大量的实验资源。multisim10 软件进行设计仿真分析的基本步骤为：设计创 建仿真电路原理图电路图选项的设置使用仿真仪器设定仿真分析方法启 动 multisim10 仿真。 因此本次课设能深入了解交通信号灯的应用原理，更好的掌握所学知识，将 理论联系实际，而且在实际操作中培养自己的实际动手

10、能力，将理论应用与实际 生活中。 2 设计原理 设计交通信号控制灯要求白天的工作方式如图 2-1： 夜晚的工作方式是：南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一次，其他灯不亮， 因此总的设计框图如图 2-2： 根据交通灯的性能要求以及整体电路图，设计本次课程设计的交通灯电路。 图 2-1 信号指示灯白天点亮流程图 南北方向红灯亮，东西方向绿灯亮 5t 南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t 南北方向红灯亮，东西方向黄灯亮 5t 南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 5t 南北方向绿灯亮，东西方向红灯亮 南北方向黄灯亮，东西方向红灯亮 1t 图 2-2 整体电路设计框图 东西信号灯南北信号灯 组合逻辑电路 十二

11、进制计数器 四分频器秒脉冲产生电路 系统电源 工作方式控制开关 3 总体设计 3.1 单元电路设计 3.1.1 秒脉冲产生电路 由于黄灯点亮时按秒闪动以及时间显示按秒倒计时，所以需要设计秒脉冲产 生电路。秒脉冲产生电路实际就是一个多谐振荡电路，它可以是用门电路和电阻、 电容组成的多谐振荡电路，也可以是用定时器555和电阻、电容组成的多谐振荡器。 为了电路简单和调节振荡周期方便，选择用555定时器组成多谐振荡器。其中由 555构成本次课设的1秒脉冲电路如图3-1所示： 振荡周期与频率的计算公式为：t=(r1+2r2)cln2=0.7(r1+2r2)c,电源电压为 vcc=5v，其中电路图中 c1

12、的作用是防止电磁干扰对振荡电路的影响，一般选用 0.01f 的瓷片电容。再次课程设计中要求输出 t=1s，选取电容为 c=10f，r1=560k，根据振荡周期计算，选择电阻 r2=434k。由于存在系统误 差，经调试取 r2=432k。 在multisim中进行仿如图3-2： 图 3-1 555 定时器组成多谐振荡器原理图 vcc u2 lm555cm gnd 1 dis 7 out 3 rst 4 vcc 8 thr 6 con 5 tri 2 r1 432 r2 560 c2 1uf c3 10nf 55 00 52 44 xsc1 a b ext trig + + _ _ + _ 1 0

13、 图 3-2 555 多谐振荡器仿真图 从图3-2中可以看出t=1.034s，这与要求相符。 3.1.2 十二进制计数器 由信号灯白天点亮流程图可以得知，任何方向的信号灯的一个工作循环为十 二进制（绿、黄、红时间比例为5：1：6），因此需要设计十二进制计数器，循环 工作控制白天信号灯的点亮。因此，用移位寄存器组成十二进制计数器，拟选用8 位串入并出移位寄存器74ls164。用74ls164组成的12进制扭环型计数器电路 ，其 电路图如图3-3所示。 3.1.3 分频器电路的设计 上述十二进制计数器的时间单位为4秒，即它的cp脉冲为4秒。为了使整体电 路工作步调一致，4秒脉冲应该利用秒脉冲经分频

14、获得，这就需要设计一个4分频 器电路。秒脉冲经4分频后得到4秒脉冲，将其作为十二进制计数器的cp脉冲。本 次课程设计使用两个d触发器组成4分频器电路。 74ls74 是内有两个 d 触发器的 ttl 集成电路，将每一触发器接成触发器， 两级串联就实现 4 分频，即输入 1s 脉冲，输出 4s 脉冲。 cpdqn+1 0xqn 100 111 表 3-1 74ls74 真值表 vcc qh qg qf qe rd cp a b qa qb qc qd gnd 14 1 74ls164 8 7 图3-3 74ls164引脚图 图 3-4 四分频的电路原理图 在multisim中进行仿如图3-5：

15、从图中可以看出由555定时器组成的多谐振荡器将1s脉冲输送给2分频d触发器， 两级串联就实现4分频，即输入1s脉冲，输出4s脉冲。由示波器得t=4.095s，这与 要求相符。 图 3-5 4 分频器电路的输出波形 3.1.4 直流稳压电源 直流稳压电源包括变压器降压、二极管（或整流桥）整流、电容滤波、集成 稳压芯片稳压四部分。作为一个实际的应用系统直流稳压电源是必不可少的。本 次课设设计的交通信号灯控制电路需要使用稳定的5v直流稳压电源来驱动各芯片 使电路其正常工作。因此需要设计输出为5v的直流稳压电源。通过变压器将市电 降压到交流9v，在通过整流桥整流滤波和稳压块7805得到直流5v电压。直

16、流稳压 电源的任务是为整体电路提供直流电源。故稳压电源电路的输出电压值和输出电 流值应满足整体电路的需要。 直流稳压电源的设计电路如图3-6所示。 在multisim中进行仿真如下图： 图 3-6 直流稳压电源原理图 如图 3-7 所示通过变压器将市电降压到交流 9.021v，在通过整流桥整流滤波 和稳压块 7805 得到直流 4.956v 电压，在允许范围与要求相符。 3.1.5 信号灯驱动电路的设计 本次课程设计选择使用基本共射放大电路对发光二极管进行驱动，使其点亮。 其设计电路如下图所示： 对此基本共射放大电路进行设计几参数的选择： 电源电压：vcc=5v； 集电极直流负载电阻 rc的计

17、算与确定：电路的直流输出回路电压方程为： uce=vcc-icr1，发光二极管的驱动电压大概是 0.7v 左右，一般发光管的驱动电流 取10ma20ma，大功率白光二极管可以到 300ma（1w）600ma（2a)。此次课 设所用的二极管电流为 10ma20ma，则选取 uce=0.4v，根据电路的直流输出回 路电压方程计算得：r1=260，其功率：wrc=r1urc=5.2mw 则选取 r1=260 的电 阻即可。 rb的阻值计算与确定：ibq=icq/=20/80=0.25ma，确定 rbvcc/ibq=5k 为 统一选取，则 rb取 r1=5k 电阻。 3.1.6 白天夜间模式切换的设计

18、 为了使实验在一次课时间内完成，本设计中白天与夜间的转换开关为手动开 关。在实际应用中可以设计自动转换开关。 用光敏电阻或光敏二极管、光敏三极管组成光亮度检测电路，光亮度检测电 路检测的电信号送入滞回电压比较器，滞回电压比较器根据光亮度输出高低电平 图 3-8 发光二极管进行驱动电路 图 3-7 直流稳压电源 的仿真图 信号，这个信号经延时电路后（可用单稳态电路实现），作为白天与夜间的自动 转换开关。这样当天黑以后经一段延时，系统自动转成夜间工作方式。第二天天 量后经一段延时，系统自动转换成白天工作方式。在本次课程设计中选择使用手 动切换白天与夜晚模式的选择。 由经过修改之后的组合逻辑电路输出

19、与输入的表达式可以看出，白天与夜间 模式的转换由 74ls164 的 rd引脚控制。当 rd=1 时为白天工作模式，rd=1 时为 夜晚工作模式。 根据此次电路设计要求，以上为所有基本电路的单元电路的详细设计。 3.1.7 交通灯逻辑控制电路 逻辑控制电路是本设计的核心电路，由它控制交通信号灯按要求方式点亮(一 般经驱动电路去控制信号灯)。根据白天信号灯的点亮要求，将时序逻辑电路的输 出作为组合逻辑电路的输入，而组合逻辑电路的输出给信号灯的驱动电路。夜晚 工作方式也需要组合逻辑电路的功能以及秒脉冲通过与门实现。组合逻辑电路的 真值表如图所示： 根据上图真值表写出组合逻辑电路输出与输入的表达式，

20、经化简得： feq qnsg feq qewg feq qnsy feq qewy f qnsr f qewr 由上述表达式可以看出，组合逻辑电路用到两个非门，四个两输入与门。因 cp d n 1 q 0 x n q 1 0 0 1 1 1 此非门选用 ttl 集成门 74ls04，与门选用 ttl 集成门 74ls08。 当然，以上仅是考虑白天工作方式时的情况。下面将介绍白天和夜间综合考 虑的情况，综合考虑后，表达式需要修改，则门电路也需要作响应的修改。 黄灯点亮的按秒闪动，将在下面考虑。 白天和夜间综合考虑组合逻辑电路表达式和门电路的修改 按设计要求，夜间仅有南北和东西方向的黄灯点亮，而其

21、它灯熄灭。为此， 在夜间应使 74ls164 停止循环工作，即通过开关将 74ls164 的接地，使 d r 74ls164 的所有 q 端全部清零。白天为高电平，74ls164 循环工作。 d r 表 3-2 74ls74 真值表 由 74ls164 组成的 12 进制计数器电路中的开关就是白天、夜间控制开关。 在夜间由于使所有的 74ls164 的 q 端清零，因此会出现以下问题：0 d r (1) ，由于夜间 q 端均为低电平，则 nsg 为高电平，即南北绿 feq qnsg 灯点亮，显然这是不允许的，所以 nsg 的表达式需要修改； (2) ，由于夜间 q 端均为低电平，则 ewr 为

22、高电平，即东西红灯 f qewr 点亮，显然这是不允许的，所以 ewr 的表达式需要修改； (3) 由于夜间 、均为低电平时，则 nsy、ewy 为低电平， feq qnsy e q f q 即南北和东西方向的黄灯不能点亮，显然这是不允许的，所以 nsy、ewy 的表达 式需要修改。 上述三个问题不符合信号灯的点亮要求。解决办法如下： (1) 在夜间由于,将原两输入与门改为三输入与门。那么在夜间由0 fe qq 于，则，即夜间南北绿灯不点亮；在白天由于，则0 d r0nsg1 d r 即南北绿灯按白天工作方式点亮 fefed qqqqrnsg (2) 在夜间由于,的解决方法：令，即将0 f q

23、1 f qewr fdq rewr ewr 与之间的连线改为额两输入的与门。那么，在夜间由于，则 f q0 d r ，即夜间东西红灯不亮；而在白天，则，即东0ewr1 d r ffd qqrewr 西方向红灯按白天工作方式点亮。 虽然，在夜间由于，则，即南北红灯不亮。但为了 f qnsg 0 f q0nsg 对称也将其修改为。 fdq rnsg (3)在夜间由于，使均为 0 的解决方法：使0 fe qq feq qnsy ，即将原来德两输入与门改为在与门之后增 dfe rqqnsy fed qqrewy 加一级两输入或门，另一个输出端为原来两输入与门的输出(的输出或 feq q 的输出)。那么

24、在夜间由于，则，即南北和东西 feq q0, 1 dd rr1 ewynsy 方向的黄灯点亮；而在白天由于，则，1, 0 dd rr efd qqrnwy ，各方向的灯按白天工作方式点亮。 fefed qqqqrnwy 经过修改之后的组合逻辑电路输出与输入的表达式为： dfe rqqnsg dfe rqqewg dfe rqqnsy dfe rqqewy dfr qnsr dfr qewr 在此次逻辑电路的设计过程中用到的芯片有： 74ls04，74ls08，74ls32，74ls11。 74ls04 为六组输入与门；74ls08 为四组二输入与门；74ls32 为四组二输入 或门；74ls1

25、1 为三组三输入或门。各个芯片的驱动电压均为+5v。 根据各芯片外部引脚不，选择合适位置的引脚，连接电路。其逻辑控制原理 电路如图 3-9 所示： 3.2 时序仿真结果 1 白天工作方式 交通灯从点亮要求可以看出，有些输出是并行的：如南北方向绿灯亮时，东 西方向红灯亮；南北方向黄灯亮时，东西方向红灯亮；南北方向红灯亮时，东西 方向绿灯亮；南北方向红灯亮时，东西方向黄灯亮。信号灯采用 led 红、绿、黄 发光二极管模拟。 图 3-9 逻辑控制原理图 r3 220 r4 220 r5 220 r6 220 r7 220 r8 220 led6led7 led1led2 led3led4 q1q2q

26、3q4 q5 q6 r9 5k r10 5k r11 5k r12 5k r13 5k r14 5k u3a 74ls11n & u4a 74ls11n & u5a 74ls08n & u6a 74ls08n & u7a 74ls08n & u8a 74ls08n & 31 3029282725 0 0 0 0 00 21 20 19181716 15 14 1312 1110 98 76 54 南北方向绿灯点亮20秒后黄灯点亮，如图4-3所示： r3 220 r4 220 r5 220 r6 220 r7 220 r8 220 led6led7 led1led2 led3led4 q1q2q

27、3q4 q5 q6 r9 5k r10 5k r11 5k r12 5k r13 5k r14 5k u3a 74ls11n & u4a 74ls11n & u5a 74ls08n & u6a 74ls08n & u7a 74ls08n & u8a 74ls08n & 31 3029282725 0 0 0 0 00 21 20 19181716 15 14 1312 1110 98 76 54 南北方向黄灯点亮4秒后，红灯亮。东西方向红灯灭，绿灯亮。如图4-4所示： r3 220 r4 220 r5 220 r6 220 r7 220 r8 220 led6led7 led1led2 led

28、3led4 q1q2q3q4 q5 q6 r9 5k r10 5k r11 5k r12 5k r13 5k r14 5k u3a 74ls11n & u4a 74ls11n & u5a 74ls08n & u6a 74ls08n & u7a 74ls08n & u8a 74ls08n & 31 3029282725 0 0 0 0 00 21 20 19181716 15 14 1312 1110 98 76 54 图 4-3 东西方向红灯亮南北方向黄灯亮 图 4-2 东西方向红灯亮南北方向绿灯亮 图 4-4 东西方向绿灯亮南北方向红灯亮 东西方向绿灯点亮20秒后黄灯点亮，如图4-5所示：

29、r3 220 r4 220 r5 220 r6 220 r7 220 r8 220 led6led7 led1led2 led3led4 q1q2q3q4 q5 q6 r9 5k r10 5k r11 5k r12 5k r13 5k r14 5k u3a 74ls11n & u4a 74ls11n & u5a 74ls08n & u6a 74ls08n & u7a 74ls08n & u8a 74ls08n & 31 3029282725 0 0 0 0 00 21 20 19181716 15 14 1312 1110 98 76 54 2 夜间工作方式 南北东西各方向黄灯亮，且每秒闪动一

30、次，其它灯不亮，如图4-6。设置一个 手动开关，用它控制白天和夜间工作方式。 r3 220 r4 220 r5 220 r6 220 r7 220 r8 220 led6led7 led1led2 led3led4 q1q2q3q4 q5 q6 r9 5k r10 5k r11 5k r12 5k r13 5k r14 5k u3a 74ls11n & u4a 74ls11n & u5a 74ls08n & u6a 74ls08n & u7a 74ls08n & u8a 74ls08n & 31 3029282725 2423 0 0 0 0 00 21 20 19181716 15 14 1

31、312 1110 98 76 54 图3-10是用示波器对4分频器、555定时器组成的多谐振荡器进行的仿真图，从 图中可以看出4分频器的周期是555定时器组成的多谐振荡器周期的4倍。 图 4-5 东西方向黄灯亮南北方向红灯亮 图 4-6 交通灯夜晚工作图 图3-10 白天模式时序仿真图 4 4 设计总结设计总结 这次课设终于顺利完成了，在课设中遇到了很多专业知识问，最后在老师的 指导下，终于迎刃而解。同时，在老师的身上我们也学到了很多实用的知识，在 此我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示衷心 的感谢！ 通过这次课程设计，加强了我们动手，思考和解决问题的能力。在这次课

32、程 设计中遇到了各种各样的问题，经常遇到这样那样的情况，也在设计的过程中发 现了自己的不足之处，对以前所学的知识理解的不够深刻，掌握的不够牢固，因 此在这上面耗费的时间用去很多。 做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平 时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所 以在这次课程设计中，进一步加深了对数字电路的了解，让我对它有了更加浓厚 的兴趣，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认 识。比如一些芯片的功能，通过动手实践让我们对各个元件的印象深刻。认识来 源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

33、所以这 个课程设计对我们的作用是非常大的，同时通过这次课程设计使我懂得了理论与 实际结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实 践结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动 手能力和独立思考能力。此次课程设计学到了许多可能学不到的东西，比如多利 思考解决问题的能力，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，我们都受益 匪浅，不仅了解自己的不足，而且深刻的体会到合作的重要性，两个人共同探讨， 可以使问题变得比预料的简单化，避免走歧路，在整个过程中我们的指导老师起 着举足轻重的作用，老师的严谨的工作态度是我们成功的前提。 参考文献 1 付家才电子工程实践技术北京：北京工业出版社，2003 2 毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，2001 3 阎石主编数字电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2009 4 丁润涛主编电子工程手册北京：机械工业出版社，1995 5 唐赣主编multisim 10&ultiboard 10原理图仿真与pcb设计北京：电子工业工业出 版社，2008 6 郭锁利主编基于multisim 9的电子系统设计、