汽车尾灯论文

1、基于555多谐振荡器的汽车尾灯控制电路设计 摘 要 本次设计的汽车尾灯控制电路是用数字电路实现的。汽车尾灯显示控制电路是汽车尾灯电路的重要组成部分，主要完成控制与驱动功能，具体电路由三进制计数器电路、汽车行驶状态开关模拟电路和汽车行驶状态显示电路三部分组成。 在本次设计中，使用555多谐振荡器来制作电路脉冲产生器，产生时钟脉冲CP。在三进制计数器电路部分用到了数字电路中的触发器、时序逻辑电路的设计和卡诺图的化简，使用到JK触发器芯片74LS76；在汽车行驶状态开关模拟电路部分则用到了组合逻辑电路中译码器及逻辑门电路，使用到3-8译码器芯片74LS138、与门芯片74LS08、与非门芯片74LS

2、00和或门芯片74LS32等；在汽车行驶状态显示电路中用发光二极管模拟显示汽车正常行驶、左转、右转和紧急刹车的四种状态。 关键词：数字电路 555多谐振荡器 三进制计数器 触发器 发光二极管目 录 一 绪论 . 1 1.1 课题研究背景及意义 . 1.2 国内外研究现状及发展趋势 . 1 1.2.1 研究状况 . 1 1.2.2 发展趋势 . 1 1.3 本文主要工作安排与方案论述及方案确定 . 2 1.3.1 主要工作安排 . 2 1.3.2 设计任务与设计要求 . 2 1.3.3 方案论述与确定 . 3 二 基本理论知识 . 5 2.1 主要芯片介绍 . 5 2.1.1 555定时器 .

3、5 2.1.2 与非门74LS00 . 6 2.1.3 异或门74LS136 . 7 2.1.4 JK触发器74LS76 . 8 2.1.5 3线8线译码器74LS138 . 12 2.2 各单元电路设计 . 13 2.2.1 555时钟脉冲电路设计 . 13 2.2.2 三进制循环控制电路设计 . 15 2.2.3 开关控制电路设计 . 16 2.2.4 译码及显示驱动电路设计 . 17 三 总体电路设计 . 19 3.1 总体汽车尾灯控制电路设计原理图 . 19 3.2 汽车尾灯控制电路的主要工作原理 . 19四 电路测试与仿真 . 21 五 总结 . 25 参考文献 . 26 附录 .

4、27 一 绪论 1.1 课题研究背景及意义 在现代社会中，汽车已成为不可缺少的交通工具，其不单单是一种代步工具，还是一种社会生活水平的象征。但是，汽车在带给我们方便的同时，也带来了大量的交通事故。据有关部门统计，大量事故都是在几条道路的转弯处发生或是因为前面的车辆突然间刹车，后面的车辆没有及时注意等情况下发生的，所以汽车尾灯作为一种警示灯，其重要性就体现出来了。 老式汽车尾灯通常基于传统的机械和纯电路的控制方式，完全取决于尾灯系统所采用的硬件来保证它的正常工作，一旦电路老化或者因为机械振动而引起的接触问题以及机械元件变形将不能及时触发电路电源开关，从而导致电路出现故障，这类问题是经常发生的，而

5、除了选用更好的硬件系统元件外几乎没有别的可靠的方法来避免这类故障的发生，于是，选用智能型的元件来进行系统的设计，增加系统的稳定性和可控制性是非常必要且有重要意义的1。 1.2 国内外研究现状及发展趋势 1.2.1 研究状况 现代汽车尾灯是19世纪90年代末由美国哥伦比亚号汽车把电灯作为前灯和尾灯，最早提出的一种尾灯结构形式。它是在汽车尾灯逐步进步的基础上发展起来的，其中包含了尾灯的光源及其控制系统、反射镜、照射镜等。随着氙气灯的使用，驾驶的安全性与舒适性得到很大的改善，不仅有助于缓解人们夜间驾驶的紧张与疲劳，而且克服了驾驶人员的安全问题并使汽车的尾灯使用寿命加长。 现代汽车尾灯控制电路一般是用

6、基于微处理器的硬件电路结构构成，但因为硬件电路存在局限性，不能随意的更改电路的功能和性能，所以可靠性不高，因此对汽车尾灯控制系统的发展带来了一定的局限性。目前，汽车尾灯控制电路是一种应用极为广泛的设备，具有很好的性价比2。 1.2.2 发展趋势 汽车技术的发展趋势是电子化、智能化、信息化和集成化。当前国际汽车市场上，汽车电子化竞争非常激烈，电子控制系统的应用十分普遍。统计数据表明，在国外著名汽车制造厂商中，每辆汽车平均消耗电子产品费用占整车的30%左右，其中光微处理器多达50多个，越是高档汽车电子化程度越高。汽车电子最显著特征是向控制系统化推进。用传感器、微处理器MPU、执行器、数十甚至上百个

7、电子元器件及其零部件组成的电控系统，正获得极其广泛的市场3。 随着计算机技术发展,国外大型车灯控制公司已开始采用智能仿真设计4。据报道，德国的BO SCH公司、HELLA公司和日本的小糸车灯公司等都已采用仿真设计5。自20世纪90年代以后，随着CAD、CAM技术发展,尾灯电路出现配光仿真设计，并采用复杂的三维空间光线光路计算6，但国内外公开发表的文献不多7。 随着汽车工业的发展，汽车尾灯控制电路的发展也日新月异，一体化、轻型化、智能化、美观化已成为汽车尾灯及其控制电路的必然趋势8-9。 1.3 本文主要工作安排与方案论述及方案确定 1.3.1 主要工作安排 研究汽车尾灯控制电路是本文的重点，其

8、主要工作安排如下： 首先，主要阐述本文研究的背景、意义、国内外研究现状及发展趋势；其次，提出两种不同的设计方案，通过计算比较采用较优的设计方案；再次，对所选方案中芯片进行介绍及设计各单元电路；最后，把各单元电路进行整合优化，得出总的设计电路图，达到预期的设计要求，并对所设计的电路进行仿真。 1.3.2 设计任务与设计要求 （1）设计任务 设计一个汽车尾灯控制电路，用六个发光二极管模拟汽车尾灯（左右各三个），用开关S1、S0选择控制汽车正常运行、右转弯、左转弯和刹车时尾灯的情况。 （2）设计要求 1、汽车正常运行时尾灯全部熄灭； 2、汽车左转弯时左边的三个发光二极管按顺序循环点亮； 3、汽车右转

9、弯时右边的三个发光二极管按顺序循环点亮； 4、汽车刹车时所有的指示灯随CP脉冲同时闪烁。 设计要求具体见表1-1。 表1-1 汽车尾灯显示状态变化表 开关控制 左转弯 右转弯S1 S0 运行状态 左边尾灯 D1 D2 D3 右边尾灯 D4 D5 D6 0 0 正常运行 灯灭 灯灭 0 1 右转弯 灯灭 按D4D5D6顺序循环点亮 1 0 左转弯 按D1D2D3顺序循环点亮 灯灭 1 1 临时刹车 所有尾灯同时闪烁 本方案设计采用555定时器实现时钟脉冲电路，产生触发由JK触发器构成的三进制计数器的脉冲信号CP，实现三进制循环；将三进制计数器的输出信号作为74LS138译码器地址端的输入信号，从

10、而实现对灯的循环控制。通过对输入地址码的改变使译码器的不同输出端有效，再配合六个与非门实现对刹车和正常运行等运行情况时灯的闪烁情况控制，其中闪烁的频率控制由555定时器设计完成，而对于转弯时尾灯的循环点亮则由三进制计算器的输出作为38译码器的地址输入端实现。其系统框图见图1-2所示。 二 基本理论知识 2.1 主要芯片介绍 2.1.1 555定时器 555定时器是美国Signetics公司1972年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路，因输入端设计有三个5k的电阻而得名。此电路后来竟风靡世界。目前，流行的产品主要有4个：BJT两个：555，556（含有两个555）；CMOS两个：7555

11、，7556（含有两个7555）。555定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范。 555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V16V工作，7555可在3V18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容13。其内部电路框图及外引脚排列图见图2-1。 555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作

12、为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。555定时器的内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。 555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则

13、C1的输出为0，C2的输出为1,可将RS触发器置0，使输出为0电平。 它的各个引脚功能如下： 1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。 2脚：低触发端。 3脚：输出端Vo。 4脚：是直接清零端。当端接低电平时基电路不工作，此时不论TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。 5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。 6脚：TH高触发端。 7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。 8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5V16V，CMOS

14、型时基电路VCC的范围为3V18V。 2.1.2 与非门74LS00 与非门是与门和非门的结合，先进行与运算，再进行非运算。与运算输入要求有两个，如果输入都用0和1表示的话，那么与运算的结果就是这两个数的乘积。如1和1（两端都有信号），则输出为1；1和0，则输出为0；0和0，则输出为0。与非门的结果就是对两个输入信号先进行与运算，再对此与运算结果进行非运算的结果。如图2-2和图2-3为与非门两种逻辑符号表示。在图2-2和图2-3中，A、B为输入端，C为输出端。由与非门真值表2-1可得：输入有0则输出1，输入全为1才输出0。 本次设计中用到的74LS00是常用的2输入4与非门集成电路芯片，它的作

15、用就是实现一个与非门，其引脚图见图2-4。2.1.3 异或门74LS136 异或门（Exclusive-OR gate，简称XOR gate，又称EOR gate、EXOR gate）是数字逻辑中实现逻辑异或的逻辑门，有2个输入端、1个输出端。若两个输入的电平相异，则输出为高电平1；若两个输入的电平相同，则输出为低电平0。图2-5和图2-6分别为异或门的两种逻辑符号表示。本次设计中用到的异或门集成芯片为74LS136，为3输入4异或门集成电路芯片，其引脚图见图2-7。2.1.4 JK触发器74LS76 JK触发器是数字电路触发器中的一种电路单元。JK触发器具有置0、置1、保持和翻转功能，在各类

16、集成触发器中，JK触发器的功能最为齐全。在实际应用中，它不仅有很强的通用性，而且能灵活地转换其他类型的触发器。由JK触发器可以构成D触发器和T触发器。图2-8为JK触发器的逻辑符号。 JK触发器的状态方程为： 这里Qn表示现态，Qn+1表示次态。现态表示时钟脉冲来到之前的触发器的输出状态，次态表示时钟脉冲来到之后的状态10-11。 主从型JK触发器电路图如图2-10所示。它由两个可控RS触发器串联组成，分别称为主触发器和从触发器。J和K是信号输入端。时钟CP控制主触发器和从触发器的翻转。 当CP=0时，主触发器状态不变，从触发器输出状态与主触发器的输出状态相同。 当CP=1时，输入J、K影响主

17、触发器，而从触发器状态不变。当CP从1变成0时，主触发器的状态传送到从触发器，即主从触发器是在CP下降沿到来时才使触发器翻转的。下面分四种情况来分析主从型JK触发器的逻辑功能。 (1) J=l，K=l 设时钟脉冲到来之前(CP=0)触发器的初始状态为0。这时主触发器的R=K，Q=0；S=J，1=Q，时钟脉冲到来后(CP=l)，主触发器翻转成1态。当CP从1下跳为0时，主触发器状态不变，从触发器的R=0，S=1，它也翻转成1态。反之，设触发器的初始状态为1。可以同样分析，主、从触发器都翻转成0态。可见，JK触发器在J=1，K=1的情况下，来一个时钟脉冲就翻转一次，即QQn=+1,具有计数功能。

18、(2) J=0，K=0 设触发器的初始状态为0，当CP=1时，由于主触发器的R=0，S=0，它的状态保持不变。当CP下跳时，由于从触发器的R=1，S=0，它的输出为0态，即触发器保持0态不变。如果初始状态为1，触发器亦保持1态不变。 (3) J=1，K=0 设触发器的初始状态为0。当CP=l时，由于主触发器的R=0，S=1，它翻转成1态。当CP下跳时，由于从触发器的R=0，S=1。也翻转成1态。如果触发器的初始状态为1，当CP=1时，由于主触发器的R=0，S=0，它保持原态不变；在CP从1下跳为0时，由于从触发器的R=0，S=1，也保持1态。 (4) J=0，K=1 设触发器的初始状态为1态。

19、当CP=1时，由于主触发器的R=1，S=0，它翻转成0态。当CP下跳时，从触发器也翻转成0态。如果触发器的初始状态为0态，当CP=1时，由于主触发器的R=0，S=0，它保持原态不变；在CP从1下跳为0时，由于从触发器的R=1，S=0，也保持0态。 本次设计中使用的JK触发器集成芯片为74LS76，74LS76是带有预置和清零输入的双JK触发器，属于下降沿触发的边沿触发器，其特性方程同样为74LS76触发器的引脚如下图2-11所示，共16个引脚，其功能表和真值表分别见表2-3和表2-4。 2.1.5 3线8线译码器74LS138 译码器是一种具有“翻译”功能的逻辑电路，这种电路能将输入二进制代码

20、的各种状态，按照其原意翻译成对应的输出信号。有一些译码器设有一个和多个使能控制输入端，又成为片选端，用来控制允许译码或禁止译码。 74LS138是一种译码器 ，由于74LS138有3个输入端、8个输出端，所以，又称为3线8线译码器。三个输入端CBA共有8种状态组合（000111），可译出8个输出信号Y0Y7。这种译码器设有三个使能输入端，当E1与E2均为0，且E1为1时，译码器处于工作状态，输出低电平。当译码器被禁止时，输出高电平。 当一个选通端E1为高电平，另两个选通端E2和E3为低电平时，可将地址端A、B、C的二进制编码在Y0至Y7对应的输出端以低电平译出。比如：ABC=110时，则Y6输

21、出端有效，输出低电平信号。 图2-12所示为74LS138的引脚图。图中A、B、C为译码地址输入端；E1、E2、E3三个端口为选通端；Y0Y7为译码输出端（低电平有效）。表2-5为3线8译码器74LS138的功能表。 2.2 各单元电路设计 2.2.1 555时钟脉冲电路设计 由于555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰12。而且本次控制电路的设计中对脉冲精度要求不高，只要能实现可调即可。故在该单元电路设计中选择采用555定时器构成多谐振荡器作为脉冲产生电路。 多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转

22、到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。多谐振荡器可用作方波发生器13-14。 由555定时器构成的多谐振荡器如图2-13所示，R1，R2和C1是外接定时元件，电路中将高电平触发端（THR）和低电平触发端（TRI）并接后接到R2和C1的连接处，将放电端（DIS）接R1，R2的连接处。由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器C1两端电压UC为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出端（OUT）输出UO为高电平，放电管截止。这时，电源经R1，R2对电容C1充电，使电压Uc按指数规律上升，当Uc上升到（2/3）Vcc时，输出Uo为低电平，放电管导通

23、，把Uc从（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。充电时间常数为（R1R2）C1。 由于放电管导通，电容C1通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数随着C的放电，Uc不断下降，当Uc下降到（1/3）Vcc时，输出Uo为高电平，放电管截止，Vcc再次对电容C1充电，电路又翻转到第一暂稳态。可以理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出端可得矩形波。电路一旦起振后，Uc电压总是在（1/32/3）Vcc之间变化。图2-14所示为其工作波形。根据图

24、2-14可以确定振荡周期为：T=TPH+TPL； TPH对应充电时间为：TPH=0.7（R1+R2）C； TPL对应充电时间为：TPL=0.7R2C； 振荡周期为：T=TPH+TPL=0.7(R1+R2)C； 振荡频率为：f=1/T。 当取R1=10K,R2=510K,C=1Uf时,可算出产生的频率为1HZ,即使得振荡周期为1S。 2.2.2 三进制循环控制电路设计 要实现三进制计数，其状态图如表2-6所示。 根据JK触发器的状态激励方程nnnQKQJQ+=+1可得出：J=Q0n K=Q1n 三进制计数器可由两个JK触发器连接实现。其电路图如2-15所示。 2.2.3 开关控制电路设计 因为设

25、计中要控制汽车的四种运行状态，所以至少要通过两个开关的不同闭、合组合来表示四种不同的状态。假设两个控制开关分别为S0、S1。 设译码器和显示驱动电路的使能端控制信号分别为G和A，G与译码器74LS138的使能输入端G1相连接，A与现实驱动电路中与非门的一端相连接。根据总体功能表分析及组合的G、A与给定条件开关（S1、S0、CP）的关系真值表如表2-7所示。 2.2.4 译码及显示驱动电路设计 译码与驱动显示电路采用74LS138、六个与非门和六个反相器组成。74LS138的三个输入端C、B、A分别接入S0、Q1、Q0,当S1=1，S0=0时，使能端信号A=G=1,计数器的状态为00、01、10

26、时，译码器对应输出端Y0、Y1、Y2依次为低电平有效,经与非门及使得与R3、R4、R5相连的指示灯d1d2d3按顺序循环点亮，示意汽车左转弯。同理当S1=0，S0=0的时候指示灯d4d5d6按顺序循环点亮，示意汽车右转弯。当G=0,A=1时，74LS138的输出端全为1，为高电平，此时指示灯全灭，示意汽车正常行驶。而当G=0,A=CP时，所有指示灯将随CP的频率循环闪烁，示意汽车紧急刹车。其译码显示驱动电路图如图2-17所示。 三 总体电路设计 3.1 总体汽车尾灯控制电路设计原理图 根据第二章中各单元电路的设计，将555定时器构成的多谐振荡器、三进制循环控制电路、开关控制电路和译码及显示驱动

27、电路进行整合调试得到所设计的汽车尾灯控制电路的总原理图，如图3-1所示。 3.2 汽车尾灯控制电路的主要工作原理 汽车尾灯控制电路主要由开关控制电路，三进制计数器，译码电路，显示、驱动电路及555时钟脉冲电路构成。开关控制电路由异或门、二输入与非门和三输入与非门等构成；三进制计数器设计成用两片JK触发器构成；译码电路用3线8线译码器74LS138和6个与非门构成；显示、驱动电路由6个发光二极管和6个反向器构成；555时钟脉冲电路由555定时器及电阻、电容构成。 汽车左转弯或右转弯时，在555多谐振荡器所产生的时钟脉冲触发下，三进制计数器控制译码器电路顺序输出低电平，从而控制尾灯按要求循环点亮。

28、这样就实现了设计电路所需实现的功能。 两个可控制的开关S0、S1，可产生0 0、0 1、1 0、1 1四种状态。 1、开关置为0 0状态时，表示汽车处于正常运行状态，所有尾灯全部熄灭。 2、开关置为0 1状态时，表示汽车处于右转弯状态，尾灯按d4d5d6顺序循环点亮。 3、开关置为1 0状态时，表示汽车处于左转弯状态，尾灯按d1d2d3顺序循环点亮。 4、 开关置为 1 1状态时，表示汽车处于刹车状态，所有尾灯随时钟脉冲CP同时闪烁。 例如开关S1闭合，S0断开，即开关S1S0=10，与开关相连的异或门输出为高电平“1”，此时使得38译码器的使能端E3有效，3线8线译码器正常工作；译码器的地址

29、端C端与开关S0相连，因为S0断开，所以S0端为“0”，而三进制计数器在多谐振荡器的输出脉冲触发下实现000110的三进制循环，即译码器的BA两端口输入信号依次为000110，结合此时C端输入信号“0”，则译码器译码地址输入端CBA信号分别为000001010，经译码器译码后，译码器输出端Y0Y1Y2循环为低电平（输出有效），此时D1D2D3被循环点亮。因开关S0断开，译码器C端为低电平，所以D4D5D6熄灭。这样就完成了汽车左转弯时尾灯的控制。同理得到在开关S1S0=00、S1S0=01、S1S0=11时所设计的电路同样能实现汽车尾灯正常行驶、右拐弯和紧急刹车控制的功能。开关S1、S0都闭合

30、，汽车紧急刹车，所有尾灯D1D6循环闪烁。开关S1、S0都断开，汽车正常行驶，所有尾灯D1D6熄灭。开关S1断开，S0闭合，汽车右拐弯，尾灯D4D6循环闪烁，D1D3熄灭。 开关S1闭合，S0断开，汽车左拐弯，尾灯D1D3循环闪烁，尾灯D4D6熄灭。五 总结 五年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 通过汽车尾灯控制电路的设计，使我了解到数字电路及其芯片的应用面广，功能强大，使用方便，并且已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的各个方面。本次基于数字电路的汽车尾灯控制电路设计经过了整体分析、模块化分析、整体与模块的分析结合这样三个步骤，最终实现了设计要求的功能。在设计过