汽车尾灯控制电路课程设计

绪论1.1课题研究背景及意义现代汽车尾灯是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，而提出的最早的一种尾灯结构形式。它是在电灯技术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。到如今已经发展出了各种各样绚丽多彩的尾灯形式。老式汽车尾灯通常是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而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]。现代汽车尾灯控制电路一般是用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设计主要内容本文主要从开关控制电路、译码电路、显示驱动电路、三进制计数器及脉冲发生电路5个部分出发。采用开关电路消除无关状态，使其单纯实现2个开关控制4个状态设计要求；时钟脉冲电路主要采用555定时电路实现输出稳定的1HZ时钟脉冲；采用四位二进制同步加法计数器74LS161来改装构成三进制计数器（时序电路）配合3线-8线译码器从而实现不同状态的显示要求。使其5个部分相互配合从而实现刹车时车尾灯闪烁、左右转弯时车尾灯左右循环点亮的设计要求。

2设计方案选取与论证1.1设计任务及要求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、S2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。（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。1.2方案论述与选择1.2.1设计思路及流程分析设计要求知应设计一个汽车尾灯控制电路，用6个发光二级管模拟汽车尾灯，即应有三个左转向尾灯（L1L2L3）和三个右转向尾灯（D1D2D3）。再用两个开关（S0S1）分别控制左转弯尾灯和右转弯尾灯在不同状态下的显示：当右转向开关打开时，右转向尾灯的3个发光二级管向右循环显示；DD1D2D3D1D2D3D1D2D3图图SEQ图\*ARABIC1 右转向显示规律图LL1L22L33L1L2L3L1L2L3图图SEQ图\*ARABIC2 左转向显示规律图图图SEQ图\*ARABIC3刹车显示规律图D1D2D3D1D2D3D1D2D3D1D2D3D1D2D3D1D2D3由任务要求得出具体汽车尾灯状态分析如下表REF_Ref40125058\h表1：表SEQ表\*ARABIC1 汽车尾灯状态分析表开关控制汽车运行状态右转向尾灯左转向尾灯S0S1D1D2D3L1L2L300正常行驶熄灭熄灭01右转弯D1D2D3D1熄灭10左转弯熄灭L1L2L3L111刹车闪烁闪烁根据上述设计要求分析研究后，整理得出实现要求功能需要由开关控制电路、译码电路、显示驱动电路、三进制计数器及脉冲发生电路5个部分组成，并且分析可知，时钟脉冲电路大多采用555定时器驱动，译码与显示驱动电路在数电大致采用3线-8线译码器搭配LED实现，故上述两种分电路不做方案论证，接下来我将以时序电路为中心进行分析，设计相关方案。1.2.2方案论述与确定在设计初期共提出三种设计方案：（1）方案一：以单片机为核心部件，实现其对6个车尾灯（LED）的简单易行控制，而且稳定性很高。单片机通过编写代码指令代可以很容易的控制LED的闪烁方式，并且给单片机产生外部中断，达到独立按键来模拟左右转及刹车。故此电路可以使用单片机来实现，但此方案方式不符合课设要求采用数电内容设计电路图，故排除。（2）方案二：利用晶振分频电路实现时钟脉冲信号CP，触发移位寄存器74LS197，从而使移位寄存器循环输出状态信号，再配合六个与非门实现对刹车和正常运行等运行情况时尾灯的闪烁情况控制，实现灯的循环点亮。模拟运行时发现电路可能存在竞争冒险，这将会使尾灯在闪烁时出现不自然的中间过程，故排除。（3）方案三：采用以为逻辑门电路为核心的时序电路，通过查询资料获知，可通过555定时器产生的脉冲信号作为计数器和刹车触发信号，再由计数器构成的三进制计数器，产生00-01-10-00循环信号实现车尾灯左转和右转显示，用开关电路产生的两个输入作为3线-8线译码器74LS138的使能端和高位输入，即让74LS138输入端输入000-001-010或100-101-110循环信号，从而实现设计任务中左转右转的要求，同时通过开关控制74LS138译码器的高电平有效使能端，使其达到刹车的任务要求。通过查询相关资料获出，74LS161和jk触发器均可实现上述00-01-10-00信号循环输出要求，虽然74LS161不是课程所学芯片，接触不深，但查询资料得知使用74LS161可使电路更为的精简，另一方面也能提升电路的稳定性，降低运行时的出错可能性。故最后决定使用74LS161作为时序计数电路核心部件。此方案论证最为可行，故最终采用。1.2.3设计方案框图根据以上分析与方案确立，可得出汽车尾灯控制电路结构图由：开关控制电路、译码电路、显示驱动电路、三进制计数器及脉冲发生电路组成。如下REF_Ref40131372\h图4所示。图SEQ图\*ARABIC4图SEQ图\*ARABIC4汽车尾灯控制电路设计框图开关控制电路S1 S2三进制计数器译码电路显示驱动电路脉冲发生电路尾灯显示电路3硬件电路设计3.1开关控制电路开关S0、S1分别通过与一个电阻相连而后接地线，另一端连接电源正极，就可实现0和1的功能输出，如下表表2所示。然后再通过译码电路和显示驱动电路的输入端与开关控制电路的输出端相连，同时也将时钟电路的输出与开关控制电路的一个非门输入端相连，进而就可控制尾灯闪烁时间。最终组成电路如下图REF_Ref40131445\h图5所示。表2开关电路真值表S0S1CPGA00X0101X1110X1111CP0CP图图SEQ图\*ARABIC5开关控制电路开关控制电路所用芯片如下：输入输出ABCYXX01X0X10XX11110表374LS10真值表图SEQ图\*ARABIC674LS10引脚图(1)表374LS10真值表图SEQ图\*ARABIC674LS10引脚图(2)74LS86是二输入异或门电路芯片，即Y=AB=B+A。其引脚图与真值表如下：图SEQ图\*ARABIC7图SEQ图\*ARABIC774LS86引脚图与真值表图SEQ图\*ARABIC8译码电路图译码电路由3-8线译码器74LS138构成。74LS138的三个输入端A2、A1、A0分别接S1、Q1、Q0，而Q1Q0是三进制计数器的输出端。当S1=0、S0=1,使能信号A=G=1，计数器的状态为00，01，10时，74LS138对应的输出端0Y,1Y,2Y依次为0有效(4Y,5Y,6Y信号为“1”无效)，即反相器G1～G3的输出端也依次为0，故指示灯D1→D2→D3按顺序点亮示意汽车右转弯。若上述条件不变，而S1=1、S0=0，则74LS138对应的输出端4Y、5Y、6Y依次为0有效，即反相器G4～G6的输出端依次为0，故指示灯L1→L2→L3按顺序点亮，示意汽车左转弯。当G=0，A=1时，74LS138的图SEQ图\*ARABIC8译码电路图译码电路所用芯片74LS138为三八译码器。其引脚图与真值表如下：图图SEQ图\*ARABIC974LS138引脚图图图SEQ图\*ARABIC1074LS138内部逻辑图表474LS138真值表输入输出S12+3A2A1A0012345670XXXX11111111X1XXX11111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111103.3三进制计数器汽车左或右转向时由于是三个指示灯循环点亮，所以用三进制计数器控制译码电路按顺序输出低电平，进而达到设计要求，由此可得出每种状态下尾灯与给定条件的关系。表5开关与汽车尾灯电平关系开关三进制计数器转向尾灯S1S2Q1Q2D1D2D3L1L2L300XX11111100100000010101000010001000000001001001000010110000011111CP三进制计数器可用触发器级联构成也可以由集成计数器改装构成，考虑到直接用计数器比用触发器构成计数器电路结构更为简单，因此最终设计选用四位二进制同步加法计数器74LS161来改装构成三进制计数器。设计电路如下图所示：图图SEQ图\*ARABIC11三进制计数器电路三进制计数器所用74LS161芯片引脚图和真值表如下所示：图SEQ图图SEQ图\*ARABIC1274LS161引脚图图SEQ图\*ARABIC1374LS161真值表3.4脉冲发生电路由于555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定,不易受干扰。而且本实验中控制电路对脉冲精度要求不高,只要能实现可调即可。故选择采用NE555构成多谐振荡器作为脉冲发生电路。555定时器构成的时钟脉冲电路可以为整个电路的功能实现提供了一个持续时长为1S的CP周期脉冲，从而使接下来的计数器实现其相关功能，输出00-01-10的循环信号。同时其也可以直接与显示电路相接，从而使全部车尾灯达到闪烁时间为1秒的周期性闪烁。最终设计电路如下图所示：图图SEQ图\*ARABIC14脉冲发生电路脉冲发生电路所用NE555芯片引脚图和功能表如下所示：图图SEQ图\*ARABIC15NE555引脚图图图SEQ图\*ARABIC16NE555功能表3.5显示驱动与尾灯显示电路显示驱动与尾灯显示电路由6个发光二极管和6个反相器构成：汽车正常运行时发光二极管全部熄灭；右转向时D1D2D3按右循环依次点亮；左转向时L1L2L3发光二极管按左循环依次点亮；刹车时所有发光二极管同时随CP信号频率闪烁。最终设计电路如下图所示：图SEQ图\*ARABIC图SEQ图\*ARABIC17显示驱动与尾灯显示电路4电路测试与仿真4.1Proteus简介Proteus软件是由英国LabcenterElectronics公司开发的EDA工具软件，已有近20年的历史，在全球得到了广泛的应用。Proteus软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全、界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上少有的能将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，并在持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。Proteus著名的功能特点：(1)互动的电路仿真，用户甚至可以实时采用诸如RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件。(2)仿真处理器及其外围电路。Proteus可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程、再配合显示及输出、能看到运行后输入输出的效果。配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等、Proteus建立了完备的电子设计开发环境。Proteus具有的4大功能模块：(1)智能原理图设计(ISIS)丰富的器件库：超过27000种元器件、可方便地创建新元件;智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件;智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷、大大缩短绘图时间;支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰;可输出高质量图纸：通过个性化设置、可以生成印刷质量的BMP图纸、可以方便地供WORD、POWERPOINT等多种文档使用。(2)完善的电路仿真功能(Prospice)prospice混合仿真：基于工业标准SPICE3F5、实现数字/模拟电路的混合仿真;超过27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE文件自行设计仿真器件、Labcenter也在不断地发布新的仿真器件、还可导入第三方发布的仿真器件;多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频(使用wav文件)、指数信号、单频FM、数字时钟和码流、还支持文件形式的信号输入;丰富的虚拟仪器：13种虚拟仪器、面板操作逼真、如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/电流表、交流电压/电流表、数字图案发生器、频率计/计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI调试器、I2C调试器等;生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平、导线以不同颜色表示其对地电压大小、结合动态器件(如电机、显示器件、按钮)的使用可以使仿真更加直观、生动;高级图形仿真功能(ASF)：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标、包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等、还可以进行一致性分析;(3)独特的单片机协同仿真功能(VSM)支持主流的CPU类型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等、CPU类型随着版本升级还在继续增加、如即将支持CORTEX、DSP处理器;支持通用外设模型：如字符LCD模块、图形LCD模块、LED点阵、LED七段显示模块、键盘/按键、直流/步进/伺服电机、RS232虚拟终端、电子温度计等等、其COMPIM(COM口物理接口模型)还可以使仿真电路通过PC机串口和外部电路实现双向异步串行通信;实时仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中断仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真;编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/编译/源码级仿真、内带8051、AVR、PIC的汇编编译器、也可以与第三方集成编译环境(如IAR、Keil和Hitech)结合、进行高级语言的源码级仿真和调试。4.2利用Proteus进行电路仿真（1）当汽车正常行驶时S0S1处于00状态，发光二极管全部熄灭，仿真结果如下图所示：图SEQ图\*ARABIC18汽车正常行驶仿真图（图SEQ图\*ARABIC18汽车正常行驶仿真图图SEQ图\*ARABIC图SEQ图\*ARABIC19汽车右转向仿真图（3）当汽车左转向时，S0S1处于10状态，左转向尾灯L1L2L3向左循环点亮，仿真结果如下图所示：图SEQ图\*ARABIC20汽车左转向仿真图图SEQ图\*ARABIC20汽车左转向仿真图图SEQ图\*ARABIC图SEQ图\*ARABIC21汽车刹车仿真图5结论通过本次数字逻辑电路课程设计，在一周的实习学习期间内，为完成课程任务自己查阅了大量资料同时加深了自己对数字逻辑电路的理解，也掌握了几种芯片的使用方法，学会了数字逻辑电路设计的基本步骤和方法。老师给我们讲解原理时，我们发现这次课程设计并不难。但到自己实践时，会发现总是会遇到各种各样想不到的阻碍。需要将数电课本上的知识灵活的运用进来。在设计时我发现先要进行每个模块的设计，然后再将每个模块联合起来。所有我首先要分析汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系，然后对汽车尾灯控制器进行功能描述，确定汽车尾灯控制器的结构框图，最后进行电路设计。在电路设计过程中，先进行模块控制电路的设计，然后用到了74LS161构造一个三进制计数器，再进行开关的设计，再设计译码与显示电路，最后用6个发光二极管组成尾灯状态显示电路，各个结构的电路设计好了之后，组合起来就成了设计好了的汽车尾灯控制器的逻辑电路。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，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相结合起来，从理论中得出结论，才能真正学以致用，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。由于设计车尾灯控制电路方案繁多，在最终决定设计方案时，比较了诸多方案的优劣简易程度，并对其进行了分析，因此也对数电里的基本时序电路和组合逻辑电路的知识进行了复习与深入理解，进一步增进了对一些常见逻辑器件的了