汽车尾灯显示控制电路设计.doc

毕业论文(设计）

题目

学生姓名
学 号
年级专业
所 在 系
指导教师 职称
完成时间 年
23

目　录
1　诸论 3
2电路框图设计 4
3　单元电路设计 5
3.1秒脉冲电路的设计 5
3.2开关控制电路的设计 7
3.3三进制计数器电路的设计 7
3.4译码与显示驱动电路的设计 8
3.5尾灯状态显示电路的设计 11
4　 电路总图 12
５　仿真及结果分析 13
结束语 19
致谢
参考文献 20
附录 21

摘　要
设计一个控制汽车六个尾灯的电路，用六个指示灯模拟六个尾灯（汽车尾部左右每侧三个灯），并用两个拨动式（乒乓）开关作为转弯信号源；一个兵乓开关用于指示右转弯，一个乒乓开关用于指示左转弯，如果两个乒乓开关都被接通，说明驾驶员是一个外行，紧急闪烁器起作用。右转弯时三个右边的灯应动作，左边的灯则全灭，右边的灯周期性明亮与暗。同时，电路还用一个开关模拟脚踏制动器，制动时，若转弯开关未合上（或错误地将两个开关均合上的情况）所有六个尾灯均连续燃亮，在转弯的情况下，三个转向的尾灯应正常动作，另三个尾灯连续亮。另一个开关模拟停车，停车时，全部尾灯亮度为正常的一半开关模拟停车，停车时，全部尾灯亮度为正常的一半。
关键词　555定时器；JK触发器；译码器
1诸论
深呼吸一口气，似乎预示着黎明将要到来，在经过了几天的设计后，现在，终于确定了最后的方案。整理了一下这几天的设计过程，发现自己对数字电路的了解，才只是刚刚入门。
本设计作为数字电子技术的重要组成部分，目的是一方面使我们能够进一步理解课程内容，基本掌握数字系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养我们的实际动手能力以及分析、解决问题的能力。
另一方面也可使我们更好地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计中小型数字系统的方法，独立完成调试过程，增强我们理论联系实际的能力，提高电路分析和设计能力。通过实践引导我们在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。通过设计，一方面可以加深我们的理论知识，另一方面也可以提高我们考虑问题的全面性，将理论知识上升到一个实践的阶段。这个电路的设计尽管简单，但这个却是我运用数字电路的知识进行的第一次的实践，在这次的实践过程中，既有在刚面对棘手问题的束手无策，也有费尽心思后成功解决问题的兴奋。经过这次坎坷曲折的设计，我对数字电路在日常生产生活过程中的广泛应用又有了更深入的认识，我相信，这次的课程设计，将给予我在今后的学习中发现问题并解决问题时更多必胜的信心！
2　电路框图设计
整体电路由秒脉冲电路、开关控制电路、三进制计数器电路、译码与显示驱动电路、尾灯状态显示电路5个部分组成，如图2-1所示。
译码、显示驱动电路
图2-1　电路总体框图
开关控制电路
秒脉冲电路
尾灯状态显示电路
三进制计数器电路

开关控制电路：控制汽车正常行驶、汽车右转弯行驶、汽车左转弯行驶、汽车临时刹车。
三进制计数器电路：由J-K触发器构成的三进制计数器，电路结构简单，成本低。双J-K触发器构成的三进制计数器用于产生00、01、10的循环信号，此信号提供左转、右转的原始信号。
秒脉冲电路：通过555定时器构成的多谐振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，该脉冲信号用于提供给双J-K触发器构成的三进制计数器和开关控制电路中的三输入与非门的输入信号。
译码、显示驱动电路：在开关控制电路输出和三进制计数器状态的作用下，提供6个尾灯控制信号，当译码驱动电路输出的控制信号为低电平时，相应指示灯点亮。因此，译码与显示驱动电路可用74LS138、6个与非门和4个与门构成。
尾灯状态显示电路：由6个灯泡组成，左转、右转的原始信号通过6个与非门，4个与门以及74LS10提供的高低电位信号，将原始信号分别输出到左、右的3个汽车尾灯上，6个反相器的输出为低电平时，相应灯泡被点亮。
3 单元电路设计
3.1秒脉冲电路的设计
秒脉冲电路可由石英晶体震荡器构成，振荡频率仅取决于石英晶体的串联谐振频率fs，而与电路中的R、C的值无关。所以此电路能够得到频率稳定性极高的脉冲波形，它的缺点就是频率不能调节，而且频带窄，不能用于宽带滤波。还可以用555定时器构成秒脉冲电路，这里选用555定时器设计秒脉冲电路。
1.555定时器芯片
555定时器管脚排列图如图3-1所示。

图3-1　555定时器的引脚图
555定时器的引脚功能：GND　(接地)地线(或共同接地)，通常被连接到电路共同接地。
TR　(触发点)这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3Vcc，下缘须低于1/3Vcc。
Q　(输出)当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200mA。
R　(重置)一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。
CV　(控制)这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
TH　(重置锁定)Pin6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3Vcc电压以下移至2/3Vcc以上时启动这个动作。
DC　(放电)这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。
VCC　(V+)这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
2.555定时器构成的多谐振荡器
由于555定时器内部的比较器灵敏度高，输出驱动电流大，功能灵活，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。所以由555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰。因此我选用由555定时器构成的多谐振荡器作为汽车尾灯显示控制电路秒脉冲电路。由555定时器构成的多谐振荡器如图3-2所示。

图3-2　多谐振荡器电路
根据多谐振荡器频率计算公式f=1.5/(R1+2R2)C知,当电路频率需要1Hz时，选取R1=0.5KΩ，R2=0.5KΩ，C1=C2=1mF，其他电阻可选为200Ω,当555定时器由Q接脚输出电平后通过C2后流入C接脚来调整输出频率（由于C1=C2=1mF）根据多谐振荡器频率计算公式f=1.5/(R1+2R2)C,可以得出1Hz的频率，从而达到要求实现多谐振荡电路。
3.2开关控制电路的设计
对于开关控制电路的设计，我采用3个开关来对其进行控制，其中两个用于对尾灯电路显示的控制，虽然简单，但其效果非常明显，通过对开关的调控来实现尾灯的显示，电路如图3-3所示。

图3-3　开关控制电路
开关控制电路的设计由3个开关来对其进行控制，分别是SW3、SW1、SW2,（SW3开关在总图的最左边，这里并没有画出来，SW0开关主要用于控制74LS138芯片的输入，当SW3闭合时74LS138芯片输出信号，断开时没有信号输出），SW1闭合时信号输入U6:B与门，断开时没有信号输入，SW2闭合时信号分别输入U7:A、U3:D与非门，断开时没有信号输入，通过SW3、SW1、SW2,三个开关控制信号的输入输出，来实现开关控制电路。
3.3三进制计数器电路的设计
三进制计数器电路可以有多种触发器构成，如D触发器、J-K触发器等，两个D触发器可由一片双D触发器74LS74芯片实现，以及74LS00与非门和74LS04非门来实现此电路。由于电路结构较之74LS76有点复杂，而且需要三个芯片（至少两个），成本较高，因此不采用双D触发器74LS74芯片，在这里我选用的芯片由双J-K触发器74LS76芯片构成的三进制计数器如图3-4所示。

图3-4　三进制计数器电路图
通过此此图我们可以看出三进制计数器的状态变化和关系，当1个脉冲时接Q端或接Q’端都输出高电平，1个脉冲的干扰信号，大约＋2V，当3个脉冲之后，74LS76芯片就正常触发了，高电平从Q端出来，接个非门就把初始输出的高电平变为低电平了，从而构成三进制计数器电路，所以用双J-K触发器74LS76芯片构成的三进制计数器，简单易懂，而且便于操作及其功能显示也不错，电路结构简单，成本低，所以我选用此芯片来实现功能。
3.4译码与显示驱动电路的设计
在目前市场上芯片的多样化越来越明显了，其实有很多芯片都可以用来实现译码与显示驱动电路的作用，其特点是各有千秋。但是为了使显示状态满足要求，我采取了用74LS138这块芯片来实现其电路功能，在74LS138输出端有相应门电路控制灯泡显示，译码与显示驱动电路选用的译码器管脚图如图3-5所示。

图3-5　74LS138译码器管脚图
译码与显示驱动电路的功能是：在开关控制电路输出和三进制计数器状态的作用下，提供6个尾灯控制信号，当译码驱动电路输出的控制信号为低电平时，相应指示灯点亮。因此，译码与显示驱动电路可用74LS138、6个与非门和4个与门构成。图3-5中，译码器74LS138的输入端Y2、Y1、Y0分别接SW2、Q’、Q。当表中G=F=1、SW2=0时，对于计数器状态Q’Q为00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯D1、D2、D3对应的输出依次为低电平，从而使指示灯D1、D2、D3依次顺序点亮，示意汽车右转弯；当表中G=F=1、SW2=1时，对于计数器状态Q’Q为00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯D4、D5、D6对应的输出依次为低电平，从而使指示灯D4、D5、D6依次顺序点亮，示意汽车左转弯；当表中G=0，F=1时，译码器输出为全1，使所有指示灯对应的反相器输出全部为高电平，指示灯全部熄灭；当表中G=0，F=CP时，所有指示灯随CP的频率闪烁。实现了4种不同模式下的尾灯状态显示。为了使显示状态满足要求，在74LS138输出端有相应门电路控制灯泡显示，具体如图3-6所示。

图3-6　译码与显示驱动电路图
设译码器与显示驱动电路的使能控制信号为G和F，G与译码器74LS138的使能输入端G1相连接，F与显示驱动电路中与非门的一个输入端相连接。由总体逻辑功能可知，G和F与开关控制变量，SW2、SW3以及时钟脉冲CP之间的关系如表所示。根据表，可求出使能控制信号G和F的逻辑表达式为:
G=SW2⊕SW3
如表3-1至3-4所示，列出了电路工作状态与使能控制信号和开关控制变量之间的关系。
表3-1　汽车正常行驶
电路工作状态
SW2　SW3开关控制
GF使能控制信号
正常行驶
0　0
0　1
汽车正常行驶时，此时译码器不工作，译码器输出全部为高，显示驱动电路中的与非门输出均为低，反相器输出均为高，尾灯全部熄灭。
表3-2　汽车右转弯
电路工作状态
SW2　SW3开关控制
GF使能控制信号
右转弯
0　1
1　1
汽车右转弯行驶时，此时译码器在计数器控制下工作，显示驱动电路中的与非门输出取决于译码器输出，右侧尾灯D1、D2、D3在译码器输出作用下顺序循环点亮。
表3-3　汽车左转弯
电路工作状态
SW2　SW3开关控制
GF使能控制信号
左转弯
1　0
1　1
汽车左转弯行驶时，此时译码器在计数器控制下工作，显示驱动电路中的与非门输出取决于译码器输出，左侧尾灯D4、D5、D6在译码器输出作用下顺序循环点亮。
表3-4　汽车刹车
电路工作状态
SW2　SW3开关控制
GF使能控制信号
临时刹车
1　1
0　CP
汽车临时刹车时，此时译码器不工作，译码器输出全部为高，时钟脉冲CP通过显示驱动电路中的与非门作用到反相器输出端，使左右两侧的指示灯在时钟脉冲CP作用下同时闪烁。
3.5尾灯状态显示电路的设计
目前世界上生产的汽车尾灯大多数都是用LED发光二极管，LED发光二极管不但性能稳定，而且，耐磨损、使用寿命长，所以我设计的尾灯状态显示电路采用的也是LED发光二极管构成的，电路尾灯显示电路如图3-7所示。

图3-7　尾灯显示电路
尾灯状态显示电路可由6个灯泡、4个与门、6个与非门组成，当74138芯片提供的高电平信号再经过，6个反相器的输出为低电平信号时，U2:A、U2:B、U2:C端口输出的低电平信号通过上面U4:A、U4:B两个与门后相应灯泡被点亮。同理，U2:D、U3:A、U3:B端口输出的低电平信号通过上面的U4:C、U4:D两个与门后相应的灯泡被点亮。由此可以构成汽车尾灯的显示功能。
4　电路总图
汽车尾灯显示控制电路的工作原理，其工作原理图如图4-1所示

图4-1　电路总图
经过以上所述的设计内容及要求的分析，可以将图4-1汽车尾灯控制器电路原理图分为以下几部分：首先，通过555定时器构成的多谐振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，该脉冲信号用于提供给双J-K触发器构成的三进制计数器和开关控制电路中的三输入与非门的输入信号。其次，双J-K触发器构成的三进制计数器用于产生00、01、10的循环信号，此信号提供左转、右转的原始信号。最后，左转、右转的原始信号通过6个与非门，4个与门以及7410提供的高低电位信号，将原始信号分别输出到左、右的3个汽车尾灯上，得到的信号即可输出到灯泡上，实现所需功能。
５ 仿真及结果分析
终于到了仿真的时候了，现在的仿真软件很多，如PROTEL、MULTISIM10、EWB等，本设计的仿真软件选取EWB进行仿真。
先打开EWB软件，找出所需元器件，按已知电路图连接好电路，然后修改元器件参数，打开虚拟开关。仿真电路图如5-1所示。

图5-1　汽车尾灯仿真电路总图
仿真有四种结果，具体分析如下：
1．尾灯全灭
当开关SW3、SW2、SW1都打开时，此时74LS138芯片没有信号输出，故灯都不亮。仿真电路图如图5-2所示。

图5-2　尾灯全灭仿真电路图
2．右边尾灯循环闪烁
当开关SW3、SW2打开，SW1闭合时，此时74LS138芯片C接脚输出信号，通过与门和与非门的作用后，右边尾灯依次如图5-3、5-4、5-5所示。

图5-3　右边尾灯循环闪烁仿真电路图
图5-4　右边尾灯循环闪烁仿真电路图
图5-5　右边尾灯循环闪烁仿真电路图
以后循环闪烁，此时汽车右转弯。
3．左边尾灯循环闪烁
当开关SW3、SW1打开，SW2闭合时，此时74LS138芯片C接脚输出信号，通过与门和与非门的作用后，同理，左边尾灯依次如图5-6、5-7、5-8所示。

图5-6　左边尾灯循环闪烁仿真电路图

图5-7　左边尾灯循环闪烁仿真电路图

图5-8　左边尾灯循环闪烁仿真电路图
以后循环闪烁，此时汽车左转弯。
4．尾灯全灭全亮循环闪烁
当开关SW3闭合，SW2、SW1都打开或都闭合时，此时74LS138芯片C接脚输出信号，通过与门和与非门的作用后，由于没有其他开关的控制，尾灯依次如图5-9、5-10所示。

图5-9　尾灯全灭仿真电路图

图5-10　尾灯全亮仿真电路图
以后循环闪烁，此时汽车尾灯随输入信号变化而变化。
通过以上的分析及结论，可以知道，设计的电路基本符合要求，设计也基本完成。

结束语
本次设计是我目前收获最大的一次课程设计。我是应电专业的学生，设计是我们将来必需的技能，这次设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的机会，从到图书馆查找资料到对电路的设计对电路的仿真再到最后电路的成型，都对我所学的知识进行了检验。可以说，本次设计有苦也有甜。设计思路是最重要的，只要你的设计思路是成功的，那你的设计已经成功了一半。因此我们应该在设计前做好充分的准备，像查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。制作过程是一个考验人耐心的过程，不能有丝毫的急躁，马虎，对电路的调试要一步一步来，不能急躁，因为是在电脑上调试，比较慢，又要求我们有一个比较正确的调试方法，像把频率调快等等。这又要我们要灵活处理，在不影响试验的前提下可以加快进度。要熟练地掌握课本上的知识，这样才能对试验中出现的问题进行分析解决。在整个电路的设计过程中，花费时间最多的是各个单元电路的连接及电路的细节设计上，如CP脉冲的供给通断等。在多种方案的选择中，我们仔细比较分析其原理以及可行的原因，最后还是在老师的耐心指导下，使整个电路可稳定工作。设计过程中，我深刻的体会到在设计过程中，需要反复实践，其过程很可能相当烦琐，有时花很长时间设计出来的电路还是需要重做，那时心中未免有点灰心，有时还特别想放弃，此时更加需要静下心，查找原因。总体来说，这次实习我受益匪浅。在让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到成功的喜悦和快乐。在这里，我也非常感谢各位老师的耐心辅导以及同学们的热心帮助。我忠心的感谢各位老师，你们辛苦了。
致 谢

参考文献
［1］陈小丰　建筑灯具与装饰照明手册　中国建筑工业出版社；2002
［2］梁恩主　Protel99SE电路设计与仿真　北京：清华大学出版社；2000；
［3］姚福安　著电子电路设计与实践　山东:山东科学技术出版社；2002
［4］康华光　主编数字电子基础　北京：高等教育出版社；1999
［5］杨志亮　ProtelDXP电路原理图设计　山西：西北工业大学出版社；2002
［6］路勇　主编电子电路实验及仿真　北京:清华大学出版社；2004
［7］唐程山　主编电子技术基础　北京：高等教育出版社；2005
附 录
附录一　整机电路图

附录二　元件明细表
项目代号
名称
规格
数量
备注
R1
电阻
0.5KΩ
1

R2
电阻
0.5KΩ
1

R3
电阻
200Ω
1

R4
电阻
200Ω
1

R5
电阻
200Ω
1

C1
电容
1mF/5V
1

C2
电容
1mF/5V
1

SW1~SW3
开关
SW-SPST-MOM
3

导线

若干

D1~D6
灯泡
LED
6

U2:A~U4:D
与非门
74LS00
10

U5:A~U7:B
与门
74LS08
6

U8
定时器
NE555
1

U5:A、U5:B
J-K触发器
74LS76
2

U1
译码器
74LS138
1