汽车尾灯控制器设计——.doc

武汉理工大学《数字电子技术基础》课程设计说明书

2、设计要求与思路
2.1 设计目的与要求
设计目的：设计一个汽车尾灯控制器，实现对汽车尾灯状态的控制。
设计要求：在汽车尾部左右两侧各有3个指示灯（假定用发光二极管模拟），根据汽车运行的状况，指示灯需具有四种不同的状态：①汽车正向行驶时，左右两侧的指示灯处于熄灭状态。 ②汽车向右转弯行驶时，右侧的三个指示灯按右循环顺序点亮 ③汽车向左转弯行驶时，左侧的三个指示灯按左循环顺序点亮 ④汽车临时刹车时，左右两侧指示灯处于同时闪烁状态

2.2 设计思路与构想
总体设计思路与构想：初步确定本次设计实验分为三个步骤进行：第一步设计出秒脉冲电路，第二步设计三进制电路，第三步控制开关的状态组合。

2.2.1汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系

为了区分汽车尾灯的4种不同的显示模式，需设置2个状态控制变量。假定用开关K1和K0进行显示模式控制，可列出汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系，如表2.1所示。

表2.1　汽车尾灯和汽车运行状态
开关控制
汽车运行状态
左转尾灯
右转尾灯
K2
K1
D1 D2 D3
D4 D5 D6
0
0
正常运行
灯灭
0
1
右转弯
按D3、D2、D1顺序循环点亮
灯灭
1
0
左转弯
灯灭
按D4、D5、D6顺序循环点亮
1
1
临时刹车
所有尾灯同时闪烁

2.2.2汽车尾灯控制器功能描述

  在汽车左右转弯行驶时由于3 个指示灯被循环顺序点亮，所以可用一个三进制计数器的状态控制译码器电路顺序输出高电平，按要求顺序点亮3个指示灯。设三进制计数器的状态用Q1和Q0表示，可得出描述指示灯D1、D2、D3、D4、D5、D6与开关控制变量K1、K0，计数器的状态Q1、Q0以及时钟脉冲CP之间关系的功能表如表2.2所示（表中指示灯的状态“1”表示点亮，“0”表示熄灭）。

表2.2　汽车尾灯控制器功能表
控制变量
计数器状态
汽车尾灯
K1
K0
Q1
Q0
D1  D2  D3
D4  D5  D6
0
0
d
d
0 0 0
0 0 0
0
1
0
0
1
0
1
0
0 0 1
0 1 0
1 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
1
0
0
0
1
0
1
0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
1 0 0
0 1 0
0 0 1
1
1
d
d
cp cp cp
cp cp cp
根据以上设计分析与功能描述，可以得出汽车尾灯控制器的结构框图，如下图所示。

   结合以上设计分析与功能描述，在原假设设计思路和构想上，可得出汽车尾灯控制器的结构框图。整个电路可由秒脉冲电路、开关控制电路、三进制电路、译码与显示驱动电路、尾灯状态显示5部分组成。
3、单元电路设计
3.1 秒脉冲电路的设计
 3.1.1方案一：石英晶体振荡器：
此电路的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。此电路非常适合秒脉冲发生器的设计，但由于尽量和课堂知识联系起来，所以没有采用此电路。
3.1.2方案二：由555定时器构成的多谐振荡器：
由555定时器构成的多谐振荡器。555定时器的管脚图如图3.1所示。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。因此采用此方案。图3.1 555定时器的引脚图

图3.1 555定时器的引脚图
由于本次实验对脉冲的要求不高，同时根据实验要求，只要设计出一个频率为1Hz的秒脉冲即可。此时采用简单的由555构成的多谐振荡器，电路原理如图3.2所示。

图3.2用NE555制作脉冲发生器的原理图

图3.2.1 产生脉冲波形图

3.2 开关控制电路的设计
设译码器与显示驱动电路的使能控制信号为G和F（U4的5端），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，K1、K0以及时钟脉冲CP之间的关系如表3.1所示。
表3.1  使能控制信号与开关控制变量、时钟脉冲的关系
开关控制
时钟脉冲
使能控制信号
电路工作状态
K1
K0
CP
E
F
0
0
d
0
0
 汽车正常行驶（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）
0
1
d
1
1
汽车右转弯行驶（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） 
1
0
d
1
1
汽车左转弯行驶（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）
1
1
cp
0
cp
汽车临时刹车（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）
根据G和F的逻辑表达式

可画出开关控制电路。如图3.3所示

图3.3 开关控制电路
3.3 三进制计数器电路的设计
三进制计数器的状态表如表3.2所示。

表3.2 三进制计数器的状态表

现态
次态
Q1
Q0
Q1
Q0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
清零

3.3.1方案一：由J-K触发器构成的三进制计数器；

由于电路中只需采用一片双J-K触发器74LS76芯片即可（7476芯片引脚图如图3.7所示），因此电路结构简单，成本低，所以选用此方案。
3.3.2方案二：由D触发器构成的三进制计数器：
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。由于电路结构较之上一方案有点复杂，而且需要三个芯片（至少两个），成本较高，因此不采用此方案。图3.4为74LS76引脚图，利用74LS76实现三进制计数电路如图3.5所示。

图3.4 74LS76芯片引脚图

图3.5 三进制计数器
3.4 译码与显示驱动电路的设计
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(其功能表如表3.3所示)、6个反相器构成。
1.图中，译码器74LS138的输入端C、B、A分别接K1、Q1、Q0。当图中G=F=0、K1=0时，对于计数器状态Q1Q0为00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯D1、D2、D3对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯D1、D2、D3依次顺序点亮，示意汽车左转弯；
2.当图中G=F=0、K1=1时，对于计数器状态Q1Q0为00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯D4、D5、D6对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯D4、D5、D6依次顺序点亮，示意汽车右转弯；
3 .当图中G=0，F=0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；
4. 当图中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。表3.3为74LS138译码器的功能真值表。74LS138译码器接法如图3.7所示。

图3.6 74LS138译码器引脚图
表3.3 74LS138功能表

图3.7 74LS138控制译码显示电路

3.5 尾灯状态显示电路的设计
尾灯状态显示电路可由6个发光二极管和1个电阻组成，图3.8中，当6个反相器的输出为低电平时，相应发光二极管被点亮。

图3.8 二极管发光电位

4、电路仿真与分析
4.1 电路仿真总电路图

图4.1 汽车尾灯控制器电路原理图
4.2 汽车尾灯控制器电路的工作原理
其工作原理图如图4.1所示，经过以上所述的设计内容及要求的分析，可以图4.1汽车尾灯控制器电路原理图
将电路分为以下几部分：
  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二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，Q1、Q2分别接到74LS138的QA、QB上，此信号提供左转、右转的原始信号，通过控制QC端来实现左转、右转。
  最后，左转、右转的原始信号输出的有效电平为低电平，所以直接接到发光二极管的负极，而且6个非门以及由控制端F和CP信号作为输入的74LS00提供的高低电位信号，同样接到左、右的3个汽车尾灯的负极。发光二极管的正极经电阻接到电源，这样只要发光二级管负极输入低电平就发亮。
4.3 参数计算与器件选择
1电容：
考虑到市场上电容值较少，本次课设中涉及到的电容直接给它定值，C1=0.47uF，C2=0.01uF。
2电阻：
1．秒脉冲部分的电阻：由于f为1Hz左右适合观察即可，根据公式：f=1.43/C(R1+2R2)，所以选取R1=10kΩ，R2=1500kΩ，C1= 0..47μF。
2．发光二极管上拉电阻：由于红色发光二极管的压降为2V左右，而电源电压才5V。为了使二极管发光强度达到要求，上拉电阻不能太大，大约20Ω左右。
3．其他电阻可选为10kΩ即可。
4.4 实验现象
SW1、SW2全部闭合时，六个灯全部闪烁；
SW1、SW2全部断开时，六个灯全部熄灭；
SW1闭合，SW2断开时，D1、D2、D3右循环点亮；
SW1断开，SW2闭合时，D4、D5、D6左循环点亮；

5、元器件清单
表5.1元件清单
名称
规格
数量
电阻
1500 KΩ
1
10KΩ
4
20Ω
1
电容
0．01μF/25V
1
0..47μF/25V
1
开关
-----
2
发光二极管
红
6
NE555
-----
1
74LS00
-----
2
74LS04
-----
2
74LS138
-----
1
74LS76
-----
1
74LS86
-----
1
导线
-----
若干

7、参考文献
[1].屠其非 LED用于汽车尾灯的展望 上海 光源与照明出版社 2001
[2].姚福安 电子电路设计与实践 山东  山东科学技术出版社 2002
[3].康华光 数字电子基础 北京 高等教育出版社 1999
[4].傅晓林 电子技术课程设计实用教程 重庆 重庆交通学院电工电子出版社 2006
[5].路勇 电子电路实验及仿真 北京 清华大学出版社 2004

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