汽车尾灯控制器的电路设计.doc

武汉理工大学《电子科学与技术专业课程设计》课程设计说明书

《基础强化训练》报告

题 目： 汽车尾灯控制器的电路设计
专业班级： 电子科学与技术0703班
学生姓名： 田 鑫
指导教师： 钟 毅

武汉理工大学信息工程学院
2009年07月17日
基础强化训练任务书
学生姓名： 田鑫 专业班级：电子科学与技术0703班
指导教师： 钟毅 工作单位： 信息工程学院
题 目: 汽车尾灯控制器的电路设计
一、 训练目的：
主要目的就是对学生进行基础课程、基本技能、基本动手能力的强化训练，提高学生的基础理论知识、基本动手能力，提高人才培养的基本素质。
二、 初始条件：
计算机；Microsoft Office Word 软件；PROTEL软件
本设计既可以使用中、小规模集成电路芯片7400、7404、74138、7476、7486和其它器件实现对汽车尾灯显示的控制功能。本设计也可以使用单片机系统构建简易频率计。工作电源Vcc为12V。电路组成框图如图1所示：
图1汽车尾灯控制电路框图
要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1、课程设计工作量：1周。
2、技术要求：设汽车尾部左右两侧各有3个指示灯（用发光管模拟），要求是：
① 汽车正常行驶时，尾灯全部熄灭。
② 当汽车右转弯时，右侧3个指示灯按右循顺序点亮。
③ 当汽车左转弯时，左侧3个指示灯按左循顺序点亮。
④ 临时刹车时，所有指示灯同时闪烁。
⑤ 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。制作实际运行装置。
3、查阅至少5篇参考文献。按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：
1、 2008 年 6 月 29 日集中，作课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求说明。
2、 2008 年 6 月 29 日，查阅相关资料，学习电路的工作原理。
2、 2008 年 6 月 30 日 至 2007 年 7 月 1 日，方案选择和电路设计。
2、 2008 年 7 月 1 日 至 2007 年 7 月 2 日，电路调试和设计说明书撰写。
3、 2008 年 7 月 3 日上交课程设计成果及报告，同时进行答辩。

课设答疑地点：鉴主14楼电子科学与技术实验室。

指导教师签名： 年 月 日
系主任（或责任教师）签名： 年 月 日

目      录

1 摘要………………………………………………….…………………………  1
2设计要求与思路………………………………………………………………..  1
  2.1设计目的与要求…………………………………………………………… 2
  2.2设计思路构想……………………………………………………………… 2
2.2.1汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系…………………………… 2
2.2.2汽车尾灯控制器功能描述……………..…………………………….…. 2
3 单元电路设计………………………………………………………………..…  4
  3.1 秒脉冲电路的设计…………………………………………………..……… 4
3.2 开关控制电路的设计……………..…………………..……………….…. 5
 3.3 三进制计数器电路的设计………………………………………..……..… 4
  3.4 译码与显示驱动电路的设计……………………………………………… 7
3.5 尾灯状态显示电路的设计………………………….……………………… 8
4电路仿真与分析………………..…….…………….…………………………… 10
4.1电路仿真总电路图……………………………………………..………… 10
4.2汽车尾灯控制器电路的工作原理……………………………………….. 10
4.3参数计算与器件选择…………………………………………………….. 11
5 电路安装与调试……………………………………………………...………. 11
5.1电路安装过程…………………………………………………..………. 11
5.2电路的调试………………………………………………………..……... 11
6 元器件清单…………………………………………………………..…….… 11
7 设计体会………………..…………………………………………..……..… 13
 参考文献……………………………………………………………..………... 14

15

1摘要
课程设计作为数字电子技术和模拟电子技术课程的重要组成部分，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。
    本文介绍了一种通过TTL系列产品设计模拟汽车尾灯工作情况电路的方法。主要阐述了如何通过555系列来制作脉冲产生器，如何利用J-K触发器改制三进制的计数器和译码器的使用等一系列方法。实验通过发光二极管模拟汽车尾灯来实现了汽车在行驶时候的四种情况：正常行驶，左拐弯，右拐弯，临时刹车。
关键字：汽车尾灯，脉冲，计数器，译码器，行驶情况
Abstract
Curriculum design as a simulation of digital electronic technology and electronic technology an important component of the course, on the one hand, the purpose of enabling us to further understanding of course content, the basic digital system design and debugging methods, applications of integrated circuits to increase knowledge, foster the ability of our hands as well as analysis, problem-solving abilities.
        This article describes a series of product design through simulation TTL auto taillight circuit methods work. Mainly on how to produce 555 series pulse generator, how to make use of JK flip-flop ternary system decoder of the counters and the use of a range of methods. Experimental simulation of vehicle through the light-emitting diode taillights to achieve a moving car when the four cases: the normal traffic, left turn, right turn, temporary brake.
Keywords: auto lamps, pulse, counters, decoders, traffic situation.

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
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
K1
K0
D1 D2 D3
D4 D5 D6
0
0
正常运行
灯灭
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。

   根据以上设计分析与功能描述，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
   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。
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，同时为了保证二极管的闪烁适宜，可以让脉冲周期设定为一秒左右即可。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
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，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
G
F
0
0
d
0
1
 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
d
d
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。
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个与非门和6个反相器构成。图中，译码器74LS138的输入端C、B、A分别接K1、Q1、Q0。当图中G=F=1、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，示意汽车右转弯；当图中G=F=1、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，示意汽车左转弯；当图中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6个电阻组成，图3.9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，6个非门以及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。得到的信号即可输出到发光二极管上，实现所需功能。
4.3参数计算与器件选择
    （1）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=510kΩ，C1=C2=1μF，其他电阻可选为1kΩ即可。
   （2）电容：如上所述，电容均选1μF/25V。
5电路安装与调试
5.1电路安装过程
对照电路图焊接电路，过程中注意虚焊与短路，电源Vcc与接地端的接法，在安装中外观需要提高，电路功能基本实现。
5.2 电路的调试
将外接电源接好后，一起打开开关或一起断开开关或打开K1、K2任何其中一个开关，分别观察二极管发光状况并与设计要求比较，发现基本符合设计要求。
6元器件清单
表6.1元件清单
名称
规格
数量
电阻
510 KΩ
1
100Ω
6
1 KΩ
2
10 KΩ
1
电容
1μF/25V
2
开关
-----
2
发光二极管
红
6
NE555
-----
1
74LS00
-----
2
74LS04
-----
1
74LS10
-----
1
74LS138
-----
1
74LS76
-----
1
74LS86
-----
1
USB接口
-----
1
导线
-----
若干
附图6.1 其他元器件引脚图

74LS86引脚图 74LS04引脚图

74LS00引脚图
74LS10 引脚图 74LS76 引脚图
7设计体会
数字逻辑是电子科学与技术专业学生必修的一门专业基础课，我们进行数字电子课程设计是我们理论联系实际的最好途径，将书本上的知识利用到实际的分析解决问题中去，这样使我们更加牢固的掌握分析与设计的基本知识与理论，更加熟悉的各种不同规模的逻辑器件，掌握逻辑电路的分析和设计的基本方法，为以后的学习奠定基础。
这次课程设计可以说喜忧参半，看似简单的一块电路板却花费我好久的时间。虽然电路外观不尽如人意，但成果是有目共睹的——和我猜测的一样，我的二极管闪烁成功的光辉！从一开始接受课程任务，后着手建立设计框图，再到图书馆和网上查阅相关资料，确定电路图到最终制作成型，每一步都必须真诚付出。刚开始我是做的并不成功，不能实现计数功能。在多次检修之后，终于将焊接电路中出现的种种问题解除，最终实现了课程设计作业的全部功能。通过本次课程设计汽车尾灯更加深入的了解了许多芯片的接法以及功能表，设计了脉冲电路，三进制计数器，开关控制发光二极管等，将各个部分组成起来设计成为汽车尾灯控制电路。
通过这次的数字电子的课程设计，我体会到学习数字电子的重要性，在过程用到了许多书中的知识，好有些不懂的东西，就上网或是去图书馆查资料，期间遇到困难，也通过认真的检测解决了问题，得益于自己的耐心和决心，也离不开老师和周围同学的帮忙。特别感谢指导老师刘虹老师的悉心指点！

参考文献
[1].屠其非 LED用于汽车尾灯的展望 光源与照明 2001
[2].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
[3].康华光主编 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 重庆交通学院机电学院电工电子教研室 2006
[5].路勇主编 电子电路实验及仿真 北京 清华大学出版社 2004
[6].唐程山主编 电子技术基础 北京 高等教育出版社 2005
[7].韩克 柳秀山主编 电子技能与EDA技术 暨南大学出版社 2005

本科生课程设计成绩评定表
姓 名
田鑫
性 别
男
专业、班级
电子科学与技术0703班
课程设计题目： 汽车尾灯控制器的电路设计
课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年 月 日