汽车尾灯控制器的设计与制作 2.doc

武汉理工大学电工电子技术课程设计说明书摘要在我国交通拥挤导致交通事故频繁发生，而其中汽车追尾时间在事故中占得比例比较大。汽车尾灯控制电路的产生能缓解这一状况，通过对汽车尾灯的控制，体现汽车在公路上行驶的状态，即：正常行驶时指示灯全灭；右转弯时，右侧3个指示灯循环点亮；左转弯时，左侧3个指示灯循环点亮；临时刹车时，所有指示灯同时闪烁。通过这一特点来提示后方的车辆本车的行驶状况，有利于减少汽车追尾事件的发生，是一个值得普及的设计。关键词：行驶状况 指示灯 计数 设计方案及制作过程1、总体设计思想根据课程设计任务书的要求，以及汽车尾灯逻辑关系分析，得出设计该电路大体需要时钟脉冲信号产生电路、三进制计数电路、译码电路、开关控制电路、驱动显示电路以组成汽车尾灯控制电路。其控制关系如图1-1所示。开关控制电路显示驱动电路译码电路三进制计数器时钟脉冲信号发生器图1-1 设计电路控制关系2、逻辑抽象2.1尾灯与汽车运行状态表S1=1 表示左转弯。S0=1 表示右转弯。表2-1尾灯与汽车运行状态表分析1） 灯需要在不同的情况下出现以下三种情况，全灭，闪烁，循环亮灭。可以利用计数器实现产生循环脉冲信号来达到预期的实验目的。2） 脉冲信号的产生：考虑利用555定时器构成分频电路，来得到需要的频率的脉冲信号。2.2电路逻辑功能由于汽车左右转弯时，3个灯循环点亮，所以用三进制计数器控制译码器电路循序输出低电平，从而控制尾灯按要求点亮。由此得出在每种运行状态下，各种指示灯与各种给定的条件下的关系，即逻辑功能表如下表2-2所示。表2-2逻辑电路真值表3、设计单元电路3.1时钟脉冲发生器方案一：石英晶体振荡器 此电路的振荡频率仅取决于此应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。但由于没有与课程联系很紧密，所以不采用此电路。方案二：由555定时器构成的多谐振荡器如下图3-1的电路图，可以产生矩形脉冲发生器。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，它的振荡频率受电压和温度的影响很小。与课程联系密切，所以采用此方案。再由于此电路对时钟脉冲没有严格的要求，故我把电阻、电容的值设定为比较合适并常见的值。电容充电过程的初始状态为1/3Vcc，终止状态为2/3Vcc，稳定状态为Vcc，充电的时间常数为1=（R1+R2）C2。电容放电过程中，由于晶体管基本处于饱和导通状态，两端的电压很低，因此供电电源对放电电路影响很小，放电时的初始状态为2/3Vcc，终止状态为1/3Vcc，稳定状态为0，充电的时间常数为2=R2C2。根据这些条件，结合一阶电路暂态过程的三要素法，可以计算出充电过程所用的时间。 充电过程的方程式：2/3Vcc=Vcc+(1/3Vcc-Vcc)e(t1/(RC2)充电所用时间，即脉冲维持时间：t1=（R1+R2）C2ln2=0.7(R1+R2)C2放电过程的方程式: 1/3Vcc=0+(2/3Vcc-0)e(t2/(RC2)放电所用时间，即脉冲低电平时间：t2=R2C2ln2=0.7R2C2所以，脉冲周期时间为t=t1+t2=0.7(R1+R2)C2+0.7R2C2=0.7(R1+2R2)C2脉冲频率为f=1/t=1/(0.7(R1+2R2)C2)=1.43/(R1+2R2)C2)图3-2 脉冲信号波形2输出脉冲信号根据以上分析可得f=1.43/(50*103+2*50*103)*0.01*10-6)=953.3Hz图3-1 时钟脉冲发生器3.2三进制计数器由表2-2可以看出计数器是三进制的，而可以构成三进制计数器芯片有很多种：方案一：74LS90芯片如图3-3所示，INB接QA属于十进制计数接法，电路在时钟脉冲的触发下进行十进制加计数，当计数到2的一瞬间，QB=1，R01=R02=1，电路进行置0操作由此，电路构成三进制计数器。输入脉冲信号图3-3 74LS90芯片构成的三进制计数电路方案二：74LS161芯片如图3-4所示，使能端ENP、ENT接高电平使能，置数端LOAD接高电平置数无效，A、B、C、D端输入信号无效，但为了避免悬空，所以都接地。电路在时钟脉冲的触发下进行十进制加计数，当计数到3（因为译码器74LS138的Y3、Y7悬空，所以四进制计数对电路实际功能没有影响）的一瞬间，QA=QB=1，通过一个与非门后使得清零端为0，清零（开始清零端为1，清零无效，电路正常计数）由此，电路构成三进制（实为四进制计数器，在此处与三进制计数器无异，所以为了方便，统称为三进制）计数器。输入脉冲信号图3-4 74LS161芯片构成的三进制计数电路方案三：74LS192芯片如图3-5所示，置数端LOAD接高电平置数无效，减计数脉冲触发信号DOWN接高电平，加计数脉冲触发信号UP接时钟脉冲信号，A、B、C、D端输入信号无效，但为了避免悬空，所以都接地。电路在时钟脉冲的触发下进行十进制加计数，当计数到3（与方案二类似，因为译码器74LS138的Y3、Y7悬空，所以四进制计数对电路实际功能没有影响）的一瞬间，QA=QB=1，通过一个与门后使得清零端为1，清零（开始清零端为0，清零无效，电路正常计数）由此，电路构成三进制（实为四进制计数器，在此处与三进制计数器无异，所以为了方便，统称为三进制）计数器。输入脉冲信号图3-5 74LS192芯片构成的三进制计数电路通过对三种不同的芯片构成的三进制计数器的比较可以看出，74LS90芯片没有用到逻辑门电路而74LS161、74LS192芯片实现三进制计数都需要一个逻辑门与之配合使用，故在完成实物时采用了图3-3的电路。因为本组其他同学已经采用了图3-3的电路，采用图3-4会使电路增加一片74LS00芯片，同时驱动显示电路需要使用6个与门，而一片74LS08含有4个与门，两片74LS08中还有两个与门没有使用，采用图3-5不会增加整个电路的芯片数量，且我本人对于74LS192比较熟悉，所以我设计的电路图采用的是图3-5。3.3译码电路图3-6 74LS138构成的译码电路三进制计数器产生的00、01、10信号需要通过一个译码器进行译码，而3线-8线译码器比较常用的是74LS138，而且课堂学习时老师也讲过其应用，故我设计的电路图和实际电路连接都采用的是74LS138芯片，而没有考虑其他芯片。图3-6 74LS138芯片译码电路3.4显示驱动电路如图3-7所示，当发光二极管的A端为低电平时二极管才会亮。由于74LS138芯片Y0到Y7端为由左到右排列，结合表2-1可以得知S0=1表示汽车右转弯，S1=1表示汽车左转弯，S1控制74LS138芯片的高位输入端，故S1=0同时S0=1时74LS138芯片的Y0到Y2端会输出低电平，结果是Y0、Y1、Y2端连接的发光二极管（即LED灯）亮，所以发光二极管的左右是颠倒的，但这对于实际应用时不会有任何影响，只需要把发光二极管的左右位置调换过来就行了，而电路设计过程中为了元件摆放的方便与美观，故采取图3-7所示的排列方式。图3-7显示驱动电路当汽车正常行驶时S1=0，S0=0，会导致A端为高电平，所有二极管都不会亮；当汽车临时刹车时，A端的信号即为时钟信号发生器产生的脉冲信号，所有的发光二极管都会在脉冲信号的低电平时间灭，在脉冲信号的高电平时间亮。3.5开关控制电路方案一：如图3-8所示开关打开时输入的是高电平，打开的时候输入的是低电平。如图3-8所示控制电路的A端直接接到译码器74LS138的高位输入端C端；控制电路的B端接到译码器74LS138的使能端，B=S0S1；控制电路的C端、D端通过与时钟脉冲信号接到一个三输入与非门后连到显示驱动电路的所有与门的输入端。74LS138芯片是低位使能，当S0、S1相同时B=0，当S0、S1不同时B=1。进一步分析，当S0=S1=0时=1，所有的与门的输出值都为1，即高电平，所以此时所有的发光二极管都不会亮，即满足表2-2的真值显示，汽车处于正常行驶状态，符合表2-1的分析；当S0=S1=1时，B=0，使能端无效，Y0到Y7的输出全为高电平1，=CP，通过与门后的信号即为CP信号，所以此时的发光二极管会闪烁，符合表2-1和表2-2的描述；当S1= 0，S0= 1时，A端为 0，B端为1，所以译码器使能而其最高位输入信号为0， =1，通过与门的信号是从译码器输出端的信号，A=0而计数器三进制循环计数，所以此时Y0、Y1、Y2三个灯循环亮，实现了右灯循环亮，满足表2-1、2-2对于此的描述，此时的汽车处于右转弯状态 ；当S1=1，S0=0时，A端为1，B端为1，所以译码器使能而其最高位输入信号为1，C D CP=1，通过与门的信号是从译码器输出端的信号，A=1而计数器三进制循环计数，所以此时Y4、Y5、Y6三个灯循环亮，实现了左灯循环亮，满足表2-1、2-2对于此的描述，此时的汽车处于左转弯状态。图3-8 开关控制电路方案二：如图3-9所示开关打开时输入的是高电平，打开的时候输入的是低电平。74LS138和显示电路的使能信号分别为G和A，根据总体逻辑功能分析及组合得G、A与给定条件(S1S0CP)的真值表，如表3所示。由表3经过整理的逻辑表达式为AG=S1S0 A= + S1S0 CP= 表3-1 开关的逻辑功能表G图3-9 开关控制电路通过对图3-8、图3-9这两个开关控制电路的比较可以看出，两者所能达到的功能是一样的，但图3-8明显比图3-9在输入逻辑关系及电路连接上要简单得多，所以我采用的是图3-8展示的开关控制电路。4、整体电路图原理及其仿真图4-1整体电路图4.1整体电路图4.2电路原理整个电路的能源供应由5V直流电源供应，整个电路的脉冲信号由555定时器构成的时钟脉冲信号发生器产生， 脉冲信号分两路，一路输入到74LS192构成的三进制计数器，触发计数器加计数工作，计数器产生的00、01、10（实际上还有11，但11信号不是我们想要的信号，而且产生对整个电路没有任何影响）输入到译码器的QA、QB端，配合开关S1控制的QC端产生000、001、010、100、101、110信号（实际上还有011、111，如上所述，忽略不考虑），在译码器使能端有效的情况下将对应的输出端译码为低电平。而译码器的使能端由信号S0S1控制，S0、S1和CP信号共同控制驱动显示电路。当S1S0=00时，译码器使能端为0使能无效，输出端全为高电平，而CP信号对驱动显示电路的输入无效，致使发光二极管阴极端全为高电平，发光二极管全部不亮，表明此时汽车处于正常行驶状态；当S1S0=01时，译码器的使能端为1使能，S1=0表明低位输出端Y0、Y1、Y2会在输入信号的作用下产生低电平，而CP信号对驱动显示电路的输入无效，此时在时钟脉冲的触发下，Y0、Y1、Y2会循环亮（但每次只会亮一个灯），表明此时汽车处于右转弯状态；当S1S0=10时，译码器的使能端为1使能，S1=1表明高位输出端Y4、Y5、Y6会在输入信号的作用下产生低电平，而 CP信号对驱动显示电路的输入无效，此时在时钟脉冲的触发下，Y4、Y5、Y6会在输入信号的作用下产生低电平，Y4、Y5、Y6会循环亮（但每次只会亮一个灯），表明此时汽车处于左转弯状态；当S1S0=11时，译码器的使能端为0使能无效，输出全为高电平，而CP信号对驱动显示电路的输入有效，所以所有的发光二极管的阴极端的信号全部相同且且为CP信号，所有发光二极管会在CP信号为高电平时不亮，在CP信号为低电平亮，产生一种闪烁的样子，表明此时汽车处于刹车状态。4.3仿真软件简介本人采用的仿真软件主要是multisim，下面给出该软件的相关简介：Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。目前在各高校教学中普遍使用Multisim10.0，网上最为普遍的是Multisim 10.0，NI于2007年08月26日发行NI系列电子电路设计软件，NI Multisim v 10作为其中一个组成部分包含于其中。而本人在这次课程设计中采用的是Multisim 10.0的升级版本Multisim 11.0，相较于Multisim 10.0，Multisim 11.0没有进行较大的改变，但对软件进行了一个更加完美的优化。Multisim 仿真软件有着自己鲜明的特点：1、可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器； 2、所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上; 3、所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。而Multisim 11.0的特点更加突出：1）、直观的图形界面：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的； 2）、丰富的元器件：提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。 3）、强大的仿真能力：以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。 4）、丰富的测试仪器：提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量5）、完备的分析手段：Multisim提供了许多分析功能：它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。集成LabVIEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能； 5）、完善的后处理：对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等； 6）、详细的报告：能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告； 7）、 兼容性好的信息转换：提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到PCB布线（如Ultiboard、OrCAD、PADS Layout2005、P-CAD和Protel）；输出仿真结果到MathCAD、Excel或LabVIEW；输出网络表文件；向前和返回注；提供Internet Design Sharing（互联网共享文件）4.4仿真结果 S0关S1关，所有的发光二极管都不亮；S0开S1关，右边的三个发光二极管循环亮灭；S0开S1开，所有的发光二极管闪烁；S0关S1开，左边的三个发光二极管循环亮灭。5、实物采用的电路图及其仿真图5-1 整体电路图5.1整体电路图5.2电路原理图5-1整体电路图的原理与图4-1整体电路图的原理相同，只是三进制计数器图5-1采用的是74LS90芯片，开关控制电路与时钟脉冲信号介入驱动显示电路采用的是一个与门和一个与非门，而前面已经讨论过三进制计数器的几种不同构成方法，一个与门和一个与非门相当于一个三输入与非门。5.3仿真结果 （J2表示S1，J1表示S0）J1关J2关，所有的发光二极管都不亮；J1开J2关，右边的三个发光二极管循环亮灭；J1开J2开，所有的发光二极管闪烁；J1关J2开，左边的三个发光二极管循环亮灭。6、实物连接6.1制作与调试的方法和技巧经小组讨论决定采用图5-1所示电路，具体原因前文已经讨论过了，在此就不赘述了。先检查所有所用导线是否完好，然后按照图5-1连接好电路，注意各芯片的管脚连接方式。6.2实物图图6-1 实物连接图6.3制作与调试中出现的故障、原因及排除方法在连接电路的过程中，本小组是一部分一部分电路接的，这样可以保证所接的电路没有问题，易于发现错误。当最后实物连接都完成的时候，测试电路功能时发现左转弯、正常行驶、刹车时的发光二极管现象都能够出现，只是右转弯时右灯循环亮灭，而左灯发生闪烁。所以我们又在电路可能出问题的地方，比如时钟脉冲接入到显示驱动电路的部分，放置一个发光二极管，观察该发光二极管状态，后来我们发现开关S1接到与门的那根导线有点接触不良，当更换导线后故障消失。6.4元件清单表6-1 元件清单结束语本次课程设计是我通过查阅各种资料和我的思考做出来的，在设计的过程中我积极运用课堂上以及自己课下学到的知识，所以对我来说，这是一个知识运用的过程，通过这次课程设计让我对我学到的知识有了一个更实际的了解。而在实物电路连接过程中，我们小组每个人都提出了自己的想法，用各种不同的芯片以实现我们所需要的功能。通过讨论我们从每个人的不同方案中选择出比较简单，易于实现的方案。在组装前，