汽车尾灯课程设计.doc

武汉理工大学电子电工技术课程设计说明书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。 本文主要是通过555产生脉冲，用J-K触发器该制为三进制的计数器，一个74LS86控制译码器74LS138的运作，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。本文将数电和模电、电路的知识，运用到了社会实践当中，是理论和实践结合的实例。关键字：汽车尾灯，脉冲，计数器，译码器，行驶情况 汽车尾灯控制器的设计和制作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：汽车正向行驶时，左右两侧的指示灯处于熄灭状态。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 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 汽车临时刹车时，左右两侧指示灯处于同时闪烁状态。2.2结构设计与方案选择2.2.1方案选择 方案一：分析设计任务，汽车左转弯，右转弯，刹车和正常行驶的时候，灯的点亮的次序和是否点亮都是不同的，我们用石英晶体振荡器设计秒脉冲电路，用一个74LS138译码器对输入的信号进行译码，从而得到一个低电平输出，再由这个低电平控制一个计数器74LS161，计数器输出为高电平的时候就点亮不同的尾灯，尾灯用二极管模拟，从而控制尾灯按要求点亮。设计图见附表6.3。汽车运行时的尾灯状态表见表2.1。 表2.1 汽车尾灯和汽车运行状态开关控制汽车运行状态右转尾灯 左转尾灯So S1 S2L1 L2 L3 L4 L5 L60 0 0正常运行 灯灭 灯灭0 0 1左转弯 灯灭L4,L4,L5依次点亮0 1 0右转弯L1,L2,L3依次点亮 灯灭0 1 1临时刹车L1,L2,L3,L4,L5,L6同时闪烁方案二：分析设计任务，汽车左转弯，右转弯，刹车，和正常行驶的时候，灯的点亮次序和是否点亮都是不同的。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。当正常行驶的时候，可以控制译码器不工作，脉冲无法输入，使得六个灯都不亮。当临时刹车的时候，可以控制译码器不工作，给六个灯同时输入脉冲，使之同时闪烁。具体运行状态如表2.2：表2.2 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K1K0D1 D2 D3 D4 D5 D601右转弯按D1 D2 D3顺序循环点亮灯灭10左转弯灯灭按D4 D5 D6顺序循环点亮11临时刹车所有尾灯同时闪烁00正常行驶所有尾灯熄灭图2.1 方案二的总体框图比较二个方案，方案一使用了石英晶体振荡器，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。方案二使用一片双J-K触发器74LS76芯片构成三进制计数器，结构简单，成本低廉，可以采用。方案一比方案二多一个开关控制，操作起来比方案二要麻烦。综上所述：我们选择方案二。接下来我们来具体分析方案二。单元电路设计3.1秒脉冲电路的设计由555定时器构成的多谐振荡器。多谐振荡器的电路是一种能够产生矩形脉冲信号的电路，产生的脉冲信号具有比较陡的矩形脉冲信号的上升沿和下降沿。目前矩形脉冲信号的频率已经达到几个吉赫，是一般电路难以达到。尤其是555定时器组成的多谐振荡器，其工作频率不会很高。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。图3.1 555定时器的引脚图图3.2 用555定时器构成的多谐振荡器设计说明：汽车尾灯的点亮是给人不同的信息及该车将要发生的动作，所以汽车的尾灯在闪烁的时候不能超过一定的频率，但是频率也不能太小，所以我们在设计的时候采用555定时器设计一个脉冲产生源，产生的频率F约为1HZ。然后通过计数器就能控制汽车尾灯在循环点亮的时候时间间隔为1S。图3.3 555秒脉冲电路设计计算公式：高电平时间：T1 =0.7(R5+R6)C2低电平时间：T2=0.7R6C2脉冲周期的时间：T=T1+T2=0.7(R5+2R6)C2高电平时间：T1 =0.7(R5+R6)C2 =0.7（510+10）1000*1*0.000001=0.364 S低电平时间：T2=0.7R6C2=0.7*510*1000*0.000001=0.357S 脉冲周期的时间：T=T1+T2=0.7(R5+2R6)C2=0.721 S频率: f=1/T=1.38HZ设计最后图形如图3.3所示。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E和F，E与译码器74LS138的使能输入端E1相连接，F是74ls10的输出端，与显示驱动电路中与非门的一个输入端相连接。74LS86是一个异或门电路，其两个输入端分别接二个开关，输出端就是E，接74LS138的使能输入端E1。当二个开关的状态不同（一开一闭）时，E就是高电平，这个时候74LS138处于工作状态。74LS10是三输入的与非门电路，当二个开关的状态不同（一开一闭）时，输出F总是高电平。当二个开关都闭合的时候，E就是低电平，这个时候74LS138不工作，而且74LS10输出端一定是高电平。当二个开关全部打开的时候，E就是低电平，74LS138不工作，此时74LS10输出端跟F就是CP。把上述关系列为表格就是表3.1。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K1K0CPEF00d01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）01d11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）10d11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）11cp0cp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E和F的逻辑表达式，可画出开关控制电路，电路如图3.4所示。图3.4 开关控制电路3.3三进制计数器电路的设计由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。首先我们来介绍一下J-K触发器。JK触发器有两个稳定状态：一个状态是Q1，Q=0，称触发器处于“1”态，也叫置位状态；另一个状态 是Q0，Q1，称触发器处于“0”态，也叫复位状态。JK触发器具有“置0”、“置1”、保持和翻转功 能。反映JK触发器的Qn和Qn+1。Qn表示时钟脉冲来到之前触发 器的输出状态，称为现态，Qn+1表示时钟脉冲来到之后的状态，称为次态。三者的关系公式为：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Q1Q0Q1Q000010110100011dd表3.3 74LS76功能表 图3.5 74LS76芯片引脚图 用两片J-K触发器设计的三进制电路如图3.6所示。 右图中的15引脚和11引脚作为三进制计数器的输出端，给两个J-K触发器同步的脉冲，11和15顺序输出00，10,01，00，10，01的循环信号。这就形成了一个三进制的计数器。将这个三进制的计数器与74LS138相连，就可以输出不同的信号让灯产生不同的效果。这就是接下来要讲的译码器驱动电路的设计。 图3.6 三进制计数器 3.4译码与显示驱动电路的设计当两个开关都为低电平的时候，信号通过74LS86输送到74LS138的使能端E1时为低电平，此时74LS138不工作，即译码器不编码，所有的输出端都是高电平，同时信号通过74LS10后输出的一定是高电平，此时需要所有的发光二极管都不亮，所有的二极管要反向截止，每个二极管前面连一个与非门，这个与非门一个接74LS138的信号一个接74LS10的信号，这个时候通过与非门输出的一定是低电平，要使二极管不发光，正极应该接74LS00这个与非门，负极接地。74LS138的引脚图见图3.7，功能表见表3.4 当两个开关都为高电平的时候，信号通过74LS86输送到74LS138的使能端E1时为低电平，此时74LS138不工作，即译码器不编码，所有的输出端都是高电平，同时信号通过74LS10后输出的是与555秒脉冲电路发出的完全相反的脉冲信号。这个时候通过与非门的脉冲与555秒脉冲信号完全相同。当74LS00输出的是高电平的时候，二极管就导通发光，当74LS00输出的是低电平的时候，二极管就截止不发光，由于所有的二极管的接收到的脉冲信号都是相同的，从而实现了同时亮同时灭的情况。这就是刹车的要求。 当K1=0，K2=1的时候，我们设定为右转弯行驶，此时的要求是D1,D2,D3循环亮。我们分别把和D1,D2,D3相连的74LS00的一端与Y0,Y1,Y2相连接。此时需要74LS138输出的循环信号是000，001，010。74LS138的三个输入其中二个接三进制计数器，还有一个最高位就接到K2。K2闭合的时候输入的信号应该是低电平。所以开关K2还应该有一端接地。74LS10在这个时候由于有一路信号输入是0，所以输出是1，这样74LS00的输出就完全有74LS138主导，当74LS138输入是000的时候，即与D1相连的与非门的一个输入为0，这个与非门的输出就是1，这样D1就发光了。下一个脉冲信号来临的时候，74LS138的输入又变成了001，D2被同样选择发光，此时D1就暗下来了。就这样实现了D1,D2,D3循环发光。 当K1=1,K2=0的时候，我们设定为右转弯，此时的要求是D4,D5,D6循环发光。我们分别把和D4,D5,D6相连的74LS00的一端与Y4,Y5,Y6相连接。此时需要74LS138输出的循环信号是100，101，110。74LS138的三个输入其中二个接三进制计数器，还有一个最高位就接到K2。K2断开的时候输入的信号应该是高电平。74LS10在这个时候由于有一路信号输入是0，所以输出是1，这样74LS00的输出就完全有74LS138主导，当74LS138输入是100的时候，即与D4相连的与非门的一个输入为0，这个与非门的输出就是1，这样D4就发光了。下一个脉冲信号来临的时候，D5被同样选择发光，此时D4就暗下来了。就这样实现了D4,D5,D6循环发光。整体译码显示电路见图3.8。 图3.7 74LS138译码器引脚图 表3.4 74LS138功能表输入输出E1 E2 E3A0 A1 A1Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7X H XX X XH H H H H H H HX X HX X X H H H H H H H HL X XX X XH H H H H H H HH L LL L LL H H H H H H HH L LL L HH L H H H H H HH L LL H LH H L H H H H HH L LL H HH H H L H H H HH L LH L LH H H H L H H HH L LH L HH H H H H L H HH L LH H LH H H H H H L HH L LH H HH H H H H H H L图3.8 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74LS00的输出为高电平时，相应发光二极管被点亮。图3.9 二极管发光电位电路仿真与分析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经过以上所述的设计内容及要求的分析，我们把汽车尾灯控制电路分为几个部分进行组装，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。三进制构成的信号通过74LS138译码器编码输入6个与非门。 最后，左转、右转的原始信号通过6个与非门，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。电路安装与调试5.1电路安装过程买好所需要的元器件，熟悉面包板，先安放好芯片，然后认真仔细的搭建电路，基本功能实现。接线过程中稍有失误不要立即插线，应该用万用表仔细检查出错误所在，有目的的修改。5.2 电路的调试外接电源接好后，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。图5.1实物图 附录6.1元件清单表6.1 元件清单名称规格数量电阻510 K110061 K210 K1电容1F/25V2开关-2发光二极管红6NE555-174LS00-274LS10-174LS138-174LS76-174LS86-1USB接口-16.2附图其他元器件引脚图 74LS86引脚图 74LS00 引脚图74LS10引脚图 74LS76引脚图6.3 方案一原理图设计体会数电和模电一直是我认为学到目前为止最难以理解的专业课程，在以往的学习过程中，我们总是盲目的听课，练习一些枯燥的解题方法，往往无法把理论与实践结合起来，一方面让人觉得乏味，另一方面难免会觉得学无法至用。这样其实很多东西我们在单纯的学习过程中是没有弄清楚的。 这次课程设计是一个机会，当我看到题目的时候觉得比我们平时做的实验更加有难度。首先，这是我们自己设计的，其次我们还要开始接触到自己购买元器件，接触到市场。买过东西才知道，怎么设计电路更加物美价廉。我们应该花