汽车尾灯(数电课程设计).doc

武汉理工大学数字电子技术课程设计说明书 目 录1绪论12功能描述22.1汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系22.2汽车尾灯控制器功能描述23单元电路的设计和元器件的选择33.1 各单元电路的设计33.1.1秒脉冲电路的设计33.1.2 开关控制电路的设计53.1.3 三、四、六进制计数器电路的设计63.1.4译码与显示驱动电路的设计93.1.5尾灯状态显示电路的设计133.1.6整体电路图144 电路的仿真154.1 使用软件154.2 整机电路154.3 仿真结果154.4 仿真结果分析说明175设计心得186元件清单196.1主要元件列表19主要参考文献资料20汽车尾灯显示控制电路设计 1绪论 随着集成技术的发展，尤其是中、大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。课程设计作为数字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；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。例如汽车尾灯显示控制电路，应能实现如下功能：右转弯时三个右边的灯应动作，左边的灯则全灭，周期性明亮与暗，一周约需一秒，对于左转弯，左边灯的操作应相类似；当紧急闪烁起作用时，六个尾灯大约以1Hz的频率一致地闪烁着亮与暗。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。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。2功能描述2.1汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系 假定用开关SP、SK、SL、SR分别表示停车、制动、左转、右转，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SP SK SL SR汽车运行状态左 转 尾 灯 D1 D2 D3右 转 尾 灯 D4 D5 D60 0 0 0正常运行灯灭灯灭 0 0 0 1右转弯灯灭按D4D5D6顺序循环点亮 0 0 1 0左转弯按D1D2D3顺序循环点亮灯灭 0 0 1 1司机为外行紧急闪烁器起作用，六个尾灯以1Hz的频率一致地闪烁着 0 1 0 0制动(转弯开关未合)六个尾灯均连续燃亮 0 1 0 1制动并右转弯D1 D2 D3尾灯连续亮按D4D5D6顺序循环点亮 0 1 1 0制动并左转弯按D1D2D3顺序循环点亮D4 D5 D6尾灯连续亮 0 1 1 1制动（错误地将两个开关均合）六个尾灯均连续燃亮 1 x x x停车全部尾灯亮度为正常的一半2.2汽车尾灯控制器功能描述汽车尾灯控制电路由四部分组成，控制电路、时钟发生电路、逻辑开关及逻辑电平指示。（1）转弯信号是四状态计数电路，可由小规模触发器构成，也可由中规模计数器构成。（2）时钟产生电路，可由555定时器构成1Hz信号和50Hz信号（用于停车时，尾灯亮度为正常一半）。接线图由同学自己拟定。3单元电路的设计和元器件的选择3.1 各单元电路的设计3.1.1秒脉冲电路的设计方案一：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的电路图如图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。此时由公式f1.43/(R1+2R2)C得，f=1HZ时，令C=1uF,R1=10kOhm,计算得R3=705kOhm；f=50HZ时，令C=1uF，R1=10kOhm，计算得R4=9.3 kOhm。图3-1 秒脉冲电路实际图 方案二：由门电路构成的多谐振荡器； 由门电路构成的多谐振荡器的电路图如图3-2所示。假设在通电的瞬间，由于某种外界原因，使2端电压有微小的正跳变，就会引起雪崩式的正反馈过程，2,3端迅速变为高电平。1,4端迅速变为低电平(电容上面电压不能突变)，电路进入第一个暂稳态阶段，C1开始充电，3端电压逐渐降低，当3端电压低于反相器的开启电压时，电路发生翻转，又是一个正反馈过程，使4端为高电平，2端为低电平，C1放电，C2开始充电，又使1端电压逐渐降低，以至重复上述过程。这样2，4端始终是高低高低来回翻转，输出一个随时间变化的矩形波。 图3-2 由门电路构成的多谐振荡器 在此电路中，当电源电压波动时，会使振荡频率不稳定，容易受温度、电源电压等干扰的影响，因此频率稳定性较差，不宜采用此方案。方案三：石英晶体振荡器； 石英晶体振荡器的电路图如图3-3所示，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，所以没有采用此电路。 (a)石英晶体符号 (b)常见的时钟秒信号源晶体振荡器 图3-3石英晶体符号和石英晶体振荡器的电路图3.1.2 开关控制电路的设计 设译码器的使能控制信号为G1，三个译码器74LS138的使能输入端G1与开关控制电路输出G2、G3、G4相连接，F与尾灯显示电路中或门的六个输入端相连接。由总体逻辑功能可知，G2、G3、G4和F与开关控制变量SP、SK、SL、SR以及时钟脉冲CP之间的关系如表3.1所示。 表3.1控制开关与输出的关系真值表开关控制SP SK SL SR输出G2 G3 G4 F开关控制SP SK SL SR输出G2 G3 G4 F0 0 0 00 0 0 00 1 0 11 0 1 00 0 0 11 0 0 00 1 1 01 0 1 00 0 1 01 0 0 00 1 1 10 1 0 00 0 1 10 0 0 CP(1HZ)1 x x x0 0 0 CP(50HZ)0 1 0 00 1 0 0根据表3.1所示关系，可求出使能控制信号G1和F的逻辑表达式为：F=(SLSR+P)CP G2=(SR+SL) G3=K(+SLSR) G4=K(SR+SL)由逻辑表达式可得到如下开关控制电路图：图3-4开关控制电路实际图3.1.3 三、四、六进制计数器电路的设计方案一：74LS160计数器是集成同步加法计数器，其逻辑框图、功能表和74LS160完全类同。此方案均采用74LS160计数器芯片，进行计数时连接简单方便，成本低，所以选用此方案。其逻辑框图如图3-5所示，功能表如图3-6所示：图3-5 74LS160的逻辑框图图3-6 74LS160的功能表 三进制计数器采用74LS160计数器， QBQA状态由00，01，10循环变换，当变为11的瞬间，经过一个与非门反馈至清零端，迅速变为00开始。继续下一个循环。该三进制计数器为制动和转弯开关同时作用时尾灯功能实现的计数器单元电路。如图3-7所示： 图3-7三进制计数器电路图 四进制计数器采用74LS160计数器， QBQA状态由00，01，10，11循环变换，当QCQBQA变为100的瞬间，由QC端引出经过一个非门反馈至清零端，迅速变为000开始。继续下一个循环。该四进制计数器用于两个转弯开关分别作用时尾灯功能实现的计数器单元电路。如图3-8所示：图3-8四进制计数器电路图 六进制计数器采用74LS160计数器， QCQBQA状态由000，001，010，011，100，101循环变换，当QCQBQA变为110的瞬间，由QCQB端分别引出经过一个与非门反馈至清零端，QCQBQA迅速变为000开始。继续下一个循环。该六进制计数器用于制动开关作用时尾灯功能实现的计数器单元电路。如图3-9所示：图3-9六进制计数器电路图方案二：由J-K触发器构成计数器 其电路电路中采用一片双J-K触发器7476芯片。（7476芯片引脚图及功能表如图3-10所示），但考虑到用两个芯片连接电路连接较上者稍微复杂，所以不采用此方案。 图3-10 JK触发器7476芯片引脚图及功能表 方案三：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7474芯片实现（7474芯片引脚图如图3-11所示）以及与非门和非门来实现此电路。由于电路结构较之上方案有点复杂，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3-11 D触发器7474芯片引脚图及其功能表3.1.4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及相关门电路构成。译码器74LS138的逻辑框图如图3-12所示，其功能表如图3-13所示：图3-12 74LS138逻辑框图 图3-13 74LS138功能表1、转弯逻辑电路如图3-14所示。 图3-14 由译码器及门电路构成的转弯部分的电路图 图中，译码器74LS138的输入端C、B、A分别接SL、QB、QA。当图中G1=1、SL=0时，对于计数器状态QBQA为00、01、10、11，译码器输出即Y0Y1Y2依次为011、101、110、111，YOY1Y2引出三端通过异或门和D4连接，Y1Y2引出两端再通过异或门和D5连接，再由Y2引出一端通过非门和D6连接，这样使得与指示灯D4、D5、D6对应的输出依次为100、110、111、000，从而使指示灯D4、D5、D6依次循环点亮，示意汽车右转弯；当图中G1=1、K1=1时，对于计数器状态QCQBQA为100、101、110、111，译码器输出Y4Y5Y6依次为011、101、110、111，使得与指示灯D1、D2、D3对应的输出依次为100、110、111、000，从而使指示灯D1、D2、D3依次循环点亮，示意汽车左转弯；当图中G=0时，译码器输出为全1，使所有指示灯对应的输出全部为低电平，指示灯全部熄灭；2、制动逻辑电路如图3-15所示： 图3-15由译码器及门电路构成的制动部分的电路图 图中，译码器74LS138的输入端C、B、A分别接SK、QB、QA。当图中G1=1时，对于计数器状态QCQBQA为000、001、010、011、100、101、110，译码器输出即Y0Y1Y2Y3Y4Y5依次为011111、101111、110111、111011、111101、111110。，YOY1Y2Y3Y4Y5各引出一端通过非门分别和D1D2D3D4D5D6连接，从而使指示灯D1、D2、D3、D4、D5、D6六个尾灯均连续燃亮，示意汽车制动。3、制动和转弯逻辑电路如图3-16 图中，译码器74LS138的输入端C、B、A分别接SR、QB、QA。当图中G1=1、SR=0时，对于计数器状态QBQA为00、01、10，译码器输出即Y0Y1Y2依次为011、101、110，YOY1Y2分别引出三端通过非门和D4D5D6连接，这样使得与指示灯D4、D5、D6对应的输出依次为100、010、001，从而使指示灯D4、D5、D6依次连续燃亮，示意汽车制动并且左转弯（这是由于开关的控制使得左转弯D1D2D3会动作，这是单元电路因此在此没有体现）；当图中G1=1、SR=1时，对于计数器状态QCQBQA为100、101、110，译码器输出Y4Y5Y6依次为011、101、110、111，使得与指示灯D1、D2、D3对应的输出依次为100、010、001，从而使指示灯D1、D2、D3依次连续燃亮，示意汽车制动并右转弯。图3-16由译码器及门电路构成的制动和转弯部分的电路图3.1.5尾灯状态显示电路的设计 根据以上各个单元电路引出与尾灯相接，则尾灯状态显示电路可由6个发光二极管和或门组成，逻辑电路如图3-17所示。上述的各个译码与显示驱动电路的输出分别接到相对应尾灯的四输入或门上去，并且各或门的一个输入端接开关控制电路输出端F。由表3.1所示，当SL=1,SL=1时，F=CP(1HZ)，此时六个尾灯以1Hz的频率一致地闪烁着。当SP=1时，F=CP(50HZ),此时全部尾灯亮度为正常的一半。 图3-17尾灯状态显示电路图3.1.6整体电路图图3-18整体电路图4 电路的仿真4.1 使用软件本次仿真软件使用的是Electronics Workbench软件。4.2 整机电路整机电路如图3-18所示4.3 仿真结果（1）闭合SL开关，即左转弯时尾灯的显示进行如下循环： 图4-1 左转弯时左右尾灯的显示图（2）闭合SR开关，即右转弯时尾灯的显示进行如下循环：图4-2右转弯时左右尾灯的显示图图 （3） 同时闭合SL、SR，即在错误状态紧急闪烁时尾灯的显示进行如下循环：图4-3错误状态时左右尾灯的显示图（4） 闭合SK，即在制动时尾灯的显示进行如下循环：图4-4制动时左右尾灯的显示图（5） 闭合SK、SL，即在制动并左转弯时尾灯的显示进行如下循环：图4-5制动并左转弯时左右尾灯的显示图（6） 闭合SK、SR，即在制动并右转弯时尾灯的显示进行如下循环： 图4-6制动并右转弯时左右尾灯的显示图（7） 闭合SP，同时任意开闭其他开关，即在停车时尾灯的显示情况 停车时六个尾灯以50Hz的频率一致地闪烁着，对于人眼可认为全部尾灯亮度为正常的一半。4.4 仿真结果分析说明通过分析我们可以清楚的发现，通过左右转弯开关的控制，实现了转弯时三个转向的尾灯动作，对应边的灯全灭的功能。通过制动开关控制，即开关模拟脚踏制动器，实现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，三个转向的尾灯正常动作，另三个尾灯连续亮。通过停车开关，实现停车时全部尾灯亮度为正常的一半。得到的尾灯显示与设计要求一致，满足了我们设计的要求。5设计心得课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现、提出、分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。汽车已经融入的我们的生活当中，对于汽车不可缺少的尾灯部分的工作更是重要，本次课程设计的题目贴近实际，并且有一定的实用价值。一方面提高了我们的动手能力，另一方面也让我们对于所学知识有了深刻的理解。通过此次汽车尾灯显示控制电路的课程设计，我受益匪浅。从设计方案到设计报告，从理论到仿真，在整整一星期的日子里我学到不少知识，不仅巩固这学期所学过的数电知识，而且对于仿真软件EWB有了初步的了解。在此次课程设计中我首先分析设计要求，将总的电路分成几个部分，即秒脉冲电路、开关控制电路、三四六进制计数器电路、译码与显示驱动电路、尾灯状态显示电路。本次设计的重点和难点在于对于各个部分的设计和总的衔接。秒脉冲电路我分析了几种方案后，决定采用由555定时器构成的多谐振荡器，通过计算得到可调的频率输出（1HZ、50HZ）；对于开关控制电路，我通过列真值表、写逻辑表达式，最后设计出该电路；三四六进制计数器电路、译码与显示驱动电路、尾灯状态显示电路则根据相关的74LS160、74LS138的功能表和设计要求设计出最后的电路图。 在设计过程中