汽车尾灯课程设计.doc

南华大学电气工程学院电子技术课程设计引言汽车作为一种交通工具，早已经深入人们日常的生活当中，并影响着人们的生活习惯。汽车尾灯的显示是汽车上路行驶所必需的；汽车尾灯控制电路也是很常用的工作电路，在日常的生活中有着很广泛的应用。汽车在行驶过程中常有以下四种状态：正常行驶、左转弯、右转弯、临时刹车，每一种状态时尾灯都应该有一种显示方式，以方便后方车辆和行人做出正确的选择。针对这四种情况可以设计出汽车尾灯的控制电路来表示这四种状态。该控制电路由4个部分组成，包括555定时器产生时钟脉冲电路、三进制计数器、开关控制电路、译码与显示驱动电路。本文详细介绍了该控制电路的分析过程、设计方案、功能及其仿真实验的结果。 在本次设计中采用的电路比较简单，以74LS138和555芯片为主，JK触发器和逻辑门的组合电路进行控制。主要运用multisim进行仿真，用protel 99 SE绘制原理图（sch）和印制电路板（pcb）。1 整体设计原理分析1.1 设计任务本课程要设计一个汽车尾灯控制器，汽车行驶过程中有四种状态：正常行驶、左转弯、右转弯、临时刹车。设汽车尾部左右两侧各有3个指示灯（用发光二极管模拟）。（1）汽车正常运行时指示灯全灭（2）汽车右转弯时，右侧3个灯按右循环顺序点亮（3）汽车左转弯时，左侧3个灯按左循环顺序点亮（4）汽车临时刹车时所有指示灯同时闪烁1.2 设计思路在汽车尾部左右两侧各有3个指示灯（用6个二极管进行模拟）D1 、D2、 D3和D4、D5、D6。根据汽车运行的状况，指示灯需具有四种不同的状态：汽车正向行驶时，左右两侧的指示灯全灭 汽车向右转弯行驶时，右侧的三个指示灯D4、D5、D6循环顺序点亮 汽车向左转弯行驶时，左侧的三个指示灯D1 、D2、 D3循环顺序点亮 汽车临时刹车时，左右两侧指示灯同时闪烁。由于汽车左右转弯的时候，各有3个指示灯要循环点亮，因此此处需要用一个三进制的计数器来控制译码器按循环顺序输出低电平，以按要求控制共阳极的二极管导通。此外，在汽车临时刹车时需要所有尾灯同时闪烁，所以要提供一个时钟脉冲控制所有二 极管导通与阻断，同时此时钟脉冲还可以给计数器芯片提供工作脉冲。为使汽车尾灯达到的所要设计最终目的，系统电路分为四个模块：555定时器产生时钟脉冲电路、三进制计数器、开关控制电路、译码与显示驱动电路。其中，555定时器是用来产生电路所需要的时钟脉冲；三进制计数器是用来产生00011000的循环，以控制左右尾灯的循环点亮和熄灭情况；开关控制电路是用来控制设计电路的汽车运行四种状态的转化；译码器74LS138芯片数据分配器是用来实现最后一个模块的显示作用，使得整个电路按照实验目的顺利完成。开关控制电路通过两个开关来控制汽车尾灯的四种运行状态。当S1=S0=0时，汽车正常行驶，开关控制电路的输出端G=0、F=1,芯片74LS138不工作，输出全部为高电平，通过与门（74LS00与非门和74LS04非门）输出高电平，使共阴极的发光二极管熄灭。当S1=0,S0=1时，汽车右转弯，开关控制电路的输出端G=1、F=1, 芯片74LS138开始工作，三进制计数器输出使Y0,Y1,Y2连接的LED循环点亮。同理，当S1=1,S0=0时，汽车左转弯，开关控制电路的输出端G=1、F=1时，芯片74LS138开始工作，三进制计数器输出使Y4 ,Y5,Y6连接的LED循环点亮。当S1=S0=1时，汽车紧急刹车，开关控制电路的输出端G=0，这时芯片74LS86不工作，输出端F为脉冲CP，经过与门（74LS00与非门和74LS04非门），使二极管处于闪烁状态。根据题意列出尾灯与汽车状态对照表，如表1.1。表1.1 尾灯和汽车状态对照表运行状态开关状态左尾灯右尾灯S0 S1D1 D2 D3D4 D5 D6正常运行0 0熄灭熄灭右转弯1 0D1 D2 D3循环点亮熄灭左转弯0 1熄灭D4 D5 D6循环点亮临时刹车1 1所有尾灯同时闪烁系统的结构框图，见图1.1。时钟脉冲产生电路三进制计数器译码电路显示、驱动电路开关状态控制电路S0S1图1.1 结构框图1.3 设计方案由以上分析结合表1.1可得汽车在每种状态下，每个指示灯与给定开关状态、计数器状态和时钟脉冲的关系，即逻辑功能表如表1.2所示（0表示灯灭，1表示灯亮）。表1.2 尾灯逻辑功能表开关状态三进制计数器状态指示灯状态S0 S1Q1 Q0D1 D2 D3 D4 D5 D60 0* *0 0 0 0 0 01 00 01 0 0 0 0 00 10 1 0 0 0 01 00 0 1 0 0 00 10 00 0 0 1 0 00 10 0 0 0 1 01 00 0 0 0 0 11 1* *CP由表1.2知6个指示灯不计CP状态时，共有7个状态，所以译码器选择3-8译码74LS138较为合适。三进制计数器可选用74LS163四位二进制同步计数器或者两个JK触发器接成的计数器电路。时钟脉冲可由555定时器构成的多谐震荡电路产生。而开关状态控制电路和显示驱动电路由多个与非门、反相器等根据其他电路的逻辑关系确定。2 单元电路设计2.1 时钟脉冲产生电路用一块555定时器构成的多谐震荡器，设计频率为100Hz，即周期为0.01S的时钟信号发生器。R1=28.7K,R2=57.6K,C1=0.1UF,C2=0.01UF。T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C=0.01S,f=100HZ.以此作为计数器的时钟信号CP以及临时刹车时显示驱动电路的输入信号。电路图如图2.1。图2.1 时钟脉冲产生电路2.2 三进制计数器 计数器芯片可选用四位二进制同步计数器74LS163或者两个JK触发器接成的计数器电路。下面对这两种计数器均有介绍，在此次设计中选用双JK触发器组成的三进制计数器。方法一 同步计数器74LS163。使用同步清零法组成三进制计数器。当清零端（）为低电平时，在时钟端(CLK)上升沿到来时完成清零。CET、CEP是使能端，是置数端，TC为进位输出端，P0P3是预置数据输入端，Q0Q3是数据输出端。图2.2为74LS163的外引脚排列图。 图2.2 74LS163外引脚排列图功能表如下表2.1。表2.1 74LS163功能表 由功能表在输出端Q1、Q0为1 0时让端置零。在Q1端并联一个反相器（74LS04）连接到端，即可实现三进制计数器。其他端口的设置与连接见下图2.3。 图2.3 三进制计数器74LS163连接图 方法二 JK触发器组成的计数器，JK触发器次态的逻辑表达式为 Q(n+1)=J（Q）+(K)Q(n)则两个JK触发器按下图连接，可得到Q0Q1输出为00、01、10、00循环计数信号。 图2.4 双JK触发器组成的三进制计数器连接图2.3 开关状态控制电路由以上分析可得G、F与给定开关状态对应的真值表，如表2.2所示。表2.2 使能端与开关状态真值表开关状态使能信号S0S1GF000110110111110CP 由真值表可得G和F的逻辑表达式G=F=+CP为实现上述表达式所述的功能，设计了两种逻辑电路。下面将分别介绍这两种设计方法的逻辑电路，此设计选用第一种开关控制电路。方法一 如图2.5所示。异或门用74LS86，或非门用74LS02,与非门用74LS00，非门用74LS04。图2.5 开关控制电路由逻辑电路图可得，此图实现的逻辑运算为G=+=F=+CP=+CP方法二 如图2.6所示。异或门用74LS86，三端口与非门用74LS10，非门用74LS04。图2.6 开关控制电路由逻辑电路图可得，此图实现的逻辑运算为G=+=F=（CP）=+CP2.4 译码与显示驱动电路译码电路由一个三-八译码器74LS138构成，功能表与引脚图如下所示。74LS138的三个输入端A、B、C分别接Q0、Q1、S0。其中Q0、Q1是三进制计数器输出端。设74LS138的使能端、都置零。为控制译码器的唯一端口，当=0时，译码器输出全为高电平，=1时按A、B、C依次输出低电平。另设驱动电路的使能端为F，高电平有效，F=0时所有指示灯点亮，F=1时二极管随译码器输出依次导通点亮。当S0=S1=0时，表示正常行驶，此时=0且F=1，所有指示灯全灭。当S0=1，S1=0，表示右转弯，此时F=1且=1，计数器状态Q1、Q0依次为00、01、10，则74LS138对应的、依次输出低电平，D1、D2、D3依次点亮。当S0=0，S1=1，表示左转弯，此时F=1且=1，计数器状态Q1、Q0依次为00、01、10，则74LS138对应的、依次输出低电平，D4、D5、D6依次点亮。当S0=S1=1时，表示临时刹车，此时=0且F=CP，所有指示灯随CP同时闪烁。由此可得译码器电路及驱动电路，如图2.7。图中驱动电路为6个与门（74LS00连上74LS04）输入一端为F，另一端为译码器输出。显示电路由6个发光二极管共阳极构成 当每个二极管阴极接收到低电平信号时导通点亮。 图2.7 译码与显示驱动电路3 PROTEL原理图设计图3.1 总体电路4 印刷PCB板图设计图4.1 PCB图图4.2 印制PCB版图的3D视图5 仿真结果与分析5.1 仿真仿真是基于multisim11.0系统完成的。multisim11.0是用软件的方法虚拟电子与电元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元件”和“软件即仪器”。它是一个集原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。multisim11.0的元件库提供数千种电路元器件供试验选用，同时也可以扩充或新建已有的元件库。multisim11.0还提供齐全的虚拟测试仪器仪表，还有一些实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪等。multisim11.0有较为详细的电路分析功能，可完成众多分析。基于multisim10的仿真图如下，各波形图见附录所示。下面显示四种开关状态下的仿真结果。图5.1 正常行驶状态仿真图图5.2 右转向状态仿真图图5.3 左转向状态仿真图图5.4 紧急刹车状态仿真图5.2 结果分析5.2.1 时钟脉冲电路波形分析先观察时钟脉冲产生电路，见附录图A.1。产生的脉冲波形如图A.2，可见并不是完美的方波，频率也有一些小波动。这是由于基于555的多谐震荡电路精度并不是很高，但在允许误差范围内。5.2.2 三进制计数器波形分析先观察双JK触发器组成的三进制计数器电路，见附录图B.1。产生的计数脉冲波形如图B.2,可观察得计数器波形可满足电路需要，状态跳变清晰。5.2.3 右转弯时LED阴极电平波形分析由附录图C.1、图C.2。右转向时D4到D6阴极全为高电平，而D1到D3间隔出现低电平。左尾灯全不亮，右尾灯D1、D2、D3依次点亮，满足设计要求。5.2.4左转弯时LED阴极电平波形分析由附录图D.1、图D.2。左转向时D1到D3阴极全为高电平，而D4到D6间隔出现低电平。右尾灯全不亮，左尾灯D4、D5、D6依次点亮，满足设计要求。5.2.5 汽车刹车时LED阴极电平波形分析由附录图E.1、图E.2可知，6个LED均随时钟脉冲CP而变化。呈现所有灯同时闪烁，也符合设计要求。结论 汽车尾灯控制电路时一种应用极为广泛的设备，具有良好的性价比。在进行设计的过程中，发现整个电路的结构并不是太复杂，整个电路主要由四部分组成：包括555定时器产生时钟脉冲电路、三进制计数器、开关控制电路、译码与显示驱动电路。其中，时钟脉冲产生电路有着极重要的作用，能够计算得到需要的脉冲，合理设置电容和电阻的大小，使其发出不同频率，产生不一样的脉冲，以使电路更好的工作，并控制发光二极管，同时该脉冲也是计数器的控制信号。其中计数器和开关控制电路都有多种实现方案，要采用产生竞争和冒险情况几率尽可能小的电路。 由以上仿真结果，可以看出本次设计从总体框图设计到具体单元电路的设计都符合工程设计流程，基本做到理论与实践的结合。仿真结果基本达到设计预想，能够实现应有的功能。由仿真结果，总体上能满足设计要求。但在临时刹车时，闪烁的频率并不稳定。 可能是由于555构成的多谐震荡电路精度不高，稳定性不好造成的。同时在切换状态时有一定的延时，可能由于线路中经过较多芯片，而芯片的响应速度不一致，而导致信号的传输延时。本电路采用的都是简单且常见的元器件，价格相对便宜，性能基本符合设计要求。但是产生的时钟信号并不十分准确，所以只适用于技术要求不是分严格的电路总结体会一周的课程设计就要结束了，总的来说我收获很多。这个设计题目要求是比较简单的，但是我的设计过程并不是一帆风顺的。第一次独立地做课程设计，一个星期的努力：从分析任务书、查找资料、比较确定设计方案，再到局部电路的设计，再到总电路图的连接、仿真，现在终于完成了对整个设计的说明及结论的分析。在设计过程中，我在不断地学习、不断地反思。首先谈谈在设计过程中遇到的问题和解决方法。1、 设计思路的确定。其实刚拿到这个题目，大脑基本是空白的。知道这种控制电路时要将模拟状态转化成数字信号控制电路产生，但是想到电子技术，大脑里只剩下模电课堂上那些晶体管和场效应管、数电课堂上的几个组合逻辑电路。怎样把理论的知识同实际要求联系起来呢？先把几种状态列了个真值表出来，然后在图书馆查了资料，参考网上给出的几种设计结构图，最终确定了设计思路。2、 单元电路的设计。时钟脉冲电路我采用的是555定时器；译码和显示电路用了共阴极的发光二极管和与门构成的电路；而要产生循环控制的三进制计数电路有几种设计方案呢？以及开关控制电路也有不同的方案实现，应该怎么设计并做出选择呢？这两个单元电路有很多种设计方案，在此说明书中我各介绍了两种比较容易实现的方案。3、 芯片的选择使用。在设计过程中，我在网上查找了74系列芯片，认真分析对比其功能，选择使用了合理的芯片。4、 仿真的过程。开始把设计方案确定之后，便画出了电路图，首选是MULTISIM仿真。但是这个仿真软件在学习时候就没有很熟练地操作，所以隔了很长时间不用，需要自己再进行练习。熟悉软件之后，我发现我设计的电路控制作用与要求恰恰相反，经过波形检测，发现时开关处有问题。解决了开关问题，仿真成功了。5、 PROTEL软件的使用。原理图很快就完成了，但是封装生成印制PCB板就没那么容易实现了。我又重新翻书学习各元件的封装，排除了错误，才生成了正确的PCB版图。然后谈谈在设计过程中，我的反思和体会。1、 学习方法需要进一步调整：理论与实践相结合，学会用简单逻辑电路设计组合逻辑电路实现预设功能；学会与同学合作，解决问题需要集思广益，多讨论和交流；学会查找及合理利用资料，扩展视野，拓宽知识来源途径；对于资料上的参考方案要结合实际和社会发展不断创新和调整，形成自己的思路和解决方式。2、 做事态度需要进一步改善。当总体设计实现这后，很多细节问题需要注意，必须静下心来一步步进行；从这次设计，我更加体会到专业创新的重要性。以后要牢固掌握基本原理，在此基础上才能创新出自己的产品。3、 独立解决问题的勇气和自信心需要进一步加强。在这次设计中，面对困难，首先我独立思考，寻找解决方案。对于一些自己解决不了的，及时向老师和同学寻求帮助；而需要自己花时间和耐心去熟悉的软件、分析的电路我都会坚持自己认真做出来。 以上是我通过本次课程设计，得到的心得体会。 虽然，我设计的这个电路相对来讲比较简单，但是这个过程让我学会了很多。课程设计是