汽车尾灯论文

基于 555 多谐振荡器的汽车尾灯控制电路设计 摘 要 本次设计的汽车尾灯控制电路是用数字电路实现的 汽车尾灯显示控制电路是汽车尾灯电 路的重要组成部分 主要完成控制与驱动功能 具体电路由三进制计数器电路 汽车行驶 状态开关模拟电路和汽车行驶状态显示电路三部分组成 在本次设计中 使用 555 多谐振荡器来制作电路脉冲产生器 产生时钟脉冲 CP 在三进制 计数器电路部分用到了数字电路中的触发器 时序逻辑电路的设计和卡诺图的化简 使用 到 JK 触发器芯片 74LS76 在汽车行驶状态开关模拟电路部分则用到了组合逻辑电路中译码 器及逻辑门电路 使用到 3 8 译码器芯片 74LS138 与门芯片 74LS08 与非门芯片 74LS00 和或门芯片 74LS32 等 在汽车行驶状态显示电路中用发光二极管模拟显示汽车正常行驶 左转 右转和紧急刹车的四种状态 关键词 数字电路 555 多谐振荡器 三进制计数器 触发器 发光二极管 目 录 一 绪论 1 1 1 课题研究背景及意义 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 1 2 1 研究状况 1 1 2 2 发展趋势 1 1 3 本文主要工作安排与方案论述及方案确定 2 1 3 1 主要工作安排 2 1 3 2 设计任务与设计要求 2 1 3 3 方案论述与确定 3 二 基本理论知识 5 2 1 主要芯片介绍 5 2 1 1 555 定时器 5 2 1 2 与非门 74LS00 6 2 1 3 异或门 74LS136 7 2 1 4 JK 触发器 74LS76 8 2 1 5 3 线 8 线译码器 74LS138 12 2 2 各单元电路设计 13 2 2 1 555 时钟脉冲电路设计 13 2 2 2 三进制循环控制电路设计 15 2 2 3 开关控制电路设计 16 2 2 4 译码及显示驱动电路设计 17 三 总体电路设计 19 3 1 总体汽车尾灯控制电路设计原理图 19 3 2 汽车尾灯控制电路的主要工作原理 19 四 电路测试与仿真 21 五 总 结 25 参考文献 26 附录 27 一 绪论 1 1 课题研究背景及意义 在现代社会中 汽车已成为不可缺少的交通工具 其不单单是一种代步工具 还是一种社 会生活水平的象征 但是 汽车在带给我们方便的同时 也带来了大量的交通事故 据有 关部门统计 大量事故都是在几条道路的转弯处发生或是因为前面的车辆突然间刹车 后 面的车辆没有及时注意等情况下发生的 所以汽车尾灯作为一种警示灯 其重要性就体现 出来了 老式汽车尾灯通常基于传统的机械和纯电路的控制方式 完全取决于尾灯系统所采用的硬 件来保证它的正常工作 一旦电路老化或者因为机械振动而引起的接触问题以及机械元件 变形将不能及时触发电路电源开关 从而导致电路出现故障 这类问题是经常发生的 而 除了选用更好的硬件系统元件外几乎没有别的可靠的方法来避免这类故障的发生 于是 选用智能型的元件来进行系统的设计 增加系统的稳定性和可控制性是非常必要且有重要 意义的 1 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 研究状况 现代汽车尾灯是 19 世纪 90 年代末由美国哥伦比亚号汽车把电灯作为前灯和尾灯 最早提 出的一种尾灯结构形式 它是在汽车尾灯逐步进步的基础上发展起来的 其中包含了尾灯 的光源及其控制系统 反射镜 照射镜等 随着氙气灯的使用 驾驶的安全性与舒适性得 到很大的改善 不仅有助于缓解人们夜间驾驶的紧张与疲劳 而且克服了驾驶人员的安全 问题并使汽车的尾灯使用寿命加长 现代汽车尾灯控制电路一般是用基于微处理器的硬件电路结构构成 但因为硬件电路存在 局限性 不能随意的更改电路的功能和性能 所以可靠性不高 因此对汽车尾灯控制系统 的发展带来了一定的局限性 目前 汽车尾灯控制电路是一种应用极为广泛的设备 具有 很好的性价比 2 1 2 2 发展趋势 汽车技术的发展趋势是电子化 智能化 信息化和集成化 当前国际汽车市场上 汽车电 子化竞争非常激烈 电子控制系统的应用十分普遍 统计数据表明 在国外著名汽车制造 厂商中 每辆汽车平均消耗电子产品费用占整车的 30 左右 其中光微处理器多达 50 多个 越是高档汽车电子化程度越高 汽车电子最显著特征是向控制系统化推进 用传感器 微 处理器 MPU 执行器 数十甚至上百个电子元器件及其零部件组成的电控系统 正获得极 其广泛的市场 3 随着计算机技术发展 国外大型车灯控制公司已开始采用智能仿真设计 4 据报道 德国的 BO SCH 公司 HELLA 公司和日本的小糸车灯公司等都已采用仿真设计 5 自 20 世纪 90 年 代以后 随着 CAD CAM 技术发展 尾灯电路出现配光仿真设计 并采用复杂的三维空间光 线光路计算 6 但国内外公开发表的文献不多 7 随着汽车工业的发展 汽车尾灯控制电路的发展也日新月异 一体化 轻型化 智能化 美观化已成为汽车尾灯及其控制电路的必然趋势 8 9 1 3 本文主要工作安排与方案论述及方案确定 1 3 1 主要工作安排 研究汽车尾灯控制电路是本文的重点 其主要工作安排如下 首先 主要阐述本文研究的背景 意义 国内外研究现状及发展趋势 其次 提出两种不 同的设计方案 通过计算比较采用较优的设计方案 再次 对所选方案中芯片进行介绍及 设计各单元电路 最后 把各单元电路进行整合优化 得出总的设计电路图 达到预期的 设计要求 并对所设计的电路进行仿真 1 3 2 设计任务与设计要求 1 设计任务 设计一个汽车尾灯控制电路 用六个发光二极管模拟汽车尾灯 左右各三个 用开关 S1 S0 选择控制汽车正常运行 右转弯 左转弯和刹车时尾灯的情况 2 设计要求 1 汽车正常运行时尾灯全部熄灭 2 汽车左转弯时左边的三个发光二极管按顺序循环点亮 3 汽车右转弯时右边的三个发 光二极管按顺序循环点亮 4 汽车刹车时所有的指示灯随 CP 脉冲同时闪烁 设计要求 具体见表 1 1 表 1 1 汽车尾灯显示状态变化表 开关控制 左转弯 右转弯 S1 S0 运行状态 左边尾灯 D1 D2 D3 右边尾灯 D4 D5 D6 0 0 正常运行 灯灭 灯灭 0 1 右转弯 灯灭 按 D4D5D6 顺序循环点亮 1 0 左转弯 按 D1D2D3 顺序循环点亮 灯灭 1 1 临时刹车 所有尾灯同时闪烁 本方案设计采用 555 定时器实现时钟脉冲电路 产生触发由 JK 触发器构成的三进制计数器 的脉冲信号 CP 实现三进制循环 将三进制计数器的输出信号作为 74LS138 译码器地址端 的输入信号 从而实现对灯的循环控制 通过对输入地址码的改变使译码器的不同输出端 有效 再配合六个与非门实现对刹车和正常运行等运行情况时灯的闪烁情况控制 其中闪 烁的频率控制由 555 定时器设计完成 而对于转弯时尾灯的循环点亮则由三进制计算器的 输出作为 3 8 译码器的地址输入端实现 其系 统框图见图 1 2 所示 二 基本理论知识 2 1 主要芯片介绍 2 1 1 555 定时器 555 定时器是美国 Signetics 公司 1972 年研制的用于取代机械式定时器的中规模集成电路 因输入端设计有三个 5k 的电阻而得名 此电路后来竟风靡世界 目前 流行的产品主要 有 4 个 BJT 两个 555 556 含有两个 555 CMOS 两个 7555 7556 含有两个 7555 555 定时器可以说是模拟电路与数字电路结合的典范 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件 一般用双极性工艺制作的称 为 555 用 CMOS 工艺制作的称为 7555 除单定时器外 还有对应的双定时器 556 7556 555 定时器的电源电压范围宽 可在 4 5V 16V 工作 7555 可在 3V 18V 工作 输出驱动电流约为 200mA 因而其输出可与 TTL CMOS 或者模拟电路电平兼容 13 其内 部电路框图及外引脚排列图见图 2 1 555 定时器成本低 性能可靠 只需要外接几个电阻 电容 就可以实现多谐振荡器 单 稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路 它也常作为定时器广泛应用于仪器仪 表 家用电器 电子测量及自动控制等方面 555 定时器的内部包括两个电压比较器 三 个等值串联电阻 一个 RS 触发器 一个放电管 T 及功率输出级 它提供两个基准电压 VCC 3 和 2VCC 3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定 两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管 的状态 在电源与地之间加上电压 当 5 脚悬空时 则电压比较器 C1 的同相输入端的电压 为 2VCC 3 C2 的反相输入端的电压为 VCC 3 若触发输入端 TR 的电压小于 VCC 3 则比 较器 C2 的输出为 0 可使 RS 触发器置 1 使输出端 OUT 1 如果阈值输入端 TH 的电压大 于 2VCC 3 同时 TR 端的电压大于 VCC 3 则 C1 的输出为 0 C2 的输出为 1 可将 RS 触发 器置 0 使输出为 0 电平 它的各个引脚功能如下 1 脚 外接电源负端 VSS 或接地 一般情况下接地 2 脚 低触发端 3 脚 输出端 Vo 4 脚 是直接清零端 当端接低电平时基电路不工作 此时不论 TH 处于何电平 时基电路输出为 0 该端不用时应接高电平 5 脚 VC 为控制电压端 若此端外接电压 则可改变内部两个比较器的基准电 压 当该端不用时 应将该端串入一只 0 01 F 电容接地 以防引入干扰 6 脚 TH 高触 发端 7 脚 放电端 该端与放电管集电极相连 用做定时器时电容的放电 8 脚 外接电源 VCC 双极型时基电路 VCC 的范围是 4 5V 16V CMOS 型时 基电路 VCC 的范围为 3V 18V 2 1 2 与非门 74LS00 与非门是与门和非门的结合 先进行与运算 再进行非运算 与运算输入要求有两个 如 果输入都用 0 和 1 表示的话 那么与运算的结果就是这两个数的乘 积 如 1 和 1 两端都有信号 则输出为 1 1 和 0 则输出为 0 0 和 0 则输出为 0 与非门的结果就是对两个输入信号先进行与运算 再对此与运算结果进行非运算的结果 如图 2 2 和图 2 3 为与非门两种逻辑符号表示 在图 2 2 和图 2 3 中 A B 为输入端 C 为 输出端 由与非门真值表 2 1 可得 输入有 0 则输出 1 输入全为 1 才输出 0 本次设计中用到的 74LS00 是常用的 2 输入 4 与非门集成电路芯片 它的作用就是实现一个 与非门 其引脚图见图 2 4 2 1 3 异或门 74LS136 异或门 Exclusive OR gate 简称 XOR gate 又称 EOR gate EXOR gate 是数字逻辑中实现 逻辑异或的逻辑门 有 2 个输入端 1 个输出端 若两个输入的电平相异 则输出为高电 平 1 若两个输入的电平相同 则输出为低电平 0 图 2 5 和图 2 6 分别为异或门的两种逻 辑符号表示 本次设计中用到的异或门集成芯片为 74LS136 为 3 输入 4 异或门集成电路芯片 其引脚 图见图 2 7 2 1 4 JK 触发器 74LS76 JK 触发器是数字电路触发器中的一种电路单元 JK 触发器具有置 0 置 1 保持和翻转功 能 在各类集成触发器中 JK 触发器的功能最为齐全 在实际应用中 它不仅有很强的通 用性 而且能灵活地转换其他类型的触发器 由 JK 触发器可以构成 D 触发器和 T 触发器 图 2 8 为 JK 触发器的逻辑符号 JK 触发器的状态方程为 这里 Qn 表示现态 Qn 1 表示次态 现态表示时钟脉冲来到之前的触发器的输出状态 次态表示时钟脉冲来到之后的状态 10 11 主从型 JK 触发器电路图如图 2 10 所示 它由两个可控 RS 触发器串联组成 分别称为主触 发器和从触发器 J 和 K 是信号输入端 时钟 CP 控制主触发器和从触发器的翻转 当 CP 0 时 主触发器状态不变 从触发器输出状态与主触发器的输出状态相同 当 CP 1 时 输入 J K 影响主触发器 而从触发器状态不变 当 CP 从 1 变成 0 时 主触发器的状 态传送到从触发器 即主从触发器是在 CP 下降沿到来时才使触发器翻转的 下面分四种情 况来分析主从型 JK 触发器的逻辑功能 1 J l K l 设时钟脉冲到来之前 CP 0 触发器的初始状态为 0 这时主触发器的 R K Q 0 S J 1 Q 时钟脉冲到来后 CP l 主触发器翻转成 1 态 当 CP 从 1 下跳为 0 时 主触发器状 态不变 从触发器的 R 0 S 1 它也翻转成 1 态 反之 设触发器的初始状态为 1 可以 同样分析 主 从触发器都翻转成 0 态 可见 JK 触发器在 J 1 K 1 的情况下 来一个时 钟脉冲就翻转一次 即 QQn 1 具有计数功能 2 J 0 K 0 设触发器的初始状态为 0 当 CP 1 时 由于主触发器的 R 0 S 0 它的状态保持不变 当 CP 下跳时 由于从触发器的 R 1 S 0 它的输出为 0 态 即触发器保持 0 态不变 如 果初始状态为 1 触发器亦保持 1 态不变 3 J 1 K 0 设触发器的初始状态为 0 当 CP l 时 由于主触发器的 R 0 S 1 它翻转成 1 态 当 CP 下跳时 由于从触发器的 R 0 S 1 也翻转成 1 态 如果触发器的初始状态为 1 当 CP 1 时 由于主触发器的 R 0 S 0 它保持原态不变 在 CP 从 1 下跳为 0 时 由于从触发器 的 R 0 S 1 也保持 1 态 4 J 0 K 1 设触发器的初始状态为 1 态 当 CP 1 时 由于主触发器的 R 1 S 0 它翻转成 0 态 当 CP 下跳时 从触发器也翻转成 0 态 如果触发器的初始状态为 0 态 当 CP 1 时 由于主 触发器的 R 0 S 0 它保持原态不变 在 CP 从 1 下跳为 0 时 由于从触发器的 R 1 S 0 也保持 0 态 本次设计中使用的 JK 触发器集成芯片为 74LS76 74LS76 是带有预置和清零输入的双 JK 触 发器 属于下降沿触发的边沿触发器 其特性方程同样为 74LS76 触发器的引脚如下图 2 11 所示 共 16 个引脚 其功能表和真值表分别见表 2 3 和 表 2 4 2 1 5 3 线 8 线译码器 74LS138 译码器是一种具有 翻译 功能的逻辑电路 这种电路能将输入二进制代码的各种状态 按照其原意翻译成对应的输出信号 有一些译码器设有一个和多个使能控制输入端 又成 为片选端 用来控制允许译码或禁止译码 74LS138 是一种译码器 由于 74LS138 有 3 个输入端 8 个输出端 所以 又称为 3 线 8 线译码器 三个输入端 CBA 共有 8 种状态组合 000 111 可译出 8 个输出信号 Y0 Y7 这种译码器设有三个使能输入端 当 E1 与 E2 均为 0 且 E1 为 1 时 译码器处于 工作状态 输出低电平 当译码器被禁止时 输出高电平 当一个选通端 E1 为高电平 另两个选通端 E2 和 E3 为低电平时 可将地址端 A B C 的 二进制编码在 Y0 至 Y7 对应的输出端以低电平译出 比如 ABC 110 时 则 Y6 输出端有效 输出低电平信号 图 2 12 所示为 74LS138 的引脚图 图中 A B C 为译码地址输入端 E1 E2 E3 三个端 口为选通端 Y0 Y7 为译码输出端 低电平有效 表 2 5 为 3 线 8 译码器 74LS138 的功 能表 2 2 各单元电路设计 2 2 1 555 时钟脉冲电路设计 由于 555 定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定 不易受干扰 12 而且本次控制电路 的设计中对脉冲精度要求不高 只要能实现可调即可 故在该单元电路设计中选择采用 555 定时器构成多谐振荡器作为脉冲产生电路 多谐振荡器又称为无稳态触发器 它没有稳定的输出状态 只有两个暂稳态 在电路处于 某一暂稳态后 经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态 两个暂稳态自行相互转换 而输出一系列矩形波 多谐振荡器可用作方波发生器 13 14 由 555 定时器构成的多谐振荡器如图 2 13 所示 R1 R2 和 C1 是外接定时元件 电路中将 高电平触发端 THR 和低电平触发端 TRI 并接后接到 R2 和 C1 的连接处 将放电端 DIS 接 R1 R2 的连接处 由于接通电源瞬间 电容 C 来不及充电 电容器 C1 两端电压 UC 为低电平 小于 1 3 Vcc 故高电平触发端与低电平触发端均为低电平 输出端 OUT 输出 UO 为高电平 放 电管截止 这时 电源经 R1 R2 对电容 C1 充电 使电压 Uc 按指数规律上升 当 Uc 上升 到 2 3 Vcc 时 输出 Uo 为低电平 放电管导通 把 Uc 从 1 3 Vcc 上升到 2 3 Vcc 这段时间内电路的状态称为第一暂稳态 其维持时间 TPH 的长短与电容的充电时间有关 充电时间常数为 R1 R2 C1 由于放电管导通 电容 C1 通过电阻 R2 和放电管放电 电路进人第二暂稳态 其维持时间 TPL 的长短与电容的放电时间有关 放电时间常数随着 C 的放电 Uc 不断下降 当 Uc 下 降到 1 3 Vcc 时 输出 Uo 为高电平 放电管截止 Vcc 再次对电容 C1 充电 电路又翻 转到第一暂稳态 可以理解 接通电源后 电路就在两个暂稳态之间来回翻转 则输出端 可得矩形波 电路一旦起振后 Uc 电压总是在 1 3 2 3 Vcc 之间变化 图 2 14 所示为 其工作波形 根据图 2 14 可以确定振荡周期为 T TPH TPL TPH 对应充电时间为 TPH 0 7 R1 R2 C TPL 对应充电时间为 TPL 0 7R2C 振荡周期为 T TPH TPL 0 7 R1 R2 C 振荡频率 为 f 1 T 当取 R1 10K R2 510K C 1Uf 时 可算出产生的频率为 1HZ 即使得振荡周期为 1S 2 2 2 三进制循环控制电路设计 要实现三进制计数 其状态图如表 2 6 所示 根据 JK 触发器的 状态激励方程 nnnQKQJQ 1 可得出 J Q0n K Q1n 三进制计数器可由两个 JK 触发器连接实现 其电路图如 2 15 所示 2 2 3 开关控制电路设计 因为设计中要控制汽车的四种运行状态 所以至少要通过两个开关的不同闭 合组合来表 示四种不同的状态 假设两个控制开关分别为 S0 S1 设译码器和显示驱动电路的使能端控制信号分别为 G 和 A G 与译码器 74LS138 的使能输 入端 G1 相连接 A 与现实驱动电路中与非门的一端相连接 根据总体功能表分析及组合的 G A 与给定条件开关 S1 S0 CP 的关系真值表如表 2 7 所示 2 2 4 译码及显示驱动电路设计 译码与驱动显示电路采用 74LS138 六个与非门和六个反相器组成 74LS138 的三个输 入端 C B A 分别接入 S0 Q1 Q0 当 S1 1 S0 0 时 使能端信号 A G 1 计数器的状态 为 00 01 10 时 译码器对应输出端 Y0 Y1 Y2 依次为低电平有效 经与非门及使得与 R3 R4 R5 相连的指示灯 d1d2d3 按顺序循环点亮 示意汽车左转弯 同理当 S1 0 S0 0 的时候指示灯 d4d5d6 按顺序循环点亮 示意汽车右转弯 当 G 0 A 1 时 74LS138 的输出 端全为 1 为高电平 此时指示灯全灭 示意汽车正常行驶 而当 G 0 A CP 时 所有指示 灯将随 CP 的频率循环闪烁 示意汽车紧急刹车 其译码显示驱动电路图如图 2 17 所示 三 总体电路设计 3 1 总体汽车尾灯控制电路设计原理图 根据第二章中各单元电路的设计 将 555 定时器构成的多谐振荡器 三进制循环控制电路 开关控制电路和译码及显示驱动电路进行整合调试得到所设计的汽车尾灯控制电路的总原 理图 如图 3 1 所示 3 2 汽车尾灯控制电路的主要工作原理 汽车尾灯控制电路主要由开关控制电路 三进制计数器 译码电路 显示 驱动电路及 555 时钟脉冲电路构成 开关控制电路由异或门 二输入与非门和三输入与非门等构成 三进制计数器设计成用两片 JK 触发器构成 译码电路用 3 线 8 线译码器 74LS138 和 6 个 与非门构成 显示 驱动电路由 6 个发光二极管和 6 个反向器构成 555 时钟脉冲电路由 555 定时器及电阻 电容构成 汽车左转弯或右转弯时 在 555 多谐振荡器所产生的时钟脉冲触发下 三进制计数器控制 译码器电路顺序输出低电平 从而控制尾灯按要求循环点亮 这样就实现了设计电路所需 实现的功能 两个可控制的开关 S0 S1 可产生 0 0 0 1 1 0 1 1 四种状态 1 开关置为 0 0 状态时 表示汽车处于正常运行状态 所有尾灯全部熄灭 2 开关置为 0 1 状态时 表示汽车处于右转弯状态 尾灯按 d4d5d6 顺序循环点亮 3 开关置为 1 0 状态时 表示汽车处于左转弯状态 尾灯按 d1d2d3 顺序循环点亮 4 开关置为 1 1 状态时 表示汽车处于刹车状态 所有尾灯随时钟脉冲 CP 同时闪烁 例 如开关 S1 闭合 S0 断开 即开关 S1S0 10 与开关相连的异或门输出为高电平 1 此时 使得 3 8 译码器的使能端 E3 有效 3 线 8 线译码器正常工作 译码器的地址端 C 端与 开关 S0 相连 因为 S0 断开 所以 S0 端为 0 而三进制计数器在多谐振荡器的输出脉冲 触发下实现 00 01 10 的三进制循环 即译码器的 BA 两端口输入信号依次为 00 01 10 结合此时 C 端输入信号 0 则译码器译码地址输入端 CBA 信号分别为 000 001 010 经译码器译码后 译码器输出端 Y0 Y1 Y2 循环为低电平 输出有效 此时 D1 D2 D3 被循环点亮 因开关 S0 断开 译码器 C 端为低电平 所以 D4 D5 D6 熄灭 这 样就完成了汽车左转弯时尾灯的控制 同理得到在开关 S1S0 00 S1S0 01 S1S0 11 时所 设计的电路同样能实现汽车尾灯正常行驶 右拐弯和紧急刹车控制的功能 开关 S1 S0 都闭合 汽车紧急刹车 所有尾灯 D1 D6 循环闪烁 开关 S1 S0 都断开 汽车正常行驶 所有尾灯 D1 D6 熄灭 开关 S1 断开 S0 闭合 汽车右拐弯 尾灯 D4 D6 循环闪烁 D1 D3 熄灭 开关 S1 闭合 S0 断开 汽车左拐弯 尾灯 D1 D3 循环闪烁 尾灯 D4 D6 熄灭 五 总结 五年的读书生活在这个季节即将划上一个句号 而于我的人生却只是一个逗号 我将面对 又一次征程的开始 四年的求学生涯在师长 亲友的大力支持下 走得辛苦却也收获满囊 在论文即将付梓之际 思绪万千 心情久久不能平静 通过汽车尾灯控制电路的设计 使我了解到数字电路及其芯片的应用面广 功能强大 使 用方便 并且已经广泛地应用在各种机械