汽车尾灯控制器设计——完整版

1、1、 Proteus 简介1.1 概述Proteus 软件是英国Labcenter electronics 公司出版的EDA 工具软件 （该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。 它不仅具有其它EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus 是世界上著名的EDA 工具（仿真软件 ），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB 设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件

2、、PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、 HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086 和 MSP430 等，2010 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面， 它也支持IAR、 Keil 和 MPLAB 等多种编译器。1.2 具有四大功能模块：1.2.1 智能原理图设计（ISIS）丰富的器件库：超过27000种元器件，可方便地创建新元件；智能的器件搜索：通过模糊搜索可以快速定位所需要的器件；智能化的连线功能：自动连线功能使连接导线简单快捷，大大缩短绘图时

3、间；支持总线结构：使用总线器件和总线布线使电路设计简明清晰；可输出高质量图纸：通过个性化设置，可以生成印刷质量的BMP 图纸，可以方便地供WORD 、 POWERPOINT 等多种文档使用。1.2.2 完善的电路仿真功能（Prospice）Prospice混合仿真：基于工业标准SPICE3F5,实现数字/模拟电路的混合仿真；超过 27000个仿真器件：可以通过内部原型或使用厂家的SPICE 文件自行设计仿真器件，Labcenter 也在不断地发布新的仿真器件，还可导入第三方发布的仿真器件；多样的激励源：包括直流、正弦、脉冲、分段线性脉冲、音频（使用wav文件） 、指数信号、单频FM 、数字时钟

4、和码流，还支持文件形式的信号输入；丰富的虚拟仪器：13 种虚拟仪器，面板操作逼真，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器、直流电压/ 电流表、交流电压/ 电流表、数字图案发生器、频率计/ 计数器、逻辑探头、虚拟终端、SPI 调试器、I2C 调试器等；生动的仿真显示：用色点显示引脚的数字电平，导线以不同颜色表示其对地电压大小，结合动态器件（如电机、显示器件、按钮）的使用可以使仿真更加直观、生动；高级图形仿真功能（ASF） ：基于图标的分析可以精确分析电路的多项指标，包括工作点、瞬态特性、频率特性、传输特性、噪声、失真、傅立叶频谱分析等， 还可以进行一致性分析；1.2.3 独特的单片机协同仿真功能（VS

5、M）支持主流的CPU 类型：如ARM7、 8051/52、 AVR、 PIC10/12 、 PIC16、 PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp 8086、MSP430 等，CPU 类型随着版本升 级还在继续增加，如即将支持CORTEX 、 DSP 处理器；支持通用外设模型：如字符LCD 模块、图形LCD 模块、 LED 点阵、 LED 七段显示模块、键盘/ 按键、直流/ 步进 / 伺服电机、RS232 虚拟终端、电子温度计等等，其 COMPIM （ COM 口物理接口模型）还可以使仿真电路通过PC 机串口和外部电路实现双向异步串行通信；实时仿真：支持UART/

6、USART/EUSARTs 仿真、中断仿真、SPI/I2C 仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真；编译及调试：支持单片机汇编语言的编辑/ 编译 / 源码级仿真，内带8051、 AIAR 、 Keil 和 Hitech )VR、 PIC 的汇编编译器，也可以与第三方集成编译环境（如结合，进行高级语言的源码级仿真和调试；1.2.4 实用的PCB设计平台原理图到PCB 的快速通道：原理图设计完成后，一键便可进入ARES 的 PCB 设计环境，实现从概念到产品的完整设计；先进的自动布局/布线功能：支持器件的自动/人工布局；支持无网格自动布线或人工布线；支持引脚交

7、换/ 门交换功能使PCB 设计更为合理；完整的 PCB 设计功能：最多可设计16 个铜箔层，2 个丝印层，4 个机械层 （含板边） ，灵活的布线策略供用户设置，自动设计规则检查，3D 可视化预览；多种输出格式的支持：可以输出多种格式文件，包括Gerber 文件的导入或导出，便利与其它PCB 设计工具的互转（如protel ）和 PCB 板的设计和加工。1.3 Proteus提供丰富的功能模块1.3.1 Proteus 可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30 多个元件库。1.3.2 Proteus可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、 SPI调试器

8、、 I2C 调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同一种仪器可以在一个电路中随意的调用。1.3.3 其他功能 除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。1.3.4 Proteus可提供的调试手段 Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。这些测试信号包括模拟信号和数字信号。精选范本2、设计要求与思路2.1 设计目的与要求设计目的：设计一个汽车

9、尾灯控制器，实现对汽车尾灯状态的控制。设计要求：在汽车尾部左右两侧各有3个指示灯（假定用发光二极管模拟），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 设计思路与构想总体设计思路与构想 ：初步确定本次设计实验分为三个步骤进行：第一步设计出秒脉冲电路， 第二步设计三进制电路，第三步控制开关的状态组合。2.2.1 汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系为了区分汽车尾灯的4种不同的显示模式，需设置

10、2个状态控制变量。假定用开关 K1和K0进行显示模式控制，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汽车运行状态左转尾灯右转尾灯K2K1D1 D2 D3D4 D5 D600正常运行火火01右转弯按 D3、 D2、D1顺序循环点亮火火10左转弯火火按 D4、D5、D6顺序循环点亮11临时刹车所有尾灯同时闪烁2.2.2 汽车尾灯控制器功能描述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。设三进制计数器的状态用Q1和Q0表示，可得出描述指示灯 D1、D2

11、、D3、D4、D5、D6与开关控制变 量K1、K0,计数器的状态Q1、Q0以及时钟脉冲CP之间关系的功能表如表2.2所示（表 中指示灯的状态“1”表示点亮，“ 0”表示熄灭）。表2.2汽车尾灯控制器功能表控制变量计数器状态汽布尾灯K1K0Q1Q0D1D2D3D4D5D600dd000000000010000101010000101000000000010010010000101000000111ddcpCPCPCPcpcp根据以上设计分析与功能描述，可以得出汽车尾灯控制器的结构框图，如下图所示口号与显示驱动里引-A显小驱动电路产尾灯状态显不：* I二|译科电路二进制计裁器结合以上设计分析与功能

12、描述，在原假设设计思路和构想上，可得出汽车尾灯控制器 的结构框图。整个电路可由秒脉冲电路、开关控制电路、三进制电路、译码与显示驱动 电路、尾灯状态显示5部分组成。3、单元电路设计3.1 秒脉冲电路的设计3.1.1 方案一：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。3.1.2 方案二：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。555定时

13、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。因此采用此方案。图 3.1 555定时器的引脚图1 - GND2 - Triggs3 - Output4 - Reset5 - Control voltage6 - Thres-hold7 - Discharge8 -Vcc1Hz的秒脉冲即图3.1 555定时器的引脚图由于本次实验对脉冲的要求不高，同时根据实验要求，只要设计出一个频率为可。此时采用简单的由 555构成的多谐振荡器

14、，电路原理如图 3.2所示。精选范本, 02,tTeCF. l8喝EQ. .h w,DlLTfR2河.RXH.图3.2用NE555制作脉冲发生器的原理图1 mw:,Fi-rllHH-1 I图3.2.1产生脉冲波形图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 G和F（U4的5端），G与译码器74LS138 的使能输入端G1相连接，F与显示驱动电路中与非门的一个输入端相连接。由总体逻辑功能可知，G和F与开关控制变量，K1、K0以及时钟脉冲CP之间的关系如表3.1所 示。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K1K0CPEF0

15、0d00汽车正常行驶（此时译码器不，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，尾灯全部熄火）01d11汽布右转弯行驶（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/顺序循环点亮）10d11汽布左转弯行驶（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在译码器输出作用卜 顺序循环点亮）11cp0cp汽布临时刹车（此时译码器不，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

16、脉冲cp作用卜同时闪烁）根据G和F的逻辑表达式产二无无+用0 +箱无十匹b=石+不&匹8=K匹 + CP可画出开关控制电路。如图3.沂示图3.3开关控制电路3.3 三进制计数器电路的设计三进制计数器的状态表如表3.2所小。表3.2三进制计数器的状态表现态次宓Q1Q0Q1Q000010110100011清零3.3.1 方案一：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（7476芯片引脚图如图3.7所示），因此电路结构简单，成本低，所以选用此方案3.3.2 方案二：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74LS74芯片实现，以

17、及74LS00与非门和 74LS04非门来实现此电路。由于电路结构较之上一方案有点复杂， 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3.4为74LS76弓I脚图，利用74LS76实现三进制计数电路如图3.5所示。图3.4 74LS76芯片弓I脚图图3.5三进制计数器3.4 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其功能表如表3.3所示）、6个反相器构成。1 .图中，译码器74LS138的输入端

18、C、B、A分别接K1、Q1、Q0。当图中G=F=0、K1=0 时，对于计数器状态 Q1Q0为00、01、10,译码器输出依次为0,使得与指示灯 D1、 D2、D3对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯D1、D2、D3依次顺序点亮，示意汽车左转弯；2 .当图中G=F=0、K1=1时，对于计数器状态 Q1Q0为00、01、10,译码器输出依次为 0,使得与指示灯D4、D5、D6对应的反相器输出依次为低电平， 从而使指示灯D4、D5、 D6依次顺序点亮，示意汽车右转弯；3 .当图中G=0, F=0时，译码器输出为全1,使所有指示灯对应的反相器输出全部为高 电平，指示灯全部熄灭；4 .当图中G=0

19、, F=cp时，所有指示灯随cp的频率闪烁。实现了 4种不同模式下的尾灯状态显示。表3.3为74LS138译码器的功能真值表。74LS138译码器接法如图3.7所示k匕R匕月匕1匕1615 14 13 12 11 10 974LS1381 2 3 4 5 6 7 8444区典应匕图3.6 74LS138译码器引脚图表3.3 74LS138功能表InputsOutputsEnableSelectcBAYUY12Y3V4Y5VGF7XHXXXHHHrnHHHHLXXXXTHHHHHI-PHLLLLLHHHHHHHHLLLHHLHHHHPPHLLHLHHLHHHHHHLLHHTHHLHHHPHLHL

20、LHHHHLHHHHLHLHTHHHHL卜卜HLHHLHHHHHHLHHLHHHTHHHHHRL1612JSQCLKKRQU1:A15U4:AU4旧U5:AZH4LS： 74LS00JSQCLKKRQ10Q87476ZD-74LS00AY0BY1CY2Y3Y4E1Y5E2Y6E3Y7U2:D74LS04YU2:EX7 U2：f74LS04 Z 74LS04KIK2图3.7 74LS138空制译码显示电路BATt量TENTa -LED-REDLED-REDD6LED-RED qTEXT、I3.5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1个电阻组成，图3.8中，当6个反相器的输

21、出为低电平时，相应发光二极管被点亮。LM-BI -II |- Hr1l. . .coin-74LS04- V -74LS04.74LS04 IK T-,寸丫 GEKTa Jr- TEXT W图3.8二极管发光电位4、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其工作原理图如图4.1所示，经过以上所述的设计内容及要求的分析，可以图4.1汽车尾灯控制器电路原理图将电路分为以下几部分：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二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，Q1、Q2 分别接到74LS138的QA、QB上，此信号提供左转、右转的原始信号，通过控制QC端 来实现左转、右转。最后，左转、右转的原始信号输出的有效电平为低电平，所以直接接到发光二极管的 负极，而且6个非门以及由控制端F和CP信号作为输入的74LS