汽車尾燈控制電路課程設計

緒論1.1課題研究背景及意義現(xiàn)代汽車尾燈是19世紀90年代末由美國哥倫比亞號汽車把電燈作為前燈和尾燈，而提出的最早的一種尾燈結構形式。它是在電燈技術逐步進步的基礎上發(fā)展起來的，其中包含了尾燈的光源及其控制系統(tǒng)、反射鏡、照射鏡等。隨著氙氣燈的使用，駕駛的安全性與舒適性得到很大的改善，不僅有助于緩解人們夜間駕駛的緊張與疲勞，而且克服了駕駛人員的安全問題并使汽車的尾燈使用壽命加長。到如今已經(jīng)發(fā)展出了各種各樣絢麗多彩的尾燈形式。老式汽車尾燈通常是基于傳統(tǒng)的機械和純電路的控制方式，完全取決于尾燈系統(tǒng)所采用的硬件來保證它的正常工作，一旦電路老化或者因為機械振動而引起的接觸問題以及機械元件變形而不能及時觸發(fā)電路電源開關，從而導致電路出現(xiàn)故障，這類問題是經(jīng)常發(fā)生的，而除了選用更好的硬件系統(tǒng)元件外幾乎沒有別的可靠的方法來避免這類故障的發(fā)生，于是，選用智能型的元件來進行系統(tǒng)的設計，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可控制性是非常必要且有重要意義的[1]?，F(xiàn)代汽車尾燈控制電路一般是用基于微處理器的硬件電路結構構成，但因為硬件電路存在局限性，不能隨意的更改電路的功能和性能，所以可靠性不高，因此對汽車尾燈控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來了一定的局限性。目前，汽車尾燈控制電路是一種應用極為廣泛的設備，具有很好的性價比[2]。1.2設計主要內(nèi)容本文主要從開關控制電路、譯碼電路、顯示驅(qū)動電路、三進制計數(shù)器及脈沖發(fā)生電路5個部分出發(fā)。采用開關電路消除無關狀態(tài)，使其單純實現(xiàn)2個開關控制4個狀態(tài)設計要求；時鐘脈沖電路主要采用555定時電路實現(xiàn)輸出穩(wěn)定的1HZ時鐘脈沖；采用四位二進制同步加法計數(shù)器74LS161來改裝構成三進制計數(shù)器（時序電路）配合3線-8線譯碼器從而實現(xiàn)不同狀態(tài)的顯示要求。使其5個部分相互配合從而實現(xiàn)剎車時車尾燈閃爍、左右轉(zhuǎn)彎時車尾燈左右循環(huán)點亮的設計要求。

2設計方案選取與論證1.1設計任務及要求設計一個汽車尾燈控制電路，用六個發(fā)光二極管模擬汽車尾燈（左右各三個），用開關S1、S2選擇控制汽車正常運行、右轉(zhuǎn)彎、左轉(zhuǎn)彎和剎車時尾燈的情況。（1）汽車正常運行時尾燈全部熄滅；（2）汽車左轉(zhuǎn)彎時左邊的三個發(fā)光二極管按順序循環(huán)點亮；（3）汽車右轉(zhuǎn)彎時右邊的三個發(fā)光二極管按順序循環(huán)點亮；（4）汽車剎車時所有的指示燈隨CP脈沖同時閃爍。1.2方案論述與選擇1.2.1設計思路及流程分析設計要求知應設計一個汽車尾燈控制電路，用6個發(fā)光二級管模擬汽車尾燈，即應有三個左轉(zhuǎn)向尾燈（L1L2L3）和三個右轉(zhuǎn)向尾燈（D1D2D3）。再用兩個開關（S0S1）分別控制左轉(zhuǎn)彎尾燈和右轉(zhuǎn)彎尾燈在不同狀態(tài)下的顯示：當右轉(zhuǎn)向開關打開時，右轉(zhuǎn)向尾燈的3個發(fā)光二級管向右循環(huán)顯示；DD1D2D3D1D2D3D1D2D3圖圖SEQ圖\*ARABIC1 右轉(zhuǎn)向顯示規(guī)律圖LL1L22L33L1L2L3L1L2L3圖圖SEQ圖\*ARABIC2 左轉(zhuǎn)向顯示規(guī)律圖圖圖SEQ圖\*ARABIC3剎車顯示規(guī)律圖D1D2D3D1D2D3D1D2D3D1D2D3D1D2D3D1D2D3由任務要求得出具體汽車尾燈狀態(tài)分析如下表REF_Ref40125058\h表1：表SEQ表\*ARABIC1 汽車尾燈狀態(tài)分析表開關控制汽車運行狀態(tài)右轉(zhuǎn)向尾燈左轉(zhuǎn)向尾燈S0S1D1D2D3L1L2L300正常行駛熄滅熄滅01右轉(zhuǎn)彎D1D2D3D1熄滅10左轉(zhuǎn)彎熄滅L1L2L3L111剎車閃爍閃爍根據(jù)上述設計要求分析研究后，整理得出實現(xiàn)要求功能需要由開關控制電路、譯碼電路、顯示驅(qū)動電路、三進制計數(shù)器及脈沖發(fā)生電路5個部分組成，并且分析可知，時鐘脈沖電路大多采用555定時器驅(qū)動，譯碼與顯示驅(qū)動電路在數(shù)電大致采用3線-8線譯碼器搭配LED實現(xiàn)，故上述兩種分電路不做方案論證，接下來我將以時序電路為中心進行分析，設計相關方案。1.2.2方案論述與確定在設計初期共提出三種設計方案：（1）方案一：以單片機為核心部件，實現(xiàn)其對6個車尾燈（LED）的簡單易行控制，而且穩(wěn)定性很高。單片機通過編寫代碼指令代可以很容易的控制LED的閃爍方式，并且給單片機產(chǎn)生外部中斷，達到獨立按鍵來模擬左右轉(zhuǎn)及剎車。故此電路可以使用單片機來實現(xiàn)，但此方案方式不符合課設要求采用數(shù)電內(nèi)容設計電路圖，故排除。（2）方案二：利用晶振分頻電路實現(xiàn)時鐘脈沖信號CP，觸發(fā)移位寄存器74LS197，從而使移位寄存器循環(huán)輸出狀態(tài)信號，再配合六個與非門實現(xiàn)對剎車和正常運行等運行情況時尾燈的閃爍情況控制，實現(xiàn)燈的循環(huán)點亮。模擬運行時發(fā)現(xiàn)電路可能存在競爭冒險，這將會使尾燈在閃爍時出現(xiàn)不自然的中間過程，故排除。（3）方案三：采用以為邏輯門電路為核心的時序電路，通過查詢資料獲知，可通過555定時器產(chǎn)生的脈沖信號作為計數(shù)器和剎車觸發(fā)信號，再由計數(shù)器構成的三進制計數(shù)器，產(chǎn)生00-01-10-00循環(huán)信號實現(xiàn)車尾燈左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)顯示，用開關電路產(chǎn)生的兩個輸入作為3線-8線譯碼器74LS138的使能端和高位輸入，即讓74LS138輸入端輸入000-001-010或100-101-110循環(huán)信號，從而實現(xiàn)設計任務中左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的要求，同時通過開關控制74LS138譯碼器的高電平有效使能端，使其達到剎車的任務要求。通過查詢相關資料獲出，74LS161和jk觸發(fā)器均可實現(xiàn)上述00-01-10-00信號循環(huán)輸出要求，雖然74LS161不是課程所學芯片，接觸不深，但查詢資料得知使用74LS161可使電路更為的精簡，另一方面也能提升電路的穩(wěn)定性，降低運行時的出錯可能性。故最后決定使用74LS161作為時序計數(shù)電路核心部件。此方案論證最為可行，故最終采用。1.2.3設計方案框圖根據(jù)以上分析與方案確立，可得出汽車尾燈控制電路結構圖由：開關控制電路、譯碼電路、顯示驅(qū)動電路、三進制計數(shù)器及脈沖發(fā)生電路組成。如下REF_Ref40131372\h圖4所示。圖SEQ圖\*ARABIC4圖SEQ圖\*ARABIC4汽車尾燈控制電路設計框圖開關控制電路S1 S2三進制計數(shù)器譯碼電路顯示驅(qū)動電路脈沖發(fā)生電路尾燈顯示電路3硬件電路設計3.1開關控制電路開關S0、S1分別通過與一個電阻相連而后接地線，另一端連接電源正極，就可實現(xiàn)0和1的功能輸出，如下表表2所示。然后再通過譯碼電路和顯示驅(qū)動電路的輸入端與開關控制電路的輸出端相連，同時也將時鐘電路的輸出與開關控制電路的一個非門輸入端相連，進而就可控制尾燈閃爍時間。最終組成電路如下圖REF_Ref40131445\h圖5所示。表2開關電路真值表S0S1CPGA00X0101X1110X1111CP0CP圖圖SEQ圖\*ARABIC5開關控制電路開關控制電路所用芯片如下：輸入輸出ABCYXX01X0X10XX11110表374LS10真值表圖SEQ圖\*ARABIC674LS10引腳圖(1)表374LS10真值表圖SEQ圖\*ARABIC674LS10引腳圖(2)74LS86是二輸入異或門電路芯片，即Y=AB=B+A。其引腳圖與真值表如下：圖SEQ圖\*ARABIC7圖SEQ圖\*ARABIC774LS86引腳圖與真值表圖SEQ圖\*ARABIC8譯碼電路圖譯碼電路由3-8線譯碼器74LS138構成。74LS138的三個輸入端A2、A1、A0分別接S1、Q1、Q0，而Q1Q0是三進制計數(shù)器的輸出端。當S1=0、S0=1,使能信號A=G=1，計數(shù)器的狀態(tài)為00，01，10時，74LS138對應的輸出端0Y,1Y,2Y依次為0有效(4Y,5Y,6Y信號為“1”無效)，即反相器G1～G3的輸出端也依次為0，故指示燈D1→D2→D3按順序點亮示意汽車右轉(zhuǎn)彎。若上述條件不變，而S1=1、S0=0，則74LS138對應的輸出端4Y、5Y、6Y依次為0有效，即反相器G4～G6的輸出端依次為0，故指示燈L1→L2→L3按順序點亮，示意汽車左轉(zhuǎn)彎。當G=0，A=1時，74LS138的圖SEQ圖\*ARABIC8譯碼電路圖譯碼電路所用芯片74LS138為三八譯碼器。其引腳圖與真值表如下：圖圖SEQ圖\*ARABIC974LS138引腳圖圖圖SEQ圖\*ARABIC1074LS138內(nèi)部邏輯圖表474LS138真值表輸入輸出S12+3A2A1A0012345670XXXX11111111X1XXX11111111100000111111110001101111111001011011111100111110111110100111101111010111111011101101111110110111111111103.3三進制計數(shù)器汽車左或右轉(zhuǎn)向時由于是三個指示燈循環(huán)點亮，所以用三進制計數(shù)器控制譯碼電路按順序輸出低電平，進而達到設計要求，由此可得出每種狀態(tài)下尾燈與給定條件的關系。表5開關與汽車尾燈電平關系開關三進制計數(shù)器轉(zhuǎn)向尾燈S1S2Q1Q2D1D2D3L1L2L300XX11111100100000010101000010001000000001001001000010110000011111CP三進制計數(shù)器可用觸發(fā)器級聯(lián)構成也可以由集成計數(shù)器改裝構成，考慮到直接用計數(shù)器比用觸發(fā)器構成計數(shù)器電路結構更為簡單，因此最終設計選用四位二進制同步加法計數(shù)器74LS161來改裝構成三進制計數(shù)器。設計電路如下圖所示：圖圖SEQ圖\*ARABIC11三進制計數(shù)器電路三進制計數(shù)器所用74LS161芯片引腳圖和真值表如下所示：圖SEQ圖圖SEQ圖\*ARABIC1274LS161引腳圖圖SEQ圖\*ARABIC1374LS161真值表3.4脈沖發(fā)生電路由于555定時器構成的多諧振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定,不易受干擾。而且本實驗中控制電路對脈沖精度要求不高,只要能實現(xiàn)可調(diào)即可。故選擇采用NE555構成多諧振蕩器作為脈沖發(fā)生電路。555定時器構成的時鐘脈沖電路可以為整個電路的功能實現(xiàn)提供了一個持續(xù)時長為1S的CP周期脈沖，從而使接下來的計數(shù)器實現(xiàn)其相關功能，輸出00-01-10的循環(huán)信號。同時其也可以直接與顯示電路相接，從而使全部車尾燈達到閃爍時間為1秒的周期性閃爍。最終設計電路如下圖所示：圖圖SEQ圖\*ARABIC14脈沖發(fā)生電路脈沖發(fā)生電路所用NE555芯片引腳圖和功能表如下所示：圖圖SEQ圖\*ARABIC15NE555引腳圖圖圖SEQ圖\*ARABIC16NE555功能表3.5顯示驅(qū)動與尾燈顯示電路顯示驅(qū)動與尾燈顯示電路由6個發(fā)光二極管和6個反相器構成：汽車正常運行時發(fā)光二極管全部熄滅；右轉(zhuǎn)向時D1D2D3按右循環(huán)依次點亮；左轉(zhuǎn)向時L1L2L3發(fā)光二極管按左循環(huán)依次點亮；剎車時所有發(fā)光二極管同時隨CP信號頻率閃爍。最終設計電路如下圖所示：圖SEQ圖\*ARABIC圖SEQ圖\*ARABIC17顯示驅(qū)動與尾燈顯示電路4電路測試與仿真4.1Proteus簡介Proteus軟件是由英國LabcenterElectronics公司開發(fā)的EDA工具軟件，已有近20年的歷史，在全球得到了廣泛的應用。Proteus軟件的功能強大，它集電路設計、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能夠?qū)﹄姽ぁ㈦娮蛹夹g學科涉及的電路進行設計與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M行設計和仿真，并且功能齊全、界面多彩，是近年來備受電子設計愛好者青睞的一款新型電子線路設計與仿真軟件。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。是目前世界上少有的能將電路仿真軟件、PCB設計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設計平臺，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，并在持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Proteus著名的功能特點：(1)互動的電路仿真，用戶甚至可以實時采用諸如RAM、ROM、鍵盤、馬達、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件。(2)仿真處理器及其外圍電路。Proteus可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程、再配合顯示及輸出、能看到運行后輸入輸出的效果。配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等、Proteus建立了完備的電子設計開發(fā)環(huán)境。Proteus具有的4大功能模塊：(1)智能原理圖設計(ISIS)豐富的器件庫：超過27000種元器件、可方便地創(chuàng)建新元件;智能的器件搜索：通過模糊搜索可以快速定位所需要的器件;智能化的連線功能：自動連線功能使連接導線簡單快捷、大大縮短繪圖時間;支持總線結構：使用總線器件和總線布線使電路設計簡明清晰;可輸出高質(zhì)量圖紙：通過個性化設置、可以生成印刷質(zhì)量的BMP圖紙、可以方便地供WORD、POWERPOINT等多種文檔使用。(2)完善的電路仿真功能(Prospice)prospice混合仿真：基于工業(yè)標準SPICE3F5、實現(xiàn)數(shù)字/模擬電路的混合仿真;超過27000個仿真器件：可以通過內(nèi)部原型或使用廠家的SPICE文件自行設計仿真器件、Labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件、還可導入第三方發(fā)布的仿真器件;多樣的激勵源：包括直流、正弦、脈沖、分段線性脈沖、音頻(使用wav文件)、指數(shù)信號、單頻FM、數(shù)字時鐘和碼流、還支持文件形式的信號輸入;豐富的虛擬儀器：13種虛擬儀器、面板操作逼真、如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、直流電壓/電流表、交流電壓/電流表、數(shù)字圖案發(fā)生器、頻率計/計數(shù)器、邏輯探頭、虛擬終端、SPI調(diào)試器、I2C調(diào)試器等;生動的仿真顯示：用色點顯示引腳的數(shù)字電平、導線以不同顏色表示其對地電壓大小、結合動態(tài)器件(如電機、顯示器件、按鈕)的使用可以使仿真更加直觀、生動;高級圖形仿真功能(ASF)：基于圖標的分析可以精確分析電路的多項指標、包括工作點、瞬態(tài)特性、頻率特性、傳輸特性、噪聲、失真、傅立葉頻譜分析等、還可以進行一致性分析;(3)獨特的單片機協(xié)同仿真功能(VSM)支持主流的CPU類型：如ARM7、8051/52、AVR、PIC10/12、PIC16、PIC18、PIC24、dsPIC33、HC11、BasicStamp、8086、MSP430等、CPU類型隨著版本升級還在繼續(xù)增加、如即將支持CORTEX、DSP處理器;支持通用外設模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進/伺服電機、RS232虛擬終端、電子溫度計等等、其COMPIM(COM口物理接口模型)還可以使仿真電路通過PC機串口和外部電路實現(xiàn)雙向異步串行通信;實時仿真：支持UART/USART/EUSARTs仿真、中斷仿真、SPI/I2C仿真、MSSP仿真、PSP仿真、RTC仿真、ADC仿真、CCP/ECCP仿真;編譯及調(diào)試：支持單片機匯編語言的編輯/編譯/源碼級仿真、內(nèi)帶8051、AVR、PIC的匯編編譯器、也可以與第三方集成編譯環(huán)境(如IAR、Keil和Hitech)結合、進行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試。4.2利用Proteus進行電路仿真（1）當汽車正常行駛時S0S1處于00狀態(tài)，發(fā)光二極管全部熄滅，仿真結果如下圖所示：圖SEQ圖\*ARABIC18汽車正常行駛仿真圖（圖SEQ圖\*ARABIC18汽車正常行駛仿真圖圖SEQ圖\*ARABIC圖SEQ圖\*ARABIC19汽車右轉(zhuǎn)向仿真圖（3）當汽車左轉(zhuǎn)向時，S0S1處于10狀態(tài)，左轉(zhuǎn)向尾燈L1L2L3向左循環(huán)點亮，仿真結果如下圖所示：圖SEQ圖\*ARABIC20汽車左轉(zhuǎn)向仿真圖圖SEQ圖\*ARABIC20汽車左轉(zhuǎn)向仿真圖圖SEQ圖\*ARABIC圖SEQ圖\*ARABIC21汽車剎車仿真圖5結論通過本次數(shù)字邏輯電路課程設計，在一周的實習學習期間內(nèi)，為完成課程任務自己查閱了大量資料同時加深了自己對數(shù)字邏輯電路的理解，也掌握了幾種芯片的使用方法，學會了數(shù)字邏輯電路設計的基本步驟和方法。老師給我們講解原理時，我們發(fā)現(xiàn)這次課程設計并不難。但到自己實踐時，會發(fā)現(xiàn)總是會遇到各種各樣想不到的阻礙。需要將數(shù)電課本上的知識靈活的運用進來。在設計時我發(fā)現(xiàn)先要進行每個模塊的設計，然后再將每個模塊聯(lián)合起來。所有我首先要分析汽車尾燈顯示狀態(tài)與汽車運行狀態(tài)的關系，然后對汽車尾燈控制器進行功能描述，確定汽車尾燈控制器的結構框圖，最后進行電路設計。在電路設計過程中，先進行模塊控制電路的設計，然后用到了74LS161構造一個三進制計數(shù)器，再進行開關的設計，再設計譯碼與顯示電路，最后用6個發(fā)光二極管組成尾燈狀態(tài)顯示電路，各個結構的電路設計好了之后，組合起來就成了設計好了的汽車尾燈控制器的邏輯電路。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正學以致用，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。由于設計車尾燈控制電路方案繁多，在最終決定設計方案時，比較了諸多方案的優(yōu)劣簡易程度，并對其進行了分析，因此也對數(shù)電里的基本時序電路和組合邏輯電路的知識進行了復習與深入理解，進一步增進了對一些常見邏輯器件的了