基于Multisim的汽車尾燈電路仿真設計

1、東 北 石 油 大 學課 程 設 計課 程 電氣工程CAD 題 目 基于Multisim的汽車尾燈電路仿真設計 院 系 電氣信息工程學院電氣工程系 專業(yè)班級 電氣二11-1 學生姓名 褚羽松 學生學號 130603120127 指導教師 李夢達 劉偉 2015年 3 月 9日東北石油大學課程設計任務書課程 電氣工程CAD 題目 基于Multisim的汽車尾燈電路仿真設計 專業(yè) 電氣工程 姓名 褚羽松 學號 130603120127 主要內容：本論文設計主要運用數電模電知識，借助Multisim軟件設計汽車尾燈電路，本文介紹了一種通過TTL系列產品設計模擬汽車尾燈工作情況電路的方法，主要闡述了如

2、何通過555系列來制作脈沖產生器，如何利用D觸發(fā)器產生三進制的計數器和使用譯碼器的一系列方法。通過發(fā)光二極管模擬汽車尾燈來實現汽車行駛中的四種情況：正常行駛、左拐彎、右拐彎、臨時剎車、檢查。主要參考資料：1 閻 石.數字電子技術基礎（第五版）.北京：高等教育出版社，20062 張熙 .數字電路實驗.中國民航飛行學院3 童詩白 華成英 .模擬電子技術基礎（第四版）.清華大學電子教研室 編.北京：高等教育出版社，20064 圖其非著，LED用于汽車尾燈的展望，光源與照明，2001（01）5 蘇本慶， 數字電子技術， 北京:電子工業(yè)出版社，20076 韓克，柳秀山主編，電子技能與EAD技術，暨南大學

3、出版社，20057 范愛平，周常森，數字電子技術基礎，北京：清華大學出版社，20088 方大千，鮑俏偉.實用電子控制電路.北京：國防工業(yè)出版社，20039 康華光主編 數字電子基礎 北京 高等教育出版社（第四版），200410 姚福安 著.電子電路設計與實踐教程 山東 山東科學技術出版社完成期限 2013.3.92013.3.18 指導教師 李夢達 劉偉 專業(yè)負責人 2013年3 月9日電氣工程CAD課程設計（報告）目 錄1 引言22 設計介紹22.1設計背景與意義22.2 設計目的和要求33 設計思路33.1 汽車尾燈顯示狀態(tài)與汽車運行狀態(tài)的關系33.2 汽車尾燈控制器功能描述44 單元設計

4、54.1 時鐘信號源設計54.2 74LS74構成的循環(huán)輸出64.3 開關控制的電路設計84.4 譯碼器與顯示驅動的設計94.5 尾燈狀態(tài)指示燈的設計115 電路的仿真及分析115.1 元器件與實驗設備清單115.2 電路仿真總電路圖125.3 尾燈控制與分析126 總結與反思16參考文獻1818基于Multisim的汽車尾燈電路仿真設計1 引言隨著集成電路和計算機技術的飛速發(fā)展，EDA技術應運而生，它是一種高級、快速、有效的電子設計自動化技術。EDA技術就是以計算機為工具，設計者在EDA軟件平臺上，用硬件描述語言VHDL完成設計文件，然后由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合、優(yōu)化、布

5、局、布線和仿真，直至對于特定目標芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作。EDA技術借助計算機存儲量大、運行速度快的特點，可對設計方案進行人工難以完成的模擬評估、設計檢驗、設計優(yōu)化和數據處理等工作。EDA技術的出現，極大地提高了電路設計的效率和可操作性，減輕了設計者的勞動強度。Multisim是一種功能強大的電子電路仿真軟件，該軟件提供了龐大的元件數據庫和種類齊全的虛擬測試儀器表，可以方便的進行原理電路設計和電路功能測試?；贛ultisim的汽車尾燈電路仿真設計，使用Multisim軟件來設計汽車尾燈電子電路，完成電路的設計、電路分析、仿真分析、仿真器件測試等等。汽車尾燈控制系統(tǒng)的設計誕生以

6、來經過了無數次的改進，得到了廣泛的應用。設計一個尾燈控制器，實現對汽車尾燈狀態(tài)的控制，探究一套既快又可靠，更加合理的設計方法，進行高性能汽車尾燈控制系統(tǒng)的設計研究，具有非常深遠的實際和理論意義。2 設計介紹2.1設計背景與意義Multisim簡介：Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內容，這樣工程師無需懂得深入的

7、SPICE技術就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。目前普遍應用的版本為Multisim10.0。它可以實現原理圖的捕獲、電路分析、電路仿真、仿真儀器測試、射頻分析、單片機等高級應用。軟件界面友好，操作方便、繪制電路圖需要的元件、電路仿真需要的儀器都可以直接從工作平臺上選取，運行環(huán)境逼真，并提供較為詳細的電路分析手段，具有較強的仿真分析能力。軟件支持模擬電路、數字電路、模擬數字混合電路以及電工電子技術應用的設計仿真。設

8、計意義：汽車使用越來越多，雖然汽車尾燈控制系統(tǒng)的設計誕生以來經過了無數次的改進，得到了廣泛的應用。隨著電子技術的發(fā)展，對于汽車的控制電路，已經從過去的全人工開關發(fā)展到智能控制。在夜晚或因天氣原因能見度不高的時候，人們對汽車安全行駛的要求很高，汽車尾燈控制系統(tǒng)給大家?guī)砹朔奖?。汽車尾燈控制器是隨著汽車智能化技術發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，汽車尾燈一般是基于微處理的硬件電路結構構成，正是因為應為硬件電路的局限性，不能隨意的更改電路的功能和性能，還有待我們繼續(xù)對其進行研究和探討。探究一套既快又可靠，更加合理的設計方法，以便更好的為國民經濟的發(fā)展和人們的生活服務。因此，進行高性能汽車尾燈控制系統(tǒng)的設計研究，

9、具有非常深遠的實際和理論意義。并且在設計的同時更好的鞏固和加深對基礎知識的理解，學會設計中小型數字系統(tǒng)的方法，獨立完成調試過程，增強理論聯系實際的能力，提高設計者設計電路和分析電路的能力。通過實踐教學引導設計者在理論指導下有所創(chuàng)新，為日后工程工程實踐奠定基礎。2.2 設計目的和要求設計目的:設計一個尾燈控制器，實現對汽車尾燈狀態(tài)的控制，熟悉和掌握世紀電子技術應用所需要的完整流程，即電路原理圖設計、電路性能仿真與測試，熟悉Multisim軟件，在計算機上用Multisim軟件繪制電路圖，并且進行仿真分析，得出結論。設計要求：汽車尾燈的控制電路由四個按鍵組成，分別對應左轉，右轉，剎車和檢驗。汽車尾

10、燈左右兩側各有三個指示燈（用發(fā)光二極管模擬），汽車正常行駛時指示燈全滅；右轉彎時，右側3個指示燈按右循環(huán)順序點亮；左轉彎時左側三個指示燈按左循環(huán)順序點亮；臨時剎車時所有尾燈同亮；檢查時所有指示燈同時閃爍。要求電路設計原理盡量簡單，努力做到構思巧妙，嘗試利用簡單的器件實現較為復雜的控制，考慮現實中汽車尾燈的實用性和成本的問題。3 設計思路3.1 汽車尾燈顯示狀態(tài)與汽車運行狀態(tài)的關系為了區(qū)別汽車尾燈的四種狀態(tài)所對應的四種顯示模式，需要設定四個狀態(tài)控制變量。選用開關K1、K2、K3、K4進行顯示模式控制，列出尾燈的實現狀態(tài)與汽車運行狀態(tài)的對應關系，如表3.1所示(“1”表示高電平，“0”表示低電平)

11、開關控制汽車運行狀態(tài)左側尾燈右側尾燈K1K2K3K41110正常行駛燈滅燈滅0110左轉彎左側燈順序點亮燈滅1010右轉彎燈滅右側燈順序點亮1100臨時剎車所有尾燈全亮1111檢查所有尾燈同時閃爍表3.1 汽車尾燈和尾燈狀態(tài)3.2 汽車尾燈控制器功能描述在汽車左右轉彎行駛時由于3個指示燈被循環(huán)點亮，所以可以用一個三進制計數器的狀態(tài)控制譯碼器電路順序輸出合適電平，點亮指示燈，只需選用合適的接口連接發(fā)光二極管指示燈，則可得出按要求三個指示燈順序點亮的電路。設三進制計數器的狀態(tài)用Q1和Q0表示，可得出描述指示燈D1、D2、D3、D4、D5、D6與開關控制變量K1、K2、K3、K4，計數器的狀態(tài)Q1、

12、Q0以及時鐘脈沖cp之間關系的功能表如表3.2所示（表中指示燈的狀態(tài)“1”表示點亮，“0表示熄滅”）?？刂谱兞坑嫈灯鳡顟B(tài)汽車尾燈K1K2K3K4Q1Q0D1 D2 D3D4 D5 D611100 0 00 0 001100010100 0 10 1 01 0 00 0 00 0 00 0 010100010100 0 00 0 00 0 01 0 00 1 00 0 111001 1 11 1 11111cp cp cpcp cp cp表3.2 汽車尾燈控制器狀態(tài)根據以上設計分析與功能，可以得出汽車尾燈控制器的結構框圖如圖3.1所示：555計時器D觸發(fā)器邏輯電路左轉右轉分揀電路開關控制轉向信號

13、與剎車、檢查信號發(fā)光二極管點亮圖3.1 控制結構框圖4 單元設計4.1 時鐘信號源設計由于汽車尾燈的點亮是給人不同的信息及該車將要發(fā)生的動作，所以汽車尾燈在閃爍的時候不能超過一定的頻率，但是頻率也不能太小，所以我們在設計的時候是采用的555定時器產生的一個脈沖，占空比約為50%，頻率約為50。所以尾燈在循環(huán)點亮的時候時間間隔約為0.6S，這樣就能讓人很清楚的明白該汽車的動作，從而避免交通事故的發(fā)生。圖4.1 555引腳圖工作原理簡述：555定時器和外接元件R1、R2、C構成多諧振蕩器，腳2,6直接相連。電路沒有穩(wěn)態(tài)，僅存在兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外加觸發(fā)信號，利用電源通過R1、R2向C充電，以

14、及C通過R2向放電端（腳7）放電，使電路產生振蕩。電容C在1/3Vcc和2/3Vcc之間充電和放電。參數計算： 周期高電平時間：低電平時間：占空比：圖4.2 555脈沖原理圖圖4.3 555脈沖波形圖4.2 74LS74構成的循環(huán)輸出計數器主要由邊沿觸發(fā)器組成。各種類型的觸發(fā)器雖然結構不同，但都有一個共同的基本特性，即都有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，在外來觸發(fā)信號作用下，電路可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉換到另一個穩(wěn)定狀態(tài)；在沒有觸發(fā)信號時，電路保持原來穩(wěn)定狀態(tài)不變。計數器電路正是利用了觸發(fā)器的這一特性。因此，用觸發(fā)器可以構成各種形式的計數器。本設計采用D觸發(fā)器構成三數字循環(huán)輸出。圖4.4 74LS74引腳圖圖4.5

15、 74LS74功能表設計方案：有D觸發(fā)器構成三進制計數器，由于D觸發(fā)器的特性方程微：;又因為;兩個D觸發(fā)器可由一片74LS74芯片實現和用74LS02與門實現電路功能。圖4.6 三進制功能電路圖圖4.7 三進制功能波形圖4.3 開關控制的電路設計設譯碼器與顯示驅動電路的使能控制信號為G和F，關于譯碼器74LS138的使能端G1相連接，F與顯示驅動電路中與門的一個輸入端相連接。有總體邏輯功能可知，G和F與開關控制變量，K1，K2，K3，K4以及時鐘脈沖CP之間的關系如表4.1所示。開關控制使能信號電路工作狀態(tài)K1K2K3K4GF111001汽車行駛此時譯碼器不工作，輸出均為高電位，顯示驅動的與門

16、輸出均為高電位，尾燈全部熄滅。011011汽車左轉譯碼器工作，顯示驅動的與門決定于譯碼器輸出，尾燈在譯碼器的作用下循環(huán)點亮。101011汽車右轉譯碼器工作，顯示驅動的與門決定于譯碼器輸出，尾燈在譯碼器的作用下循環(huán)點亮。110000汽車臨時剎車譯碼器不工作使能控制信號F為低電平通過顯示驅動的與門尾燈全部點亮。11110Cp汽車檢查譯碼器不工作，輸出全為高電平，脈沖信號與顯示驅動作用使左右兩側燈閃爍。表4.1 開關控制表由上述表格可得：; 根據G和F的邏輯表達式，畫出開關控制電路如圖4.8所示：圖4.8 開關控制電路4.4 譯碼器與顯示驅動的設計譯碼器的邏輯功能是將每個輸入的二進制代碼譯成對應的輸

17、出高、低電平信號或另外一個代碼，因此，譯碼是編碼的反操作。二進制譯碼器的輸入是一組二進制代碼，輸出時一組與輸入代碼一一對應的高、低電平信號。圖4.9 74LS138引腳圖輸入輸出S1S2+S3A2A1A0Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y70××××11111111×1×××1111111110000011111111000110111111100101101111110011111011111010011110111101011111101110110111111011011111111110表4.2 74LS138

18、的功能表工作原理簡述：74LS138是一種3線8線譯碼器， 設有三個使能輸入端，當S3與S2均為0，且S1為1時，譯碼器處于工作狀態(tài)，輸出低電平。當譯碼器被禁止時，輸出高電平。三個輸入端A0A1A2共有8種狀態(tài)組合（000-111），可譯出8個輸出信號Y0-Y7。在本設計中三個輸入端分別接三個開關，開關狀態(tài)的變化通過譯碼器譯出，然后和門電路組成尾燈控制電路，實現對尾燈的控制。圖4.10 74LS138的部分電路圖74LS138譯碼器顯示電路譯碼器與顯示驅動的功能是：在開關控制電路輸出和三位循環(huán)輸出的作用下，提供六個尾燈的控制信號，當譯碼器電路輸出控制信號為低電平時相應的指示燈點亮。譯碼與顯示驅

19、動電路可用74LS138、六個與門74LS02構成。圖中譯碼器的輸入端C、B、A分別接K1、Q1、Q0，當圖中G=F=1、K1=0時，對于Q1Q0的狀態(tài)為01、10、00，譯碼器依次輸出低電位指示燈依次點亮，示意汽車左轉；當圖中G=F=1、K1=1時，對于Q1Q0的狀態(tài)為01、10、00，譯碼器依次輸出低電位指示燈依次點亮，示意汽車右轉；當圖中G=0，F=1時，譯碼器輸出全為1，使所有指示燈對應輸出全為高電平，指示燈全部熄滅；當圖中G=0，F=0時汽車臨時剎車譯碼器不工作使能控制信號F為低電平通過顯示驅動的與門尾燈全部點亮；當圖中G=0，F=CP時，所有指示燈隨CP的頻率閃爍。實現了四個開關四

20、種模式下的尾燈狀態(tài)顯示。4.5 尾燈狀態(tài)指示燈的設計為了使駕駛員能夠及時了解自己對汽車尾燈的狀態(tài)信息，設計了汽車尾燈指示燈，簡單其間設計兩個指示燈位于方向盤兩側，當汽車左轉時左側指示燈點亮，當汽車右轉時右側指示燈點亮，汽車剎車時左右兩側燈同時點亮，汽車檢查時兩側等同時閃爍。圖4.11 尾燈檢查電路圖5 電路的仿真及分析5.1 元器件與實驗設備清單序號名稱（器件/設備）型號與規(guī)格數量13-8譯碼器74LS13812D觸發(fā)器74LS7413555定時器NE55514與門74LS0895或門74LS0216與非門74LS0017定值電阻300歐81K歐、14K歐各18異或門74HC8619電解電容1

21、F、0.01F各110開關閘411導線若干12LED燈驅動電壓2v813實驗箱214示波器115萬用表1表5.1設備清單表5.2 電路仿真總電路圖圖5.1電路仿真總圖5.3 尾燈控制與分析其工作原理如圖5.2所示，經過對電路圖進行仿真和分析可以完成各項內容要求，將電路圖分為以下幾部分：首先，通過555定時器構成的多諧震蕩器產生頻率為50 Hz的脈沖信號，該脈沖信號用于提供給雙D觸發(fā)器構成的三位循環(huán)器和開關控制器電路中的K3輸入與非門的輸入信號。圖5.2 脈沖電路圖圖5.3 脈沖波形圖其次，產生00、01、10的循環(huán)信號，此信號提供左轉、右轉的原始信號。最后，汽車正常行駛時K1K2K3K4為11

22、10、GF為01譯碼器不工作，輸出均為高電位，顯示驅動的與門輸出均為高電位，尾燈全部熄滅，指示燈熄滅。圖5.4 正常行駛狀態(tài)左轉狀態(tài)時，K1K2K3K4為0110、GF為11譯碼器工作，顯示驅動的與門決定于譯碼器輸出，尾燈在譯碼器的作用下循環(huán)點亮。循環(huán)信號通過74138譯碼，輸出低電位有效信號和3個與門提供的高位信號產生有效地為信號，是的規(guī)定的尾燈點亮。左轉時左邊指示燈點亮， 圖5.5 左轉燈狀態(tài)顯示右轉狀態(tài)時，K1K2K3K4為1010、GF為11譯碼器工作，顯示驅動的與門決定于譯碼器輸出，尾燈在譯碼器的作用下循環(huán)點亮。循環(huán)信號通過74138譯碼，輸出低電位有效信號和3個與門提供的高位信號產

23、生有效地為信號，是的規(guī)定的尾燈點亮。右轉時右邊指示燈點亮， 圖5.6 右轉燈狀態(tài)顯示剎車時，K1K2K3K4為1100、GF為00，74138為無效譯碼器不工作，輸出都為高電平，開關K3產生低電位通過與門使得所有尾燈點亮，指示燈都點亮。圖5.7 剎車燈狀態(tài)顯示當檢查時，K1K2K3K4為1110、GF為01，74138為無效譯碼器不工作，輸出全為高電平，脈沖信號與顯示驅動作用使左右兩側燈閃爍，指示燈閃爍。圖5.8 尾燈設計自檢狀態(tài)6 總結與反思汽車尾燈控制電路是一種應用極為廣泛的設備，具有較好的性價比，設計過程中發(fā)現整個電路結構并不復雜。整個電路主要有四部分組成：時鐘脈沖發(fā)生器、觸發(fā)器、邏輯控

24、制門及發(fā)光管驅動電路。本設計主要以數字電路為主，通過簡單的芯片（如74LS138、74LS00、555等）而巧妙的設計成一個智能化的汽車尾燈控制電路。該電路能實現現實生活中汽車尾燈控制的正常行駛、左轉、右轉、剎車、檢查四種功能。此電路設計原理簡單，構思巧妙，利用簡單的器件實現較為復雜的控制，結構比較明晰。電路設計中有很多實用的地方，駕駛儀顯示能夠及時提醒駕駛員車的行駛狀態(tài)，減少交通事故的發(fā)生率。設計了線路自檢電路，能監(jiān)測線路的好壞，及時反饋給駕駛員，保證行車安全。在經過了一段時間的忙碌后，課程設計終于接近了尾聲，還記得剛開始的時候看著設計要求，腦中幾乎一片空白，學了的東西忘的差不多了，不知道從

25、何下手，甚至不知道有些芯片的作用。我們只好一步步地查資料，復習以前學過的課本，漸漸地我們有了些眉目，加上網絡上的一些范例給我們的啟發(fā)，我開始從畫方框圖到列真值表一步一步的展開了我的設計。對于Multisim軟件不是很熟悉花了短時間學習軟件，并且用一些簡單的電路進行練習，在設計過程中設計思路很重要，只要設計思路是正確的，設計就成功了一半，設計過程中會遇到很多問題，應該迎難而上，加深對知識的理解，慢慢分析。電路圖設計出來后但是仿真也會出現很多問題。在老師的指導下，我不斷尋找問題解決問題一次次的提高，我想這也是最吸引人的地方，遇到問題解決問題，當真正投入時才發(fā)現樂在其中。通過這次課程設計，使我認識到

26、學過的知識要經常想辦法去用，才能記得更牢。還有我們理論聯系實際的能力還不夠，動手能力也需要提高。這些都應該在以后的學習中，更加注重。進行課程設計是理論聯系實際的很好的途徑使得我們更加牢固的掌握分析與設計的基礎知識與理論，鋼架熟悉各種不同規(guī)模的邏輯器件，掌握邏輯電路的分析和設計的基本方法。通過軟件設計使得電子產品的設計成本大大降低，設計的過程中我不斷對Multisim軟件進行學習，熟悉了Multisim軟件并且對軟件中的各種器件和功能有了一定的了解。無論是電路設計之初的資料還是成型的電路圖都讓我學習到了很多新東西，同時彌補了之前所學知識的不足，收獲了很多。設計展望：（1）此電路可以利用相關傳感器進行開關控制，從而達到自行控制燈光