汽車尾燈控制電路課程設(shè)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(jì)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(jié)構(gòu)形式。它是在電燈技術(shù)逐步進(jìn)步的基礎(chǔ)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?cè)藛T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(jī)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(jī)械振動而引起的接觸問題以及機(jī)械元件變形而不能及時觸發(fā)電路電源開關(guān)，從而導(dǎo)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(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(yīng)用極為廣泛的設(shè)備，具有很好的性價比[2]。1.2設(shè)計主要內(nèi)容本文主要從開關(guān)控制電路、譯碼電路、顯示驅(qū)動電路、三進(jìn)制計數(shù)器及脈沖發(fā)生電路5個部分出發(fā)。采用開關(guān)電路消除無關(guān)狀態(tài)，使其單純實現(xiàn)2個開關(guān)控制4個狀態(tài)設(shè)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(jìn)制同步加法計數(shù)器74LS161來改裝構(gòu)成三進(jìn)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(diǎn)亮的設(shè)計要求。

2設(shè)計方案選取與論證1.1設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)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(guān)S1、S2選擇控制汽車正常運(yùn)行、右轉(zhuǎn)彎、左轉(zhuǎn)彎和剎車時尾燈的情況。（1）汽車正常運(yùn)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(diǎn)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(diǎn)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(shè)計思路及流程分析設(shè)計要求知應(yīng)設(shè)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(yīng)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(guān)（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(dāng)右轉(zhuǎn)向開關(guān)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(wù)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(guān)控制汽車運(yùn)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(shè)計要求分析研究后，整理得出實現(xiàn)要求功能需要由開關(guān)控制電路、譯碼電路、顯示驅(qū)動電路、三進(jìn)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(jìn)行分析，設(shè)計相關(guān)方案。1.2.2方案論述與確定在設(shè)計初期共提出三種設(shè)計方案：（1）方案一：以單片機(jī)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(jī)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(jī)產(chǎn)生外部中斷，達(dá)到獨(dú)立按鍵來模擬左右轉(zhuǎn)及剎車。故此電路可以使用單片機(jī)來實現(xiàn)，但此方案方式不符合課設(shè)要求采用數(shù)電內(nèi)容設(shè)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(yùn)行等運(yùn)行情況時尾燈的閃爍情況控制，實現(xiàn)燈的循環(huán)點(diǎn)亮。模擬運(yùn)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(gòu)成的三進(jìn)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(guān)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(shè)計任務(wù)中左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的要求，同時通過開關(guān)控制74LS138譯碼器的高電平有效使能端，使其達(dá)到剎車的任務(wù)要求。通過查詢相關(guān)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(xué)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(yùn)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(shè)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(jié)構(gòu)圖由：開關(guān)控制電路、譯碼電路、顯示驅(qū)動電路、三進(jìn)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(shè)計框圖開關(guān)控制電路S1 S2三進(jìn)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(shè)計3.1開關(guān)控制電路開關(guān)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(guān)控制電路的輸出端相連，同時也將時鐘電路的輸出與開關(guān)控制電路的一個非門輸入端相連，進(jìn)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(guān)電路真值表S0S1CPGA00X0101X1110X1111CP0CP圖圖SEQ圖\*ARABIC5開關(guān)控制電路開關(guān)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(gòu)成。74LS138的三個輸入端A2、A1、A0分別接S1、Q1、Q0，而Q1Q0是三進(jìn)制計數(shù)器的輸出端。當(dāng)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(yīng)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(diǎn)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(yīng)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(diǎn)亮，示意汽車左轉(zhuǎn)彎。當(dāng)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(jìn)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(diǎn)亮，所以用三進(jìn)制計數(shù)器控制譯碼電路按順序輸出低電平，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計要求，由此可得出每種狀態(tài)下尾燈與給定條件的關(guān)系。表5開關(guān)與汽車尾燈電平關(guān)系開關(guān)三進(jìn)制計數(shù)器轉(zhuǎn)向尾燈S1S2Q1Q2D1D2D3L1L2L300XX11111100100000010101000010001000000001001001000010110000011111CP三進(jìn)制計數(shù)器可用觸發(fā)器級聯(lián)構(gòu)成也可以由集成計數(shù)器改裝構(gòu)成，考慮到直接用計數(shù)器比用觸發(fā)器構(gòu)成計數(shù)器電路結(jié)構(gòu)更為簡單，因此最終設(shè)計選用四位二進(jìn)制同步加法計數(shù)器74LS161來改裝構(gòu)成三進(jìn)制計數(shù)器。設(shè)計電路如下圖所示：圖圖SEQ圖\*ARABIC11三進(jìn)制計數(shù)器電路三進(jìn)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(gòu)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(gòu)成多諧振蕩器作為脈沖發(fā)生電路。555定時器構(gòu)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(guān)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(dá)到閃爍時間為1秒的周期性閃爍。最終設(shè)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(gòu)成：汽車正常運(yùn)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(diǎn)亮；左轉(zhuǎn)向時L1L2L3發(fā)光二極管按左循環(huán)依次點(diǎn)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(shè)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(yīng)用。Proteus軟件的功能強(qiáng)大，它集電路設(shè)計、制版及仿真等多種功能于一身，不僅能夠?qū)﹄姽?、電子技術(shù)學(xué)科涉及的電路進(jìn)行設(shè)計與分析，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計和仿真，并且功能齊全、界面多彩，是近年來備受電子設(shè)計愛好者青睞的一款新型電子線路設(shè)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(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上少有的能將電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)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(diǎn)：(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(dá)、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(jī)。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(yùn)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(shè)計開發(fā)環(huán)境。Proteus具有的4大功能模塊：(1)智能原理圖設(shè)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(dǎo)線簡單快捷、大大縮短繪圖時間;支持總線結(jié)構(gòu)：使用總線器件和總線布線使電路設(shè)計簡明清晰;可輸出高質(zhì)量圖紙：通過個性化設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計仿真器件、Labcenter也在不斷地發(fā)布新的仿真器件、還可導(dǎo)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(diǎn)顯示引腳的數(shù)字電平、導(dǎo)線以不同顏色表示其對地電壓大小、結(jié)合動態(tài)器件(如電機(jī)、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(biāo)的分析可以精確分析電路的多項指標(biāo)、包括工作點(diǎn)、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(jìn)行一致性分析;(3)獨(dú)特的單片機(jī)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(shè)模型：如字符LCD模塊、圖形LCD模塊、LED點(diǎn)陣、LED七段顯示模塊、鍵盤/按鍵、直流/步進(jìn)/伺服電機(jī)、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(jī)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(jī)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(jié)合、進(jìn)行高級語言的源碼級仿真和調(diào)試。4.2利用Proteus進(jìn)行電路仿真（1）當(dāng)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(jié)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(dāng)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(diǎn)亮，仿真結(jié)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(jié)論通過本次數(shù)字邏輯電路課程設(shè)計，在一周的實習(xí)學(xué)習(xí)期間內(nèi)，為完成課程任務(wù)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(xué)會了數(shù)字邏輯電路設(shè)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(shè)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(yùn)用進(jìn)來。在設(shè)計時我發(fā)現(xiàn)先要進(jìn)行每個模塊的設(shè)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(yùn)行狀態(tài)的關(guān)系，然后對汽車尾燈控制器進(jìn)行功能描述，確定汽車尾燈控制器的結(jié)構(gòu)框圖，最后進(jìn)行電路設(shè)計。在電路設(shè)計過程中，先進(jìn)行模塊控制電路的設(shè)計，然后用到了74LS161構(gòu)造一個三進(jìn)制計數(shù)器，再進(jìn)行開關(guān)的設(shè)計，再設(shè)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(jié)構(gòu)的電路設(shè)計好了之后，組合起來就成了設(shè)計好了的汽車尾燈控制器的邏輯電路。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正學(xué)以致用，從而提高自己的實際動手能力和獨(dú)立思考的能力。由于設(shè)計車尾燈控制電路方案繁多，在最終決定設(shè)計方案時，比較了諸多方案的優(yōu)劣簡易程度，并對其進(jìn)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(jìn)行了復(fù)習(xí)與深入理解，進(jìn)一步增進(jìn)了對一些常見邏輯器件的了