数字电子技术课程设计汽车尾灯显示控制电路

摘要本课程设计主要介绍了一种基于集成芯片与逻辑门的汽车尾灯显示控制电路的设计方案，主要实现了汽车尾灯在汽车不同行驶状态下通过开关对其的控制实现不同的亮灭来反映汽车状态，主要实现的功能有：汽车正常行驶六个尾灯均不亮，左转弯三个左尾灯依次点亮，右转弯三个右尾灯依次点亮，突然刹车或接受检查六个尾灯闪烁。整个设计过程中我运用了有关集成芯片及逻辑门等基本数电知识，先设计出原理图然后进行电脑仿真，仿真无误后做成实物，经调试所做实物能满足设计要求。关键词：集成芯片；逻辑门；汽车尾灯AbstractThis curriculum design mainly introduce us a way of designing a circuit to show and control taillights which is based on logical gates and integrated chips. The circuit mainly control the taillights to light or extinguish by switches to show the different conditions when tha car is running. Its main functions are: when the car is running normally,the six taillights doesnt work; when the car is turning left, the three left taillights light one by one, when the car is turning right, the three right taillights light one by one, and when the car put on a sudden brake or is checked, the six taillights shine together. Throught the process of the curriculum design , I used the basic knowledge about logical gates and integrated chips. I designed the schematic first and then made simulation on my computer. Last I made it into an entity and it could work as what the design asked. Key words: logical gates; integrated chips; taillights- II -目录1设计目的与任务要求- 1 -1.1设计目的- 1 -1.2设计任务- 1 -1.3设计要求- 1 -2方案的设计与论证- 2 -2.1方案一：基于单片机系统构建的控制电路- 2 -2.2基于集成门构成的控制电路- 2 -2.3备选方案优缺点比较及最终方案确定- 3 -3.单元电路的设计与原理- 4 -3.1脉冲信号产生电路- 4 -3.2三进制计数器电路- 5 -3.3开关及模式控制电路- 6 -3.4译码与显示驱动电路- 7 -4电路总原理图及元器件参数的选择- 10 -4.1脉冲产生电路中的元件参数选择- 10 -4.2电路其他模块元器件参数的选择- 11 -5各部分电路波形仿真图示- 12 -5.1脉冲产生电路仿真- 12 -5.2三进制计数器输出波形仿真- 12 -5.3左/右转弯时显示驱动电路电路输出波形仿真- 13 -5.4刹车或接受检查显示驱动电路输出波形仿真- 13 -5.5仿真结果分析- 14 -6实物调试- 15 -7小结与心得- 16 -结束语- 17 -附表一：元器件清单- 18 -附表二：参考文献- 19 - - 20 - 汽车尾灯显示控制电路1设计目的与任务要求1.1设计目的课程设计作为数字电子技术课程的重要组成部分，目的是一方面使我们能够进一步理解课程内容，基本掌握数字系统设计和调试的方法，增加集成电路应用知识，培养我们的实际动手能力以及分析、解决问题的能力。另一方面也可使我们更好地巩固和加深对基础知识的理解，学会设计中小型数字系统的方法，独立完成调试过程，增强我们理论联系实际的能力，提高电路分析和设计能力。通过实践引导我们在理论指导下有所创新，为专业课的学习和日后工程实践奠定基础。通过设计，一方面可以加深我们的理论知识，另一方面也可以提高我们考虑问题的全面性，将理论知识上升到一个实践的阶段。本课程设计要求我们：要求了解汽车尾灯控制电路的工作原理，掌握其外围电路的设计与主要性能参数的测试方法。要求掌握基于单片机或数字集成电路的汽车尾灯控制器的设计方法与数字电子线路系统的装调技术。1.2设计任务设计一个汽车尾灯的控制电路：汽车尾部左右两侧各有3个指示灯。当接通左转、右转、刹车和检查时，指示灯按照指定要求闪烁。1.3设计要求设汽车尾部左右两侧各有3 个指示灯（用发光二级管模拟），要求是：1、汽车正常行驶时，尾灯全部熄灭。2、当汽车右转弯时，右侧3 个指示灯按右循顺序点亮。3、当汽车左转弯时，左侧3 个指示灯按左循顺序点亮。4、临时刹车时，所有指示灯同时闪烁。5、当汽车检测尾灯是否正常时，汽车所有的尾灯闪烁。2方案的设计与论证分析设计任务，可将所需设计的汽车尾灯控制电路要实现的功能总结，如表2-1（设开关接通为0，断开为1）：表2-1 汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系控制变量K1 K0汽车运行状态左侧指示灯L1 L2 L3右侧指示灯R1 R2 R30 0正常行驶熄灭状态熄灭状态0 1右转行驶熄灭状态按R1 R2 R3向右依次点亮1 0左转行驶按L1 L2 L3向左依次点亮熄灭状态1 1临时刹车/尾灯检测所有尾灯同时闪烁2.1方案一：基于单片机系统构建的控制电路由于现在单片机技术的普及，可以通过STC89C52单片机编写程序来控制LED的亮灭。根据要求，需用六个发光二极管模拟汽车尾灯：即3个发光二极管充当左尾灯（L1L3）,3个发光二极管充当右尾灯（R1R3）。另外需要2个电键开关来控制各发光二极管的亮灭，即如上汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系表一所示。其基本设计思想是用单片机扫描与2个按键相连的IO口的高低电平来确定按键的状态，然后根据不同的按键情况控制与6个LED相连的IO口得高低电平从而控制LED亮灭情况。其设计整体电路工作原理可分为如下几部分：1.按键电路：单片机在不停扫描2个按键相连的IO口得高低电平，当没有按键按下去的时候，这2个IO口管脚都是高电平；当某一个按键按下去后，与该按键想连接的IO口管脚变成低电平；当某按键是处于按下去的状态时单片机能确定是哪个按键。2.LED显示电路：通过与按键相连的IO口的高低电平来控制与LED相连的IO口的高低电平，实现按键控制LED的亮灭。3.含有晶振的驱动电路：单片机的运行都是要有晶振驱动的，有的单片机是内部晶振驱动单片机，有的单片机是外部设计含有晶振的驱动电路来驱动单片机的运行。所以要设计一个驱动电路去驱动单片机。4.复位电路2.2基于集成门构成的控制电路用逻辑门组合电路实现设计要求，其基本设计思想是通过555定时器产生的脉冲信号作为计数器和刹车时的输入信号，由计数器所构成的三进制计数器，产生三端输出的循环信号作为汽车左转、右转的原始信号，再通过译码器和逻辑门构成的译码电路译码、分拣信号输出到由二极管和反相器构成的显示驱动电路。再根据使能信号的输入，设计一个与非门、反相器、或非门等器件所构成的开关控制电路，从而实现汽车尾灯电路的显示控制。其设计整体电路工作原理课氛围如下几部分：1. 脉冲信号产生电路：由555定时电路产生固定频率的脉冲信号作为触发信号。2.三进制计数电路：在汽车左右转弯行驶时，由于3 个指示灯被循环顺序点亮，所以可以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。3.驱动译码电路：由于汽车左转弯、右转弯、刹车、检查时，所有灯点亮的次序和是否点亮是不同的，所以用译码器对输入的信号进行译码，从而得到一个低电平输出，再由这个低电平控制一个计数器，计数器输出为高电平时就点亮不同的尾灯，从而控制尾灯按要求点亮。4.开关控制电路5.显示电路：用发光二极管模拟。2.3备选方案优缺点比较及最终方案确定综合比较上述两种方案，方案一虽然成本较低，其外围电路的元器件价格也不高，且单片机编程较直接，系统结构也大大简化；但是其系统软硬件设计相对比较复杂，运用单片机控制方案，该系统硬件设计包含扩展电路部分和系统配置电路部分，软件设计又要注意算法的合理选择和程序的优化设计，所以该系统电路软硬件设计工作量都相对较大。集成门电路系统稳定性高，结果再现性好，系统分析与设计相对较为容易。虽然由于其电路实现过程较为简单，必须根据逻辑代数规则对系统进行设计，但是次汽车尾灯控制电路逻辑变量简单，状态少，因此电路结构简单，所用芯片少，成本也不高。考虑到这一期的数电课程上主要学习了有关逻辑门、组合电路、中小型集成电路的知识，对基于集成电路系统构建的电路知识掌握得比较多，所以本次课程设计我选择第二种方案来进行整体设计。3.单元电路的设计与原理汽车尾灯显示控制电路总体框图如下图3-1所示，可分为秒脉冲产生电路、开关控制电路、三进制电路、译码与显示驱动电路、尾灯状态显示这5部分组成。开关控制电路三进制计数器尾灯电路显示驱动电路译码电路图3-1 汽车尾灯显示控制电路总框图3.1脉冲信号产生电路由于NE555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小，由555定时器构成的多谐振荡器频率较稳定，不易受干扰；且此控制电路对秒脉冲的精度要求不是很高，所以选用有555构成的多谐振荡器作为脉冲电路，其原理图如下图3.1-1。图3.1-1 由555定时器构成的多谐振荡器其工作原理是：接通电源之前，由于555定时器组成的多谐振荡器处于没有工作电源，不能正常工作的状态，其输出为高阻态，不能提供时钟脉冲。当接通电源瞬间，C2两端没有存储电荷，两端的电压为零，555定时器的2、6端输入电压为零，即出现6端输入电压小于2/3Vcc，2端的输入电压小于1/3Vcc的情况，集成运算放大器A1输出高电平，A2输出低电平，基本RS触发器置“1”工作状态，输出信号Vo为高电平，是晶体管截止，电源Vcc经R1、R2、C2到公共端对电容C2充电。这种情况一直维持到C2的两端电压略超过2/3Vcc。当C2的两端电压略超过2/3Vcc时，出现6端输入电压大于2/3Vcc，2端输入电压大于1/3Vcc的情况，集成运算放大器A1输出低电平，A2输出高电平，基本RS触发器清零工作状态，输出信号Vo为低电平，使晶体管导通，电容C2经C2、R2、晶体管T到公共端放电。这种情况一直维持到C2两端的电压略低于1/3Vcc。此后又重新回到上述的充电过程，如此周而复始，形成振荡，产生矩形脉冲波输出。3.2三进制计数器电路三进制计数电路可以由JK触发器或D触发器级联构成，也可以由集成计数器加上逻辑门改造而成，由于直接用集成计数器改造的计数器电路简单，所以本课程设计选择用常用的十六进制集成计数器74LS161来改成三进制计数器。十六进制集成计数器74LS161的管脚图及功能表分别如下：图3.2-1 74LS161的管脚图 图3.2-2 74LS161的逻辑符号表3.2-1 74LS161的功能表输 入输 出CR LD CTP CTT CPD3 D2 D1 D0Q3 Q2 Q1 Q00 0 0 0 01 0 d3 d2 d1 d0d3 d2 d1 d01 1 0 1 保持1 1 0 保持1 1 1 1 计数由上述74LS161的功能表可知，当把Q1与Q0作为与非门的输入端，输出端接到CR异步清零端，即可以通过反馈清零的方法构成三进制加法计数器，即Q0与Q1实现00011000的循环，其电路结构如图3.2-3所示图3.2-3 由74LS161构成的三进制计数器其工作原理是：将74LS161的脉冲输入端2脚接入由555定时器构成的多谐振荡器的输出，接受由其提供的秒脉冲触发，74LS161开始计数工作，由于四个输入端均接地初始状态为0000，每接收一个CP脉冲，在时钟脉冲的上升沿时递增1输出变成0001，按规律依次递增到地四个CP脉冲的上升沿时，由于输出此时变为0011，二输入与非门74LS00的两个输入端均为1，输出为0送到74LS161的清零端CR对计数器进行清零，使计数器回到初始状态0000，在下一个CP脉冲的上升沿到来时继续按前述过程循环计数。由于74LS161是异步清零，其清零信号0011维持时间极短，不能算为有效信号，故整个电路实现0000000100100000这样的三进制加法循环计数功能。3.3开关及模式控制电路设译码与显示驱动电路的使能控制信号分别为E和F，E与译码器74LS138的使能输入端E1相连接，F与显示驱动电路中与门的一个输入端相连接。由要求实现的逻辑功能可知，E、F与开关K1，K0以及时钟脉冲CP之间的关系如下表3.3-1所示：表3.3-1 E、F、K0、K1、CP与电路逻辑功能的关系逻辑开关K1 K0时钟脉冲CP使能信号E F电路工作状态0 0无0 1汽车处于正常行驶状态，译码器不工作，输出全为高，与门输出为高，6个尾灯全部熄灭 0 1无1 1汽车右转弯，译码器在控制器作用下工作，显示驱动取决于译码器输出，实现右尾灯循环点亮1 0无1 1汽车左转弯，译码器在控制器作用下工作，显示驱动取决于译码器输出，实现左尾灯循环点亮1 1CP0 CP汽车紧急刹车或接受检查，译码器不工作，输出均为高，时钟信号经过与门使6个尾灯全部闪烁由上表可以得出： E=K1K0；F=（K1K0CP）控制开关通过一个电阻与Vcc相接，另一端与地相接就可以实现控制输出为0和1的功能。整体开关与模式控制电路原理图如下图3.3-1。图3.3-1 开关模式控制电路原理图3.4译码与显示驱动电路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个尾灯控制信号分别作用于6个尾灯（用发光二极管模拟），当译码驱动电路输出的控制信号为低电平时，响应指示灯点亮。因此，译码与显示驱动电路可用74LS138、与门和与非门构成。其中，74LS138的管脚图即功能表分别如下：图3.4-1 74LS138的管脚图表3.4-1 74LS138的功能表输 入输 出使能输入数码输入Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7E1E2E3A2A1A011111111101111111110000001111111100001101111111000101101111110001111101111100100111101111001011111101110011011111101100111111111110发光二极管可通过一端与译码器输出相连，另一端经一个电阻与电源相连，这样便可实现通过译码器的输出来控制发光二极管的亮灭。译码与显示驱动电路原理图如图3.4-2所示。图3.4-2 译码与显示驱动电路原理图该电路的工作基本原理如下：当E=F=1、K1=0时，计数器的Q1Q0输出状态分别为00、01、10；则译码器的CBA三个输入端一次分别输入为000、001、010，对应的输出Y0Y1Y2端为低电平其余输出端均为高电平，实现与之相连的三个发光二极管LED1、LED2、LED3（即对应汽车右尾灯R1、R2、R3）依次顺序点亮，即实现汽车在右转弯时其3个右尾灯依次顺序点亮。同理，当E=F=1、K1=1时，计数器的Q1Q0输出状态分别为00、01、10；则译码器的CBA三个输入端一次分别输入为100、101、110，对应的输出Y4Y5Y6端为低电平其余输出端均为高电平，实现与之相连的三个发光二极管LED4、LED5、LED6（即对应汽车左尾灯L1、L2、L3）依次顺序点亮，即实现汽车在左转弯时其3个左尾灯依次顺序点亮。当E=0、F=1时，译码器不工作，输出均为高电平，使所有发光二极管全熄灭，即实现汽车正常行驶时，所有尾灯处于熄灭状态。当E=0，、F=CP时，译码器不工作，输出均为高电平，所有发光二极管在CP作用下实现CP高电平时亮CP低电平时灭的闪烁状态，即实现汽车突然刹车或接受检查时，所有尾灯处于闪烁状态。4电路总原理图及元器件参数的选择电路总体原理图如下图4-1所示：图4-1 电路总原理图4.1脉冲产生电路中的元件参数选择由电路原理可知：电容充电过程的初始状态为1/3Vcc，终止状态为2/3Vcc,稳定状态为Vcc，充电的时间常数为1=（R1+R2）C2。电容放电过程中，由于晶体管基本处于饱和导通状态，两端的电压很低，因此供电电源对放电电路影响很小，放电时的初始状态为2/3Vcc，终止状态为1/3Vcc，稳定状态为0，放电的时间常数为2=R2C2。根据这些条件，结合一阶电路暂态过程的三要素法，可以计算出充放电过程所用的时间。充电所用时间，即脉冲高电平维持时间为：t1=（R1+R2）C22=0.7（R1+R2）C2放电所用时间，即脉冲低电平维持时间为：t2= R2C22=0.7R2C2所以，脉冲周期时间为：t= t1+ t2=0.7（R1+2R2）C2脉冲频率为：F=1/t=1.43/（R1+2R2）C2由于本次设计要求555构成的多谐振荡器输出频率为1赫兹的脉冲，故可选择R1=43K，R2=50K，C2=10uF来保证输出脉冲周期为1秒。4.2电路其他模块元器件参数的选择由于电路中主要选用的是芯片来构成，其附属元件如电阻、电容等用的比较少，而且电阻只是起到实现高低电平的作用对其阻值没有太高要求，不会影响电路的逻辑功能，故电路中其他模块里面的电阻统一选定为阻值330的电阻即可。5各部分电路波形仿真图示5.1脉冲产生电路仿真由555定时器构成的多谐振荡器产生的频率为1赫兹的脉冲波形如图5.1-1所示：图5.1-1 脉冲波形图5.2三进制计数器输出波形仿真由74LS161改造成的三进制循环计数器其QAQB端输出波形如图。5.2-1所示。由图可知，该电路能实现输出三进制按000110形成循环计数，但存在竞争冒险。图5.2-1 三进制循环计数器输出波形5.3左/右转弯时显示驱动电路电路输出波形仿真由于左转弯和右转弯的电路原理相同且现象相似，故在此只列举左转弯的电路输出波形仿真，见图5.3-1：图5.3-1 左转弯时显示驱动电路输出波形由电路图可知，当与发光二极管相连的与门的输出为低电平时有发光二极管亮，由上述波形图可知，三个与左尾灯相连的与门的输出依次顺序出现低电平，故能实现汽车左转弯时三个左尾灯一次顺序点亮。5.4刹车或接受检查显示驱动电路输出波形仿真当汽车刹车或接受检查时，选择左右尾灯各两个其显示驱动电路输出波形如图5.4-1所示：图5.4-1 刹车或接受检查显示驱动电路输出波形仿真由电路原理可知，当与当与发光二极管相连的与门的输出为低电平时有发光二极管亮，由上述波形图可知，与尾灯相连的六个与门的输出均在CP的作用下出现高低电平的转换，因此，六个发光二极管随之出现闪烁状态。5.5仿真结果分析由以上仿真图可知，汽车的六个尾灯能够在两个开关的控制作用下，分别实现跟汽车状态所对应的亮灭关系：即当汽车处于正常行驶状态时，开关K0、K1均接通，六个尾灯均熄灭；当汽车处于左转弯时，开关K0接通K1断开，三个左尾灯依次顺序向左循环点亮；当汽车处于右转弯时，开关K1接通K0断开，三个右尾灯依次顺序向右循环点亮；当汽车处于紧急刹车或接受检查时，开关K0、K1均接通，六个尾灯闪烁。6实物调试7小结与心得本次课程设计是我第二次做课程设计，有了上学期得模电课程设计的经验后，这次做得还算比较顺利，基本上能够避免出现第一次由于不熟悉带来的程序运行，报告排版等问题。通过本次课设我受益匪浅，尤其是对我的数电的理论知识的巩固与提高，并将所学理论与实际操作和设计结合让我更深刻的理解和贯通了理论知识。同时，在课程设计的过程中我也发现了很多问题和自己的不足之处，这些都有利于我以后改进和提高，为将来打下牢固的知识基础。这次课设不仅使我的动手能力大幅提高，也锻炼我的意志品质，提高了自学能力。尤其是在实物的制作和报告的撰写过程中，我学到了很多以前不知道但是很重要的必备知识，更重要的是让我领悟到做事一定要认真仔细的去体会每一个要求，要做到稳扎稳打勤恳务实。这才是求学应有的态度。本次课设我主要运用到数字电子技术里面的中小型集成芯片即逻辑门的知识，并学习了仿真软件multisim的使用方法，两者互相结合完成了电路的设计与仿真，最后我动手操作自己完成了实物的焊接和调试，对我的动手能力和自己找问题排除困难的能力有很好的锻炼和加强。虽然成功达到了设计要求，我自身也收获不少，但在制作和设计过程也出现了一些问题，这证明了我对一些方面的知识还掌握不够，还需要更进一步好好深造，希望下次课程设计能有更大的进步。结束语本次数字电子电路课程设计就要结束了，在这整个过程中，我受到了不少热心的老师和同学们的帮助，尤其是我的数电理论课老师和数电课程设计指导教师，在我遇到专业知识性问题和设计难题或撰写报告遇到困惑时，他们都给予我耐心的讲解和帮助，让我能运用知识排除困难，理解原理与错误原因从而真正解决一个或一系列相关的问题。在此，我对帮助过我的同学老师表示衷心的感谢。希望下一次的课程设计我能做的更好，能够更好的锻炼自己，从而学到更多知识。附表一：元器件清单555定时器U1NE5551只计数器U274LS1611只译码器U374LS1381只二输入与门U4U974LS086只二输入与非门U1074LS001只三输入与非门U1174LS101只二输入异或门U1274LS861只非门U1374LS041只电阻R143k1只电阻R250k1只电阻R3330欧米茄8只电容C110uF1只电容C210nF1只发光二极管D1D3红3只发光二极管D4D6绿3只开关J1、J22只附表二：参考文献1 数字电子技术基础 伍时和 主编 .清华大学出版社，2009.2 数字电子技术 康华光 主编 .华中理工大学电子学教研室编，高等教育出版社，1999年6月第4版.3 电子线路设计实验测试（第二版） 谢自美 主编 . 华中科技大学出版社 ，2000年7月第二版 .4 数字系统设计与开发 查振亚 主编 .华中理工大学出版社 ，1999年版.5 数字逻辑电路设计与实验 绳广基 编著 .上海交通大学出版社， 19896 中国集成电路大全TTL集成电路 中国集成电路大全编写委员会编 .北京：国防工业出版社，19857 电子技术基础课程设计 粱宗善.华中理工大学出版社 ，1995.1.8 74系列芯片的应用 现代电子技术（半月刊），第128期.9 尾灯的原理 电世界（月刊），第54期.10数字电子技术基础 阎石 主编 .高等教育出版社，2006.11电子技术基础学习指导 阎石 主编 .辽宁科技出版社，1985.12Multisim2001电路设计及仿真入门与应用 郑步生 主编.电子工业出版社，2002.