汽车尾灯控制器的设计与制作

武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书1摘要在我国交通拥挤导致交通事故频繁发生，而其中汽车追尾时间在事故中占得比例比较大。汽车尾灯控制电路的产生能缓解这一状况，通过对汽车尾灯的控制，体现汽车在公路上行驶的状态，即：正常行驶时指示灯全灭；右转弯时，右侧3个指示灯循环点亮；左转弯时，左侧3个指示灯循环点亮；临时刹车时，所有指示灯同时闪烁。通过这一特点来提示后方的车辆本车的行驶状况，有利于减少汽车追尾事件的发生，是一个值得普及的设计。关键词：行驶状况指示灯计数武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书2设计方案及制作过程1、总体设计思想根据课程设计任务书的要求，以及汽车尾灯逻辑关系分析，得出设计该电路大体需要时钟脉冲信号产生电路、三进制计数电路、译码电路、开关控制电路、驱动显示电路以组成汽车尾灯控制电路。其控制关系如图1-1所示。图1-1设计电路控制关系2、逻辑抽象2.1尾灯与汽车运行状态表S1=1表示左转弯。S0=1表示右转弯。表2-1尾灯与汽车运行状态表分析1）灯需要在不同的情况下出现以下三种情况，全灭，闪烁，循环亮灭。可以利用计数器实现产生循环脉冲信号来达到预期的实验目的。2）脉冲信号的产生：考虑利用555定时器构成分频电路，来得到需要的频率的脉冲信号。2.2电路逻辑功能由于汽车左右转弯时，3个灯循环点亮，所以用三进制计数器控制译码器电路循序输出低电平，从而控制尾灯按要求点亮。由此得出在每种运行状态下，各种指示灯与各种给定的时钟脉冲信号发生器显示驱动电路译码电路三进制计数器开关控制电路武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书3条件下的关系，即逻辑功能表如下表2-2所示。表2-2逻辑电路真值表3、设计单元电路3.1时钟脉冲发生器方案一：石英晶体振荡器此电路的振荡频率仅取决于此应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。但由于没有与课程联系很紧密，所以不采用此电路。方案二：由555定时器构成的多谐振荡器如下图3-1的电路图，可以产生矩形脉冲发生器。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，它的振荡频率受电压和温度的影响很小。与课程联系密切，所以采用此方案。再由于此电路对时钟脉冲没有严格的要求，故我把电阻、电容的值设定为比较合适并常见的值。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ζ1=（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，充电的时间常数为ζ2=R2C2。根据这些条件，结合一阶电路暂态过程的三要素法，可以计算出充电过程所用的时间。充电过程的方程式：2/3Vcc=Vcc+(1/3Vcc-Vcc)e(t1/(RC2)充电所用时间，即脉冲维持时间：t1=（R1+R2）C2ln2=0.7(R1+R2)C2放电过程的方程式:1/3Vcc=0+(2/3Vcc-0)e(t2/(RC2))放电所用时间，即脉冲低电平时间：t2=R2C2ln2=0.7R2C2所以，脉冲周期时间为t=t1+t2=0.7(R1+R2)C2+0.7R2C2=0.7(R1+2R2)C2武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书4脉冲频率为f=1/t=1/(0.7(R1+2R2)C2)=1.43/((R1+2R2)C2)根据以上分析可得f=1.43/((50*103+2*50*103)*0.01*10-6)=953.3Hz图3-1时钟脉冲发生器2输出脉冲信号图3-2脉冲信号波形武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书53.2三进制计数器由表2-2可以看出计数器是三进制的，而可以构成三进制计数器芯片有很多种：方案一：74LS90芯片如图3-3所示，INB接QA属于十进制计数接法，电路在时钟脉冲的触发下进行十进制加计数，当计数到2的一瞬间，QB=1，R01=R02=1，电路进行置0操作——由此，电路构成三进制计数器。方案二：74LS161芯片如图3-4所示，使能端ENP、ENT接高电平使能，置数端LOAD接高电平置数无效，A、B、C、D端输入信号无效，但为了避免悬空，所以都接地。电路在时钟脉冲的触发下进行十进制加计数，当计数到3（因为译码器74LS138的Y3、Y7悬空，所以四进制计数对电路实际功能没有影响）的一瞬间，QA=QB=1，通过一个与非门后使得清零端为0，清零（开始清零端为1，清零无效，电路正常计数）——由此，电路构成三进制（实为四进制计数器，在此处与三进制计数器无异，所以为了方便，统称为三进制）计数器。输入脉冲信号输入脉冲信号图3-474LS161芯片构成的三进制计数电路图3-374LS90芯片构成的三进制计数电路武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书6方案三：74LS192芯片如图3-5所示，置数端LOAD接高电平置数无效，减计数脉冲触发信号DOWN接高电平，加计数脉冲触发信号UP接时钟脉冲信号，A、B、C、D端输入信号无效，但为了避免悬空，所以都接地。电路在时钟脉冲的触发下进行十进制加计数，当计数到3（与方案二类似，因为译码器74LS138的Y3、Y7悬空，所以四进制计数对电路实际功能没有影响）的一瞬间，QA=QB=1，通过一个与门后使得清零端为1，清零（开始清零端为0，清零无效，电路正常计数）——由此，电路构成三进制（实为四进制计数器，在此处与三进制计数器无异，所以为了方便，统称为三进制）计数器。图3-574LS192芯片构成的三进制计数电路通过对三种不同的芯片构成的三进制计数器的比较可以看出，74LS90芯片没有用到逻辑门电路而74LS161、74LS192芯片实现三进制计数都需要一个逻辑门与之配合使用，故在完成实物时采用了图3-3的电路。因为本组其他同学已经采用了图3-3的电路，采用图3-4会使电路增加一片74LS00芯片，同时驱动显示电路需要使用6个与门，而一片74LS08含有4个与门，两片74LS08中还有两个与门没有使用，采用图3-5不会增加整个电路的芯片数量，且我本人对于74LS192比较熟悉，所以我设计的电路图采用的是图3-5。3.3译码电路三进制计数器产生的00、01、10信号需要通过一个译码器进行译码，而3线-8线译码器比较常用的是74LS138，而且课堂学习时老师也讲过其应用，故我设计的电路图和实际电路连接都采用的是74LS138芯片，而没有考虑其他芯片。输入脉冲信号武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书73.4显示驱动电路如图3-7所示，当发光二极管的A端为低电平时二极管才会亮。由于74LS138芯片Y0到Y7端为由左到右排列，结合表2-1可以得知S0=1表示汽车右转弯，S1=1表示汽车左转弯，S1控制74LS138芯片的高位输入端，故S1=0同时S0=1时74LS138芯片的Y0到Y2端会输出低电平，结果是Y0、Y1、Y2端连接的发光二极管（即LED灯）亮，所以发光二极管的左右是颠倒的，但这对于实际应用时不会有任何影响，只需要把发光二极管的左右位置调换过来就行了，而电路设计过程中为了元件摆放的方便与美观，故采取图3-7所示的排列方式。当汽车正常行驶时S1=0，S0=0，会导致A端为高电平，所有二极管都不会亮；当汽车临时刹车时，A端的信号即为时钟信号发生器产生的脉冲信号，所有的发光二极管都会在脉冲信号的低电平时间灭，在脉冲信号的高电平时间亮。图3-674LS138芯片译码电路图3-7显示驱动电路武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书83.5开关控制电路方案一：如图3-8所示开关打开时输入的是高电平，打开的时候输入的是低电平。如图3-8所示控制电路的A端直接接到译码器74LS138的高位输入端C端；控制电路的B端接到译码器74LS138的使能端，B=S0○+S1；控制电路的C端、D端通过与时钟脉冲信号接到一个三输入与非门后连到显示驱动电路的所有与门的输入端。74LS138芯片是低位使能，当S0、S1相同时B=0，当S0、S1不同时B=1。进一步分析，当S0=S1=0时=1，所有的与门的输出值都为1，即高电平，所以此时所有的发光二极管都不会亮，即满足表2-2的真值显示，汽车处于正常行驶状态，符合表2-1的分析；当S0=S1=1时，B=0，使能端无效，Y0到Y7的输出全为高电平1，=CP，通过与门后的信号即为CP信号，所以此时的发光二极管会闪烁，符合表2-1和表2-2的描述；当S1=0，S0=1时，A端为0，B端为1，所以译码器使能而其最高位输入信号为0，=1，通过与门的信号是从译码器输出端的信号，A=0而计数器三进制循环计数，所以此时Y0、Y1、Y2三个灯循环亮，实现了右灯循环亮，满足表2-1、2-2对于此的描述，此时的汽车处于右转弯状态；当S1=1，S0=0时，A端为1，B端为1，所以译码器使能而其最高位输入信号为1，CDCP=1，通过与门的信号是从译码器输出端的信号，A=1而计数器三进制循环计数，所以此时Y4、Y5、Y6三个灯循环亮，实现了左灯循环亮，满足表2-1、2-2对于此的描述，此时的汽车处于左转弯状态。图3-8开关控制电路武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书9方案二：如图3-9所示开关打开时输入的是高电平，打开的时候输入的是低电平。74LS138和显示电路的使能信号分别为G和A，根据总体逻辑功能分析及组合得G、A与给定条件(S1S0CP)的真值表，如表3所示。由表3经过整理的逻辑表达式为G=S1○+S0A=S1S0+S1S0CP=S1S0S1S0CP通过对图3-8、图3-9这两个开关控制电路的比较可以看出，两者所能达到的功能是一样的，但图3-8明显比图3-9在输入逻辑关系及电路连接上要简单得多，所以我采用的是图3-8展示的开关控制电路。AG表3-1开关的逻辑功能表图3-9开关控制电路武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书104、整体电路图原理及其仿真4.1整体电路图4.2电路原理整个电路的能源供应由5V直流电源供应，整个电路的脉冲信号由555定时器构成的时钟脉冲信号发生器产生，脉冲信号分两路，一路输入到74LS192构成的三进制计数器，触发计数器加计数工作，计数器产生的00、01、10（实际上还有11，但11信号不是我们想要的信号，而且产生对整个电路没有任何影响）输入到译码器的QA、QB端，配合开关S1控制的QC端产生000、001、010、100、101、110信号（实际上还有011、111，如上所述，忽略不考虑），在译码器使能端有效的情况下将对应的输出端译码为低电平。而译码器的使能端由信号S0○+S1控制，S0、S1和CP信号共同控制驱动显示电路。当S1S0=00时，译码器使能端为0使能无效，输出端全为高电平，而CP信号对驱动显示电路的输入无效，致使发光二极管阴极端全为高电平，发光二极管全部不亮，表明此时汽车处于正常行驶状态；当S1S0=01时，译码器的使能端为1使能，S1=0表明低位输出端Y0、Y1、Y2会在输入信号的作用下产生低电平，而CP信号对驱动显示电路的输入无效，此时在时钟脉冲的触发下，Y0、Y1、Y2会循环亮（但每次只会亮一个灯），表明此时汽车处于右转弯状态；当S1S0=10时，译码器的使能端为1使能，S1=1表明高位输出端Y4、Y5、Y6会在输入信号的作用下产生图4-1整体电路图武汉理工大学《电工电子技术》课程设计说明书11低电平，而CP信号对驱动显示电路的输入无效，此时在时钟脉冲的触发下，Y4、Y5、Y6会在输入信号的作用下产生低电平，Y4、Y5、Y6会循环亮（但每次只会亮一个灯），表明此时汽车处于左转弯状态；当S1S0=11时，译码器的使能端为0使能无效，输出全为高电平，而CP信号对驱动显示电路的输入有效，所以所有的发光二极管的阴极端的信号全部相同且且为CP信号，所有发光二极管会在CP信号为高电平时不亮，在CP信号为