汽车尾灯

引言 汽车尾灯是汽车的主要部分，在我们的生活中不可缺少，正是有了它才是我们的交通得以正常进行。现在社会上出现交通事故的比例很高除了自身原因外，汽车尾灯也发挥着主要的作用，尾灯的指示灯按正常指定闪烁将会避免很多事故的发生 。汽车尾灯控制电路是数字电路在交通控制电路中的典型应用，在日常生活中有着广泛的应用，本设计基本上模拟了汽车运行过程中的实际状况，一般有左右各三个灯，当人们看到灯不同形式的亮灭闪烁时，就会知道驾驶员的操作意图，即行驶、左转、右转及刹车。本设计将借助Protel 99se和NI Multisim10仿真。 1 #设计# 1.1 汽车尾灯电路设计要求 汽车行驶时有正常行驶、左转、右转和刹车四种情况，设汽车尾部左右两侧各有3个指示灯（用发光二极管模拟）。 （1） 汽车正常运行时指示灯全灭 （2） 汽车右转弯时，右侧3个灯按右循环顺序点亮 （3） 汽车左转弯时，左侧3个灯按左循环顺序点亮 （4） 汽车临时刹车时所有指示灯同时闪烁 1.2 设计原理及原理框图 汽车尾灯控制电路主要由开关控制电路，三进制计数器，译码、显示驱动电路组成。由于汽车左转或右转时，三个指示灯循环点亮，所以用三进制计数器控制译码器电路顺序输出低电平，从而控制尾灯按要求点亮。 首先，设置两个可控的开关，可产生00、01、10、11四种状态。 开关置为00状态时，汽车处于正常行驶状态； 开关置为01状态时，汽车处于右转弯的状态； 开关置为10状态时，汽车处于左转弯的状态； 开关置为11状态时，汽车处于刹车状态。 三进制计数器可由74LS163芯片和74LS00构成；译码电路可用译码器74LS138和6个与非门构成；显示、驱动电路由6个发光二极管和6个反向器构成。 原理框图如图所示： 图1.1 原理框图 2单元电路设计 2.1 时钟脉冲电路 555定时器简介：555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发电路和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器A1的反向输入端的电压为2/3Vcc,A2的同相输入端的电压为1/3Vcc,若触发输入端TR的电压小于1/3Vcc,则比较器A2的输出为1，，可使RS触发置1。，使输出端OUT为1。如果阙值输入端TH的电压大于2/3Vcc，同时TR电压大于1/3Vcc，则A1输出为1，，A2输出为0，，可将RS触发器置0，可使输出为0电平。下图为555定时器内部结构与引脚图： 图2.1 内部结构结构图 图2.2引脚图 如图为由555定时器构成的多谐振荡器。接通电源后，电容C被充电，Vc上升，当Vc上升到2/3Vcc时，触发器被复位，此时Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc先讲到1/3Vcc时，触发器又被复位，Vo翻转为高电平。周期T为： T=（R1+2R2）Cln2≈0.7(R1+2R2)C=0.7(28.6K+56.7K×2)×10nF=0.994us 这样，通过电容充放电时间，使多谐振荡器产生时钟信号。 图2. 3 时钟脉冲电路 时钟脉冲波形如下图所示： 图2. 4脉冲波形图 2.2 开关控制电路 开关控制电路通过控制开关J1和J2的开通于关断，实现汽车正常行驶、左转弯、右转弯和刹车四种状态。 J1、J2置于00状态时，汽车处于正常行驶状态； J1、J2置于01状态时，汽车处于右转弯状态； J1、J2置于10状态时，汽车处于左转弯状态； J1、J2置于11状态时，汽车处于刹车状态。 图2.5开关控制电路图 2.3 三进制计数器 汽车左或右转弯时由于是三个指示灯循环点亮，所以用三进制计数器控制译码电路顺序输出低电平，从而控制尾灯按要求电路，由此得出在每种运行状态下，各指示灯与各给定条件的关系，即逻辑功能：（0表示灯灭，1表示灯亮） 表2.31三进制计数器功能表 开关控制 J1 J2 三进制计数器 Q1 Q0 六个指示灯 1 2 3 4 5 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 cp cp cp cp cp cp 此计数器由74LS163芯片主要构成，74LS163计数功能简介：其计数是同步的，靠CP同时加在四个触发器上而实现的，当CTp和CTt均为高电平时，在CP上升沿作用下Q0-Q3同时变化，从而消除了异步计数器中出现的计数尖峰。对于74LS163，只有当CP为高电平时CTp和CTt才允许高至低电平的跳变，而与CP无关。74LS163的引脚图及真值表： 表2.32 74LS163真值表 图2.6 74LS163引脚图 计数器电路图如图所示： 图2.7三进制计数器电路图 2.4 译码、显示驱动电路 此电路由74LS138芯片和6个与非门，6个反向器和发光二极管构成。 74LS138芯片简介：74138为3线-8线译码器，，其工作原理如下：当一个选通端为高电平，另两个选通端为低电平时，可将地址端的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。若外接一个反向器可级联扩展成32线译码器，若将选通端中的一个作为数据输入端时，74138还可以做数据分配器。下图为其引脚图和真值表： 表2.41 74LS138真值表 图2.8引脚图 译码、显示驱动电路图如下图所示； 图2.9 译码、显示驱动电路图 3 性能测试与仿真 3.1 Protel 99SE和NI Multisim10仿真软件的简单介绍 3.11 Protel 99SE的简单介绍 Protel 99SE按照系统功能划分主要包含以下两大部分和6个功能模块。 电路设计部分 　(1)电路原理设计部分（Advanced Schematic 99）：电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）以及各种文本编辑器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。 （2）印刷电路板设计系统（Advanced PCB 99）：印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。本系统的主要功能是：绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。 （3）自动布线系统（Advanced Route 99）：本系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。 电路仿真与PLD部分 （1）电路模拟仿真系统（Advanced SIM 99）：电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。 （2）可编程逻辑设计系统（Advanced PLD 99）：可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（Waveform）。本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。 （3）高级信号完整性分析系统（Advanced Integrity 99）：信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。 3.12 NI Multisim10的简单介绍 NI Multisim10仿真软件适用于板级的模拟/数字电路板的设计。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态和稳态分析、时域和频域的分析、器件的线性和非线性分析等功能，可以帮助设计人员分析电路的性能。还可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路和接口电路等，在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有原器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。 利用NI Multisim10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，具有如下特点：设计与实验可以同步进行；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表种类齐全；可方便的对电路进行测试与分析，且易学易用，便于电气类学生学习、开展综合性的设计与实验，有利于培养综合分析能力、开发和创新能力。 3.2 利用IN Multisim10进行测试与仿真 当汽车正常行驶时，J1J2处于00状态，指示灯全灭，仿真结果如图所示： 图3. 1正常行驶时电路仿真图 测得仿真波形如下图所示： 图3.2正常行驶时左尾灯仿真波形图 图3. 3正常行驶时右尾灯仿真波形图 当汽车左转时，J1、J2处于10状态，LED4、LED5、LED6循环点亮，仿真电路图如下图所示： 图3. 4左转弯时电路仿真图 仿真波形如下图所示： 图3. 5左转弯时左尾灯仿真波形图 图3. 6左转弯时右尾灯仿真波形图 当汽车右转，J1、J2处于01状态，LED1、LED2、LED3循环点亮，仿真电路图如下图所示： 图3. 7右转弯时电路仿真图 仿真波形如下图所示： 图3. 8右转弯时左尾灯仿真波形图 图3. 9右转弯时右尾灯仿真波形图 当汽车刹车时，J1、J2处于11状态，六盏灯同时闪烁，仿真电路图如下图所示： 图3.10汽车刹车时电路仿真图 仿真波形图如下图所示： 图3.11刹车时左尾灯仿真波形图 图3.12刹车时右尾灯仿真波形图 3.3 Protel 99SE 原理图（SCH）和印制电路板（PCB） 3.31 原理图（SCH） 图3.13汽车尾灯控制电路总原理图 3.32 布线图 图3.14 布线图 3.33 电路板（PCB） 图3.15 电路板（PCB） 4 结论 时钟脉冲电路波形分析：先观察时钟脉冲产生电路，见图2.3。产生的脉冲波形如图2.4，可见并不是完美的方波，频率也有一些小波动。这是由于基于555的多谐震荡电路精度并不是很高，但在允许误差范围内。 右转弯时LED阴极电平波形分析：由图3.8和图3.9可知。右转向时D4到D6阴极全为高电平，而D1到D3间隔出现低电平。左尾灯全不亮，右尾灯D1、D2、D3依次点亮，满足设计要求。 左转弯时LED阴极电平波形分析：由图3.5和图3.6可知。左转向时D1到D3阴极全为高电平，而D4到D6间隔出现低电平。右尾灯全不亮，左尾灯D4、D5、D6依次点亮，满足设计要求。 汽车刹车时LED阴极电平波形分析：由图3.11和图3.12可知，6个LED均随时钟脉冲CP而变化。呈现所有灯同时闪烁，也符合设计要求。 通过为期一周的课程设计，基本完成了本次设计的设计要求：汽车正常运行时指示灯全灭，汽车右转弯时，右侧3个灯按右循环顺序点亮，车左转弯时，左侧3个灯按左循环顺序点亮，汽车临时刹车时所有指示灯同时闪烁。本次设计是通过查阅各种资料和小组讨论与思考做出来的，在设计的过程中，单元电路仿真和性能的测试是用IN Multisim10软件进行仿真的，效果非常明显，最后的总原理电路图借助Protel 99SE完成，经过构建网络表，自动布线等环节，最终制成了PCB电路板。设计基本实现了汽车在运行时尾灯点亮方式的各种情况。但仍然存在很多不足的地方，例如某种程度上脱离了汽车真正行驶时的实际情况，还存在很多细节方面要注意的问题。如果在时间允许的条件下可以对这一系列不足进行逐步的改正。 参考文献 [1]谢自美.电子线路设计、实验、测试[M].华中理工大学，2001. [2]陈永甫.新编555集成电路应用800例[M].北京：电子工业出版社，2000. [3]康华光.电子技术基础[M].华中科技大学.2005. [4]李银华.电子线路设计指导[M].北京航空航天大学.2005. [5]黄志伟.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析.北京：电子工业出版社.2008. [6]张伟.Protel 99SE实用教程 [M].人民邮电出版社.2008. 开关控制电路 脉冲发生电路 三进制计数器 译码显示驱动电路 PAGE 7