河海大学电气工程及其自动化专业07级.docx
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河海大学电气工程及其自动化专业07级
1摘要
课程设计作为数字电子技术和模拟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。
本文介绍了一种通过TTL系列产品设计模拟汽车尾灯工作情况电路的方法。
主要阐述了如何通过555系列来制作脉冲产生器，如何利用D触发器改制三进制的计数器和译码器的使用等一系列方法。
实验通过发光二极管模拟汽车尾灯来实现了汽车在行驶时候的四种情况：
正常行驶，左拐弯，右拐弯，临时刹车，检查。
关键字：
汽车尾灯，脉冲，计数器，译码器，行驶情况
Abstract
Curriculumdesignasasimulationofdigitalelectronictechnologyandelectronictechnologyanimportantcomponentofthecourse,ontheonehand,thepurposeofenablingustofurtherunderstandingofcoursecontent,thebasicdigitalsystemdesignanddebuggingmethods,applicationsofintegratedcircuitstoincreaseknowledge,fostertheabilityofourhandsaswellasanalysis,problem-solvingabilities.
ThisarticledescribesaseriesofproductdesignthroughsimulationTTLautotaillightcircuitmethodswork.Mainlyonhowtoproduce555seriespulsegenerator,howtomakeuseofJKflip-flopternarysystemdecoderofthecountersandtheuseofarangeofmethods.Experimentalsimulationofvehiclethroughthelight-emittingdiodetaillightstoachieveamovingcarwhenthefourcases:
thenormaltraffic,leftturn,rightturn,temporarybrake.
Keywords:
autolamps,pulse,counters,decoders,trafficsituation.
2设计要求与思路
2.1设计目的与要求
设计目的：
设计一个汽车尾灯控制器，实现对汽车尾灯状态的控制。
设计要求：
本课题设计一个汽车LED尾灯的控制器电路。
该电路由四个电键控制，分别对应着左转、右转、刹车和检查功能。
当接通左转或右转电键时，左侧或右侧的3个汽车尾灯按照左循环或右循环的顺序依次点亮。
当接通刹车电键时，汽车所有的尾灯点亮。
当接通检查电键时，汽车所有的尾灯同时闪烁（0.5—1次／S）。
在上述功能基础上鼓励自己增设电路功能。
2.2设计思路与构想
2.2.1汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系
为了区分汽车尾灯的4种不同的显示模式，需设置4个状态控制变量。
假定用开关K1、K2、K3、K4进行显示模式控制，可列出汽车尾灯显示状态与汽车运行状态的关系，如表2.1所示。
（“1”表示高电平，“0”表示低电平）
表2.1 汽车尾灯和汽车运行状态
开关控制
汽车运行状态
左转尾灯
右转尾灯
K1
K2
K3
K4
D1D2D3
D4D5D6
1
1
1
0
正常运行
灯灭
灯灭
0
1
1
0
左转弯
按D3、D2、D1顺序循环点亮
灯灭
1
0
0
0
右转弯
灯灭
按D4、D5、D6顺序循环点亮
1
1
0
0
临时刹车
所有尾灯同时亮
1
1
1
1
检查
所有尾灯同时闪烁
2.2.2汽车尾灯控制器功能描述
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。
设三进制计数器的状态用Q1和Q0表示，可得出描述指示灯D1、D2、D3、D4、D5、D6与开关控制变量K1、K2、K3、K4，计数器的状态Q1、Q0以及时钟脉冲CP之间关系的功能表如表2.2所示（表中指示灯的状态“1”表示点亮，“0”表示熄灭）。
表2.2 汽车尾灯控制器功能表
控制变量
计数器状态
汽车尾灯
K1
K2
K3
K4
Q1
Q0
D1 D2 D3
D4 D5 D6
1
1
1
0
000
000
0
1
1
0
0
0
1
0
1
0
001
010
100
000
000
000
1
0
1
0
0
0
1
0
1
0
000
000
000
100
010
001
1
1
0
0
111
111
1
1
1
1
cpcpcp
cpcpcp
根据以上设计分析与功能描述，可以得出汽车尾灯控制器的结构框图，如下图所示。
发光二极管
根据以上设计分析与功能描述，可得出汽车尾灯控制器的结构框图。
整个电路可由秒脉冲电路、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5部分组成。
3单元电路设计
3.1秒脉冲电路的设计
方案一：
石英晶体振荡器；
此电路的振荡频率仅取决于石英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。
此电路非常适合秒脉冲发生器的设计，但由于尽量和课堂知识联系起来，所以没有采用此电路。
方案二：
由555定时器构成的多谐振荡器；
由555定时器构成的多谐振荡器。
555定时器的管脚图如图3.1所示。
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，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。
所以由555定时器构成的多谐振荡器的振荡频率稳定，不易受干扰。
因此采用此方案。
图3.1555定时器的引脚图
图3.1555定时器的引脚图
由于本次实验对脉冲的要求不高，同时为了保证二极管的闪烁适宜，可以让脉冲周期设定为一秒左右即可。
电路原理如图3.2所示。
图3.2用NE555制作脉冲发生器的原理图
测试输出结果为：
图3.3用NE555制作脉冲发生器的输出波形
3.2开关控制电路的设计
设译码器与显示驱动电路的使能控制信号为G和F，G与译码器74LS138的使能输入端G1相连接，F与显示驱动电路中与非门的一个输入端相连接。
由总体逻辑功能可知，G和F与开关控制变量，K1、K2、K3、K4以及时钟脉冲CP之间的关系如表3.1所示。
表3.1 使能控制信号与开关控制变量、时钟脉冲的关系
开关控制
时钟脉冲
使能控制信号
电路工作状态
K1
K2
K3
K4
CP
G
F
1
1
1
0
d
0
1
汽车正常行驶（此时译码器不工作，译码器输出全部为高，显示驱动电路中的与非门输出均为低，反相器输出均为高，尾灯全部熄灭）
0
1
1
0
d
1
1
汽车左转弯行驶（此时译码器在计数器控制下工作，显示驱动电路中的与非门输出取决于译码器输出，左侧尾灯D1、D2、D3在译码器输出作用下顺序循环点亮）
1
0
1
0
d
1
1
汽车右转弯行驶（此时译码器在计数器控制下工作，显示驱动电路中的与非门输出取决于译码器输出，右侧尾灯D3、D4、D5在译码器输出作用下顺序循环点亮）
1
1
0
0
cp
0
0
汽车临时刹车（此时译码器不工作，译码器输出全部为高，使能控制信号F为低电平，通过显示驱动电路中的与非门作用到反相器输出端，使左右两侧的指示灯全亮）
1
1
1
1
cp
0
cp非
汽车检查（此时译码器不工作，译码器输出全部为高，时钟脉冲cp通过显示驱动电路中的与非门作用到反相器输出端，使左右两侧的指示灯在时钟脉冲cp作用下同时闪烁）
由上述表格可得：
；
根据G和F的逻辑表达式，可画出开关控制电路。
如图3.3所示
图3.4开关控制电
3.3三进制计数器电路的设计
三进制计数器的状态表如表3.2所示。
表3.2三进制计数器的状态表
现态
次态
Q1
Q0
Q1
Q0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
d
d
得到电路的状态方程为：
；
方案一：
由J-K触发器构成的三进制计数器；
由于J-K触发器的特性方程为：
；
又因为
，
；
所以
，
；
，
；
由于电路中只需采用一片双上升沿触发器74LS76芯片即可，因此电路结构简单，成本低。
图3.5为74LS76引脚图，利用74LS76实现三进制计数电路如图3.6所示。
图3.574LS76芯片引脚图图3.6三进制计数器
方案二：
由D触发器构成的三进制计数器；
由于D触发器的特性方程为：
；
又因为
，
；
所以
，
；
两个D触发器可由一片双D触发器74LS74芯片实现，以及74LS00与非门和74LS04非门来实现此电路。
由于电路结构较之上一方案有点复杂，而且需要三个芯片（至少两个），成本较高，但由于实验室只提供了双D触发器74LS74芯片，因此采用此方案。
图3.7为74LS76引脚图，利用74LS76实现三进制计数电路如图3.8所示。
图3.774LS76芯片引脚图图3.8三进制计数器
3.4译码与显示驱动电路的设计
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，当译码驱动电路输出的控制信号为低电平时，相应指示灯点亮。
因此，译码与显示驱动电路可用74LS138（其功能表如表3.3所示）、6个与非门和6个反相器构成。
图中，译码器74LS138的输入端C、B、A分别接K1、Q1、Q0。
当图中G=F=1、K1=0时，对于计数器状态Q1Q0为00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯D3、D2、D1对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯D3、D2、D1依次顺序点亮，示意汽车左转弯；当图中G=F=1、K1=1时，对于计数器状态Q1Q0为00、01、10，译码器输出依次为0，使得与指示灯D4、D5、D6对应的反相器输出依次为低电平，从而使指示灯D4、D5、D6依次顺序点亮，示意汽车右转弯；当图中G=0，F=1时，译码器输出为全1，使所有指示灯对应的反相器输出全部为高电平，指示灯全部熄灭；当图中G=0，F=cp时，所有指示灯随cp的频率闪烁。
实现了4个开关4种不同模式下的尾灯状态显示。
表3.3为74LS138译码器的功能真值表。
74LS138译码器接法如图3.7所示。
图3.974LS138译码器引脚图
表3.374LS138功能表
图3.774LS138控制译码显示电路
3.5尾灯状态显示电路的设计
尾灯状态显示电路可由6个发光二极管和6个电阻组成，图3.9中，当6个反相器的输出为低电平时，相应发光二极管被点亮。
图3.8二极管发光电位
3.6数码管显示电路的设计
为了使驾驶员能实时了解自己按了哪个键即后部车灯的状态，我们设计了数
码管显示电路，该电路由7段BCD码锁存、译码、驱动器4511，和八段数码
管组成，当按下K1时，则数码管显示1；当按下K2时，则数码管显示2；当按
下K3时，则数码管显示3；当按下K4时，则数码管显示4.。
图3.9数码管显示电路
图3.10八段数码管引脚图
4电路仿真与分析
4.1电路仿真总电路图
方案一：
图4.1汽车尾灯控制器电路原理图1
方案二：
图4.2汽车尾灯控制器电路原理图2
方案三：
图4.3汽车尾灯控制器电路原理图3
经过比较最终我们选择了原理图3。
4.2汽车尾灯控制器电路的工作原理
其工作原理图如图4.1所示，经过以上所述的设计内容及要求的分析，可以图4.1汽车尾灯控制器电路原理图
将电路分为以下几部分：
首先，通过555定时器构成的多谐振荡器产生频率为1Hz的脉冲信号，该脉冲信号用于提供给双D触发器构成的三进制计数器和开关控制电路中的三输入与非门的输入信号。
其次，双D触发器构成的三进制计数器用于产生00、01、10的循环信号，此信号提供左转、右转的原始信号。
最后，左转、右转的原始信号通过6个与非门，6个非门以及74LS04提供的高低电位信号，将原始信号分别输出到左、右的3个汽车尾灯上。
得到的信号即可输出到发光二极管上，实现所需功能。
4.3参数计算与器件选择
（1）电阻：
由于f为1Hz左右适合观察即可，根据公式：
f=1.43/C（R1+2R2），所以选取R1=43kΩ，R2=50kΩ，C1=1μF，C2=1nF其他上拉电阻可选为200Ω即可。
（2）电容：
如上所述，电容选1μF/25V。
5电路安装与调试
5.1电路安装过程
对照电路图连接电路，过程中注意短路，电源Vcc与接地端的接法，在安装中外观需要提高，电路功能基本实现。
5.2电路的调试过程中遇到的问题及解决方法
调试过程中出现了几个小问题：
1、面包板上的电源没有全部串联起来，7474没有工作；2、因为连线过多，有个别线路连错引脚；3、线头绝缘皮剥掉过多，有几处电路误串起来。
这些问题经过我们的仔细检查都一一解决。
下面总结一下模块化设计在检错中的作用。
检查时应把各个模块分离，对每个模块进行检查，这样就不会在出错之后毫无头绪。
对模块检查时先检查每个器件的电源和地，看是否连好，还要用万用表测试是否连通；然后对照电路图查看引脚连接是否有错；最后用万用表检查线路是否都正常连通。
在确保了电路连接无误后，再通过通电后LED的状态来判断问题的出处。
我们在检查过电路连接后电路就可以正常工作了。
将外接电源接好后，闭合K1、K2、K3、K4任何其中一个开关，分别观察二极管发光状况并与设计要求比较，发现基本符合设计要求。
6元器件清单和使用仪器
6.1使用的主要仪器、仪表
表6.1仪器、仪表
仪器、仪表名称
+5V电源
示波器
函数信号发生器
万用表
6.2元件清单
表6.2元件清单
名称
数量
电容，10uF
1
电容，10nF
1
74LS138
1
LED_red
6
74LS86
1
开关（SWITCH）
4
74LS32
1
数码管驱动器（4511）
1
74LS00
5
74LS04
2
555
1
电位器
503（1个）
电阻
200欧姆（13个），43k欧姆（1个）
点源5v
1
Ф0.6导线
若干
数码管
1
7设计体会
数字逻辑是电子科学与技术专业学生必修的一门专业基础课，我们进行数字电子课程设计是我们理论联系实际的最好途径，将书本上的知识利用到实际的分析解决问题中去，这样使我们更加牢固的掌握分析与设计的基本知识与理论，更加熟悉的各种不同规模的逻辑器件，掌握逻辑电路的分析和设计的基本方法，为以后的学习奠定基础。
当听到了课程设计的题目后，我们小组成员便拿出了好久没看的数电书，先复习了大半天，熟悉了各种不同规模的逻辑器件，把设计电路的步骤弄懂了。
不过还是不知道从哪里下手，于是到图书馆去借了一本书参阅，上面有汽车尾灯的设计图，但是所使用的元器件与老师给定的不同，题目要求也不完全相同。
于是我们就把逻辑电路做了修改，并添加了好几个元件，使之符合老师的要求。
这次课程设计，看似简单的一块电路板却花费我好久的时间。
虽然电路外观不尽如人意，但最终还是成功！
通过这次的数字电子的课程设计，我体会到学习数字电子的重要性，在过程用到了许多书中的知识，好有些不懂的东西，就上网或是去图书馆查资料，期间遇到困难，也通过认真的检测解决了问题，得益于自己的耐心和决心，也离不开老师和周围同学的帮忙。
特别感谢指导老师王老师的帮助！
8其他元器件引脚图
74LS00引脚图74LS04引脚图
参考文献
[1].屠其非LED用于汽车尾灯的展望光源与照明2001
[2].姚福安著.电子电路设计与实践山东 山东科学技术出版社2002
[3].康华光主编数字电子基础北京高等教育出版社1999
[4].傅晓林电子技术课程设计实用教程重庆重庆交通学院机电学院电工电子教研室2006
[5].路勇主编电子电路实验及仿真北京清华大学出版社2004
[6].唐程山主编电子技术基础北京高等教育出版社2005
附录：
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