数电设计汽车尾灯

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1、郑州科技学院数字电子技术课程设计题目汽车尾灯设计学生姓名段腾龙专业班级 自动化2班学号 201042064院（系）电气工程学院指导教师 李晓娟完成时间 2013年3月20日1 总体概述 11.1 设计意义 11.2 设计目的 12 设计方案 12.1 方案一：12.2 方案二：32.3 方案选择与论证 33 电路分析 43.1 总体电路框图 43.2 时钟信号源单元设计 53.3 74LS138 译码器63.4 74LS74构成的二位二进制异步计数器73.5 74LS373 驱动器74 电路的仿真运行及组装、调试 84.1 电路的仿真运行 85 组装与调试 105.1 电路的组装 105.2

2、电路的调试 105.3 数据及结果分析 116 遇到的问题及解决116.1 遇到的问题 116.2 问题的解决 127 设计电路的特点和优缺点 138 设计电路的功能拓展 139 心得体会 14参考文献 15附录1：总体电路图 16附录2：元器件清单表1721 总体概述1.1 设计意义随着社会的不断进步和科学技术， 经济的不断发展， 人们生活水平得到很大的提高， 汽车已经广泛的进入了人们的生活。 而作为汽车电路重要的组成部分 - 汽车尾灯控制系统，人们对它的认识还存在许多的局限性，还有待我们继续对其进行研究和探讨。所以设计一套更好更合理的汽车尾灯系统，对汽车业的发展，对经济的发展有着深远的影响

3、。1.2 设计目的通过本课程的设计，我们应该做到：（ 1）更好的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，提高学生电路设计和分析能力。（ 2）通过实践，在理论指导下有所创新，为后继专业课的学习和日后工程实践奠定基础。2 设计方案2.1 方案一：如图2.1。开关S1、S2、S& S4、S5分别代表左转、右转、刹车、倒车、应急控制开关， 当每一个开关单独闭合时， 相应的单一功能指示灯会在高电平的驱动下发亮。通过与门、或门的组合实现多种功能同时指示。555 方波信号由 555芯片和电阻、电容实现脉宽可调的方波信号。当转弯显示需要以闪烁方式

4、提醒时就将控制信号与555产生的方波信号相与即可实现闪烁。仪表显示模块是从相应的尾灯状态显示处引线回去驱动仪表显示的，同种功能的尾灯与仪表显示同时亮同时灭。电路自检模块,通过对电路正常工作与否的不同分析发现在 LEW和保 护电阻问，若正常工作时电压应该比电路异常时的电压高很多。是近似的高电平和低电平的区别，通过这个差别我们就可以实现电路的自检并在仪表显 示部分由一个单独的LED指示相应的灯及前面电路工作正常与否。多种状态的显示，器件种类较少同时也很常见，另外设计了汽车仪表显 示模块与汽车尾灯电路检测模块，是一个完整的汽车尾灯与仪表显示的方 案。此方案结合实际用不同的车灯颜色和车灯位置相组合来体

5、现不同车灯的 各自指示作用。工作原理简述：左、右转开关接通时，控制信号通过译码器与计数器产2生的移位信号共同控制左、右转的三黄色尾灯循环点亮。当左右两开关同时 接通时，控制信号通过译码器与555产生的脉冲共同控制两侧红色尾灯的闪 亮。当刹车开关接通时，各种情况下的刹车控制信号通过门电路共同控制两 侧红色尾灯的亮灭。2.2 方案二：如图2.2汽车尾部左右两侧各有5个指示灯（3个黄色的，1个白色的， 1个红色的led灯）中间还有一个高位刹车灯（红色的led灯），用作汽车行 驶状态的方向指示，另外还有4个仪表盘指示灯，该灯不仅能给驾驶员提供 尾灯显示信息，还能显示出各尾灯是否正常工作。该系统由四个电

6、键 S0 S1 S2 S3控制，分别对应着左转、右转、刹车、倒车。图2-2 仿真电路图182.3 方案选择与论证方案一由于电路都采用基本器件,从而使器件使用数量较多，电路结构看起来复杂。车灯只采用不同颜色和位置行驶不同功能提示缺乏新意，可以采用不同颜色、位置和不同显示图形相结合的提示， 这样提示效果会更好一 些。方案二的基本原理和方案一有不少相同之处，但是方案二所用的芯片都是常见的集成块，在市场很容易买到，电路的集成度比较高，由于都是芯片 组成的电路看起来直接美观，因此经过小组讨论选用方案二。3电路分析3.1 总体电路框图图3-1 电路框图原理简述：由555脉冲电路产生周期为600ms的脉冲信

7、号，提供给74LS74组成的二位二进制加法计数器，由开关电路来控制74LS138组成的译码电 路，由译码电路、计数电路和开关控制电路一起组成尾灯控制电路，从而控 制尾灯的亮灭。尾灯通过驱动74LS373再经过门电路，组成仪表电路，实现 尾灯的自检。3.2 时钟信号源单元设计由于汽车尾灯的点亮是给人不同的信息及该车将要发生的动作， 所以汽 车尾灯在闪烁的时候不能超过一定的频率， 但是频率也不能太小，所以我们 在设计的时候是采用的555定时器产生的一个脉冲，占空比约为 50%频率 约为1.7HZ。所以尾灯在循环点亮的时候时间问隔约为 0.6S,这样就能让人 很清楚的明白该汽车的动作，从而避免交通事

8、故的发生。VC C图3-2 555脉冲原理图工作原理简述：555定时器和外接元件R1、R2、C构成多谐振荡器，脚 2,6直接相连。电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路也不需要外加触发 信号，利用电源通过R1、R2向C充电，以及C通过R2向放电端（脚7）放 电，使电路产生振荡。电容 C在1/3Vcc和2/3Vcc之间充电和放电。参数计算:周期 T=Tph + Tpl=613ms(3-1)(3-2)低电平时间：Tpl=0.7R2 C=301ms(3-3)高电平时间：Tph=0.7 (R1+R2 C=312ms3.3 74LS138 译码器低电译码器的逻辑功能是将每个输入的二进制代码译成对应的输出高

9、、平信号或另外一个代码，因此，译码是编码的反操作。二进制译码器的输入 是一组二进制代码，输出时一组与输入代码一一对应的高、低电平信号。I 9 I南由 w 国 FiTI g 时-1 川 口 141 日 5 111rAg 啊巨I 员 / Jr GND图3-3 74LS138引脚图图3-3 74LS138的部分电路图工作原理简述：74LS138是一种3线一8线译码器，设有三个使能输入 端，当S3与S2均为0,且S1为1时，译码器处于工作状态，输出低电平。 当译码器被禁止时，输出高电平。三个输入端A0A1A2共有8种状态组合(000-111),可译出8个输出信号Y0-Y7。在本设计中三个输入端分别接三

10、个开关，开关状态的变化通过译码器译出，然后和门电路组成尾灯控制电 路，实现对尾灯的控制。3.4 74LS74构成的二位二进制异步计数器计数器主要由边沿触发器组成。 各种类型的触发器虽然结构不同，但都 有一个共同的基本特性，即都有两个稳定状态，在外来触发信号作用下，电 路可以从一个稳定状态转换到另一个稳定状态；在没有触发信号时，电路保持原来稳定状态不变。计数器电路正是利用了触发器的这一特性。因此，用 触发器可以构成各种形式的计数器。 本设计采用D触发器构成二位二进制计 数器。图3-4 74LS74的部分电路图工作原理简述：一个D触发器可实现一位二进制的存储，因此采用2个 D触发器实现二位寄存器。

11、连接时将每只 D触发器接成T触发器，再由低位 触发器的Q端和高一位的CP端相连接，即构成设计所需的计数器。计数器 工作时，两个输出端口循环输出 00 01 10 11，将其通过门电路就得到了左 右转弯时尾灯循环点亮的信号。3.5 74LS373 驱动器373为三态输出的8D透明锁存器，当三态允许控制端 OE为低电平 时,O0O7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当OE为高电平时，O0O7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，O随数据D而变。当LE为低电平时，O被锁存在已建立的数据电平图3-5 74LS373的部分电路图工作原理

12、简述：在做尾灯自检电路时，电阻两端的电压比较小，通过门电路后输出为低电平，无法实现自检，所以用 373来做驱动，增大电压。4电路的仿真运行及组装、调试4.1电路的仿真运行本设计采用了 Proteus软件进行仿真，原因：proteus软件蕴含了丰富 的模拟器件和仪器，能够完成模拟电子、数字电子、单片机及嵌入式等实验 的内容，支持电工、电子的模拟仿真，功能强大，仿真效果与现实非常接近。图4-1仿真总电路表4-1 尾灯仿真表刹车显示脉冲电 路及其 产生波 形左转灯显示右转灯显示应急灯显示刹车灯显示倒车过 程刹车 显示倒车左 转杀1车 显示i11筌加三 rm - r-11 送 1 : Iill-HlH

13、fr 公irr-黑心L E-M-C.,黑亡DID 一 il-B-M-a-工 1i1M：，、Fdid- -_jjib一 小 r五口, C-BJHC-.r1r, 1 a ;1 .星%.1-物? & LJ I 0 - L*.9. L *Si:蓑JiLI_-i a L_i ,ij ,gLfcL 1iI1.e. bI l.- Ik - L!,W, I1IhMbUIK | A-nr - II-,.千l LU, ej7TLr -i 111II-r-4Bb-aJ当左/右转弯灯有断路不亮时，仪表盘左/右灯不再有闪烁；当倒车灯有 断路不亮时，仪表盘中间等会始终不亮；当倒车灯有断路不亮时，仪表盘底 灯不再闪烁；当夜

14、行灯有断路不亮时，仪表盘前灯不再闪烁。总的来说，仪 表盘对应的功能显示灯亮能够检查到尾灯是否有异常。5 组装与调试1.1 电路的组装a. 根据电路图按模块在万用版上布置好芯片。b. 单独检查每一块芯片，导线及其他元件经检查后放到待用元件区。c. 为了方便检查，选取适当长和不同颜色的导线，将元件逐个接进模块中，并在重要的导线上注明。d. 因为左转和右转的连线是几乎一样的，先连好一边，在引到令一边。E.连线的地线必须连接在一起，形成共地。1.2 电路的调试调试是指系统的调整、 改进与测试。 测试时在电路组装后对电路的参数与工作状态进行测量，调整则是在测试的基础上对电路的某参数进行修正，使满足设计要

15、求。（ 1）调试方法：采用边安装边调试的方法。 把复杂的电路按原理框图上的功能分成单元进行和安装和调试， 在单元调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围， 最后完成整机调试。（ 2）调试步骤、技巧：a、通电前检查，首先根据原理电路图认真检查电路接线是否正确，包括错线、少线、多线和短路。而且要尽可能直接测量元器件引脚，因为引脚处接触不良较多。b、通电观察，在电路安装没有错误的情况下接通电源，闭上开关， 先观察电路是否有异常， 然后按要求测量各元器件的引脚的测量参数。以保证元件正常工作。c 、单元电路调试，用前级的输出信号或自身的信号测试单元的各种指标是否符合设计要求。d、整机联调，将各个单元电路调好

16、后连在一起，观察和测量，把测量的结果与设计的指标逐一对比，找出问题及解决方法， 然后对电路及其参数进行修正， 直到整个电路的性能 符合设计要求为止。1.3 数据及结果分析由于在最初理论计算是没有考虑到控制信号经过一系列芯片后电压大小会相应减小， 也没考虑到带上信号指示灯负载后控制信号电压也会相应受影响（电压减小）。我们最初按 5v的控制信号电压进行对LED灯的限流保 护设计，限流电阻R=（5-2）v/10mA=300欧，但实际接上理论电阻后LED灯亮 度不够，好在电阻选值是过大，若过小则有可能烧毁 LEQ后来我们估算了 一下把电阻改为了 100欧，LEW亮度就很女?了。由于LED灯不同灯的导通

17、 电压会有一点小小的差别，但差别都很小，考虑到实际与驱动等因素，我们买的LED导通电压一般都在2V左右。控制信号在空载和接上负载后电压发 生较大变化，空载时控制块分电压较小，电阻相对很小，后面接了负载后电阻相对变大了， 分压随之变大。 但是由于倒车控制信号是直接从电源开关后引到后面信号灯的未经过芯片作用，因而其控制信号空载电压较高很接近5V,接负载后分压也很小（主要是导线和电源分压）。这里的保护电阻我们就按理论计算值300 欧来进行保护的。 应急灯的控制信号电压较小， 由于它是与脉冲经与门后的脉冲控制信号， 在不停的变化， 在用电压表测量是可能 不太准确，导致控制信号电压比其它稍小点。6 遇到

18、的问题及解决6.1 遇到的问题a. 由于在最初理论计算是没有考虑到控制信号经过一系列芯片后电压大小会相应减小， 也没考虑到带上信号指示灯负载后控制信号电压也会相应受影响(电压减小)。我们最初按 5v的控制信号电压进行对LED灯的限流 保护设计，限流电阻R=(5-2)v/10mA=300欧，但实际接上理论电阻后 LEW 亮度不够。b. 由于我设计电路模块较多， 且是分模块大家分工搭建的电路最后组合的，经常在连线上出现混乱，自己都记不清哪根线是什么了。c.在自检这个模块，我们LED灯的限制，由于LED灯导通电压在2V左 右， 在检测处采样得到的正常工作电压只有1V 左右，在 74ls08 等芯片中

19、被认为是低电平，与出现故障时的低电平等同，无法区别实现自检。6.2 问题的解决a. 针对第一个问题， 我们在搭建好的电路上对控制信号的控制电压进行了测量， 分析。 发现我们在理论计算时忽略了芯片的电阻分压和负载的作用，导致实际电压比我理论上想的电压要低很多。 后来我们在实际测量的基础上进行了重新计算，将电阻的电阻值减小到R=100欧。最后LED的亮度就好多 了。b. 针对第二个问题，我们考虑到连线、模块较多，我们就对各个模块和最终的模块与模块间要连的线用标签进行了命名、 贴标签。 方便了以后的连 电路和修改。c. 针对第三个问题我们考虑了很多方法。首先我们考虑了加驱动将控制信号的3V多的电压驱

20、动的更高一些，尽可能接近理论值的5V左右，可是电压只有微小的提高， 还是达不到我们想要的芯片能够识别的高电平。 后来我们又考虑到这里不是接负载后控制信号电压不足导致无法检测嘛， 我们就用灌电流的方式来驱动LER解决指示灯这块负载对前级控制信号的影响，可是当我们用灌电流后又发现，检测端的电压又被LED等的导通电压给钳位为了 2V 多，在芯片那里有刚好是默认的高电平，这和出现故障是检测点的高电平相一致无法区别是否故障了。 最终我们在第一种拉电流的基础上通过驱动芯片 74ls373 将检测处 （尾灯和保护电阻间） 的正常亮灯情况下的介于高电平和低电平之间的一伏左右的检测电路无法识别的电平驱动到三伏左

21、右的检测电路可以识别的高电平，而故障是的低电平经过驱动后仍是低电平。这样故障时和正常工作时的电平就区别开了，从而可以实现对出现故障率大的汽车尾灯及其以前电路的检测。7 设计电路的特点和优缺点本设计主要以数字电路为主，通过简单的芯片（如74LS138、 74LS373、555 等）而巧妙的设计成一个智能化的汽车尾灯控制电路。该电路能实现现实生活中汽车尾灯控制的正常行驶、左转、右转、左转刹车、右转刹车、刹车、倒车、夜行等八种功能。优点：此电路设计原理简单，构思巧妙，利用简单的器件实现较为复杂的控制，结构比较明晰。电路设计中有很多创新的地方，比如实现转弯流水灯指向功能显示， 驾驶仪显示能够及时提醒驾

22、驶员车的行驶状态， 减少交通事故的发生率。设计了线路自检电路，能随时监测线路的好坏，并及时反馈给驾驶员，保证行车安全。缺点：电路设计中没有充分考虑电路的驱动问题。8 设计电路的功能拓展a. 左右分别增加一个电机，用来模拟真实车辆左转、右转、刹车、后退、前进等功能。b. 增加传感器，使汽车尾灯的闪停实现智能化。c. 增加语音功能，在改变行驶状态时有相应的提示声音。9 心得体会一个星期的数电设计，我们小组三人仔细琢磨着电路的每个细节，由于数电课已经结束有四个多月， 对于一些芯片的功能及使用有些淡忘。 我们又拾起课本对遗的知识及时加以补充。 学到的知识直接用到实践上这不仅是对所学知识的巩固更是让我们

23、知道学有所用， 激发我们对学习的热情对知识的渴望。 数电设计解除了我心中的团团迷惑。 课程设计之前对电路是如何工作的感觉很迷茫， 更不知道如何分析。 而今天我不仅知道了各个元器件是如何工作的还能设计出一个属于自己的产品。设计电路中我们遇到了不少困难，但是我们不浮躁通过请教老师、 查阅质料攻破了一个又一个难关。 这次数电设计让我们懂得了学习任何知识， 仅从理论上去求知而不去实践探索是不够的， 所以在本学期安排数电课程设计是十分有必要的。 这样不仅能加强我们对电子电路的认知，而且还及时真正地做到了学以致用。一个星期的努力课程设计终于接近了尾声， 还记得刚开始的时候看着设计要求， 我们脑中几乎一片空

24、白。 而现在看到自己的产品成功的实现功能看到付出的心血有了收获心中有种说不出的喜悦。 我感觉真正地学习就应该这样学以致用，将理论用到实践中去。参考文献1 阎 石 . 数字电子技术基础（第五版） . 北京：高等教育出版社， 20062 张熙 . 数字电路实验. 中国民航飞行学院编 . 北京：高20103 童诗白 华成英 . 模拟电子技术基础（第四版） . 清华大学电子教研室等教育出版社， 20064 杜刚 . 电路板设计与制作 -Protel 应用教程 . 北京：清华大学出版社，5 方大千，鲍俏伟. 实用电子控制电路 . 北京：国防工业出版社， 200322f555ANANU1912(附录1:总

25、体电路图U4(VCC)SW4GNDVCCPDT-MOMTHDC QU4U5:A1112CLK131074LU11R3(1)1kR51kLR41k R3SW2SW113 210rS20U3:BAN74LS74U1OFU6U7D9LED-FUANDU1AIDD8 D7 D3 D2D10LED-F.S138U2Y7Y6 Y5Y4Y3 Y2Y1 Y0LS20OF1574LS0074LS00I10:BU10:AOFU8U3:AA DU13U1D. D5. D6 . D1 . d15LED-FrnAND U29111LED-YELLOWD16LED-BLUED14LED-REDANU28AN30(R1330C300R12H2ANR23(R14R16|R03CR9 3CR，030C18171413OE D7 D6D5D4 D3D2D1D0-S373lS373U18Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0191916161：附录2:元器件清单表序号名称（器件/设备）型号与规格数量13-8译码器74LS13812D触发器74LS7413555定时器NE55514与非门74LS0035非门74LS0436或门74LS3227定值电阻100欧111.5K 欧、43K 欧各18与门74HC0849电解电容10 科 F、0.01 科 F各110开关三闸411导线12LED灯驱动电压2v16