数电-汽车尾灯控制电路设计
数字电路与数字逻辑设计报告
实验题目 汽车尾灯控制电路设计
目录
一、设计目的：
二、设计要求
三、汽车尾灯控制电路工作原理及原理框图
四、各单元电路的设计与仿真
4.1 振荡器
4.2 开关控制电路
4.3 LED显示、驱动电路
4.4 三进制计数器
五、组合逻辑电路说明
5.1 多谐振荡电路
5.2 译码器
5.3 三进制计数器
六、组合功能测试
6.1 左转弯功能
6.2 右转弯功能
6.3 正常行驶
6.4紧急刹车功能
七.总结
汽车尾灯控制电路设计
一、设计目的：
设计一个可以控制汽车尾灯的电路，通过对三进制计数器和译码器的改用，以及设计显示驱动和开关控制电路来完成。该电路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、右转弯、左转弯、紧急刹车。
二、设计要求
设汽车尾部左右两侧各有3个指示灯（用发光管模拟）：
（1）汽车正常行驶时，尾灯全部熄灭；
（2）汽车右转弯时，右侧3个指示灯按右循顺序点亮；
（3）汽车左转弯时，左侧3个指示灯按左循顺序点亮；
（4）汽车紧急刹车时，所有指示灯同时闪烁；
（5）掌握汽车尾灯控制电路的设计、仿真与调试；
（6）利用相关软件进行电路图设计、仿真以及对仿真结果的分析总结。
三、汽车尾灯控制电路工作原理及原理框图
汽车尾灯控制电路由开关控制电路、555定时器构成的多谐振荡电路、LED显示、驱动电路、译码器和三进制计数器组成。采用74LS112芯片连接电路搭成三进制计数器，用74LS138芯片、六个与非门和六个反相器组成译码电路，设计构成一个控制汽车六个尾灯（每侧各三个）的电路，用两个拨动式开关作为转弯信号源，一个用于只是右转弯，另一个用于指示左转弯。如果两个开关都被接通说明此时为紧急刹车的情况，则紧急闪烁器亮起。转弯时一侧的尾灯全部亮起，另一侧的尾灯则全部熄灭，且亮起的灯呈周期性闪烁，一秒为一个周期。当紧急闪烁器作用时，六个尾灯以大约1Hz的频率闪烁。
图3.1 汽车尾灯控制电路原理框图
四、各单元电路的设计与仿真
4.1 振荡器
4.1.1设计电路图
图4.1 振荡器设计电路图
4.1.2设计说明与仿真
振荡器是本电路中的核心，振荡器的稳定性直接影响到译码器和开关控制电路的运作，间接影响到最终汽车尾灯闪烁的频率。本次设计采用可以产生的555定时器与RC构成的多谐振荡器，对两个74LS112D的时钟脉冲CP端以及74LS10D的一个输入端产生作用。
图4.2为振荡器的仿真波形图和频率测试，从图中可以看出，振荡器可以产生标准方波。
图4.2 振荡器测试图
4.2 开关控制电路
4.2.1设计电路图
图4.3 开关控制图
4.2.2设计说明与仿真
1.U1A异或门 当S0 S1不同时，即汽车在左转或者右转状态时 U1A输出1 其余状态输出为0（正常运行或紧急刹车），U1A输出到74LS138D芯片G1端，G1端时控制芯片通断的，因为只有需要左右转时，该芯片才要工作，所以只有当U1A输出为1时，芯片工作，产生部分循环信号。
其中S0的输出信号也通到74LS138D芯片的输入，是为了标识该汽车要左转还是右转，当S0=1，且S0与S1不同（UA1输出1），标志右转，芯片工作，产生的循环信号使D4 D5 D6（后三个灯）循环闪烁。
当S0=0，且S0与S1不同（UA1输出1），标志左转，芯片工作，产生的循环信号使D1 D2 D3（前三个灯）循环闪烁。
2. U2A与非门 当s0 s1都闭合时，该器件又通过一个非门U3A，输出为1
当s0 s1任意一个断开，该器件通过非门，输出为0
3. U4A的输入与U2A差不多，多了一个多谐振荡器的输入，该输入为方形波
4. U5A输出到灯的控制，主要在刹车的时候起作用，在紧急刹车时，输出矩形波。
对应的真值表如下所示：
| S0 S1 多协 |
U1A |
U3A |
U4A |
U5A |
含义 |
| 0 0 * |
0 |
0 |
1 |
1 |
汽车正常运行，控制6个灯全灭 |
| 0 1 * |
1 |
0 |
1 |
1 |
左转弯，U1A=1，说明S0 S1不同，S0输入到74LS138D，标志不是右转是左转 |
| 1 0 * |
1 |
0 |
1 |
1 |
右转弯，s0输入到74LS138D 标志右转弯 |
| 1 1 1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
紧急刹车 该时刻方波为1，6个灯全灭 |
| 1 1 0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
紧急刹车 该时刻方波为0，6个灯全亮 |
当紧急闪烁起作用时，六个尾灯大约以1Hz的频率一致地闪烁着亮与暗。
1.紧急刹车
实现效果：当，六个尾灯大约以1Hz的频率一致地闪烁着亮与暗。
状态：U1A输出为0，74LS138D芯片不工作，每个端口输出为1。
1.1当U5A输出为0时，经过与非门和非门，六个尾灯D1 D2 D3 D4 D5 D6全亮。
图4.4 D1 D2 D3 D4 D5 D6全亮图
图4.5 D1 D3前端输入波形图
实验中发现六个灯同时闪烁的时候存在很小的误差，闪烁的没有那么整齐，但是将波形输出（上图D1D3输出）还是几乎同步的。
1.2当UA5=1,Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5输出为1 ，所有灯灭。
图4.6 所有灯不亮
2.当右转时，s0=1,UA1输出1，74LS138D输出脚Y3 Y4 Y5依次为低电平 使得D4 D5 D6按序循环亮。
图4.7 右转开关控制图
- 当左转时，s0=0,UA1=1,74LS138D输出脚Y0 Y1 Y2依次为低电平 使得D1 D2 D3按序循环亮。
图4.8 开关控制状态
4.3 LED显示、驱动电路
4.3.1设计电路图
图4.9 LED显示、驱动电路设计图
4.3.2 设计说明
译码电路采用74LS138、六个与非门和六个反相器组成。
74LS138的三个输入端C、B、A分别接入S0、Q1、Q0。当S1=1，S0=0时，使能端信号A=G=1,计数器的状态为00、01、10，译码器对应输出端Y0、Y1、Y2依次为低电平有效,经与非门即使得与R3、R4、R5相连的指示灯D1D2D3按顺序循环点亮，示意汽车左转弯。同理当S1=0，S0=0的时候指示灯D4D5D6按顺序循环点亮，示意汽车右转弯。当G=0,A=1时，74LS138的输出端全为1，为高电平，此时指示灯全灭，示意汽车正常行驶。而当G=0,A=CP时，所有指示灯将随CP的频率循环闪烁，示意汽车紧急刹车。
4.4 三进制计数器
4.4.1 设计电路图
图4.10 三进制计数器设计
4.4.2设计说明
使用的是三进制计数器，计数是00、01、10这三个数，所以，只需两个JK触发器就行，且不使用11状态。故我们选择使用两片74LS112D。在芯片内部中，首先是把2个JK触发器接成同步加法计数器（4进制），再改成3进制就行了。当计数为3时，输出状态为11，就利用11状态产生一个复位信号，使两个触发器复位回0，就不会出现计数的3了，最大数是2，就是要求的3进制计数器了。
五、组合逻辑电路说明
5.1 多谐振荡电路
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行出发反转到另一暂稳态。两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
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。而且本次控制电路的设计中对脉冲精度要求不高，只要能实现可调即可。故在该单元电路设计中选择采用555定时器构成多谐振荡器作为脉冲产生电路。
图5.1 555定时器管脚图
图5.2 555定时器功能表
5.2 译码器
74LS138 为3 线－8 线译码器，用一块3线-8线译码器74LS138可以组成任何一个三变量输入的逻辑函数，任意一个输入三变量的逻辑函数都可以用一块3线-8线译码器74LS138来实现。因为任意一个组合逻辑表达式都可以写成标准与或式的形式，即最小项之和的形式，而·块3线-8线译码器74LS138的输出正好是二变量最小项的全部体现。
图5.3 74LS138管脚图
图5.4 74LS138功能表
5.3 三进制计数器
计数器实现了对时间的累计以8421BCD码的形式输出，为了将计数器输出的8421BCD码显示出来，需要使用译码显示电路将计数器的输出数码转换为数码显示器件所需要的输出逻辑和一定的电流。因此，我们采用共阴极的七段数码显示管和74LS48作为译码器，其中74LS48的管脚图和功能表如图8、图9所示。
图5.5 三进制计数器74LS112芯片管脚图
| 管脚号 |
功能说明 |
| 1（CLK1）、13（CLK2） |
时钟输入端（下降沿有效） |
| 2（K1）、3（J1）、13（K2）、14（J2） |
数据输入端 |
| 5（Q1）、6（Q1非）、7（Q2非)、9（Q2） |
输出端 |
| 14（CLR1）、15（CLR2） |
直接复位端（低电平有效） |
| PR1、PR2 |
直接置位端（低电平有效） |
图5.6 三进制计数器74LS112芯片管脚解释
|
|
图5.7 74LS112功能表
六、组合功能测试
总电路共能完成四种功能：左转弯，右转弯，正常行驶，紧急刹车功能。
图6.1 总电路图
6.1 左转弯功能
当S1断开，S2闭合时。此时进入左转弯状态,D1D2D3循环亮。
图6.2 左转弯测试（D1D2D3循环点亮)
6.2 右转弯功能
当S1闭合，S2断开时。此时，进入右转弯状态。D4D5D6顺序循环亮。
图6.3 右转弯测试（D4D5D6循环点亮）
6.3 正常行驶
当S1断开，S2也断开，此时为正常行驶状态，LED灯全不亮。
图6.4 正常行驶（灯全灭）
6.4紧急刹车功能
当S1闭合，S2也闭合，此时为紧急刹车状态，LED灯全部闪烁。
图6.5 急刹车测试（LED同时闪烁）
七.总结
本次实验，我们实现了汽车尾灯的控制，实验的关键使通过三进制计数器和译码器控制。
其中两个74LS112芯片实现的三进制计数器不断地从0—2（十进制）进行计数，两个计数器的结果输入到译码器74LS180D的A、B两端，用S0的闭合和断开来控制74LS180D芯片输入选择A还是B 。①选用A时，可以使得译码器得到A端口的0-2循环输入，使得Y0 Y1 Y2依次为低电平，控制D1 D2 D3的循环闪烁。②选用B时，可以使得译码器得到B端口的0-2循环输入，使得Y3 Y4 Y5依次为低电平，控制D3 D4 D5的循环闪烁。
实验中多谐振荡器主要是用来产生矩形波，六个尾灯大约以1Hz的频率一致地闪烁着亮与暗。
参考文献
[1] 郭锁利.基于Multisim的电子系统设计、仿真与综合应用（第二版）[M].
北京：人民邮电出版社，2012
[2] 白玉成.一种集成电路在组合逻辑系统中的实际应用研究 [M].中国科技信息，2009，[12]
演示GIF：
左转弯：
右转：
紧急刹车：
