汽车尾灯控制电路设计与实现

　　摘要

这个设计按照传统的模块设计思路进行，先搜集查阅相关文献资料，对总体设计框图预先构思；再按总体设计框图，将整体模块拆分为多个小模块，并对各小模块进行逐一完成，最后，按总体设计框图，将各小模块组合起来，即构成整个设计模块。

按照上述思路，汽车尾灯的设计先进行电路单元模块设计，该整体模块由以下几个小模块构成：开关控制译模块、脉冲产生模块、三进制改造模块、译码输出模块、模式控制模块、译码与显示驱动电路设计模块等；其次，是本设计最主要的部分：将汽车行驶状态信号转化为数字信号，再将数字信号转化为光信号，显示在显示屏上。然后是仿真，使用Protues对电路单元各个小模块进行模拟，根据仿真结果进一步分析修正模块设计，待各小模块验证无误后，按原理图搭建各单元电路，待整体电路搭建完成后，进行整体电路的仿真与修正，最后在实验板上对整体设计进行检验。

　　关键词：汽车尾灯；模块设计；仿真

　　第1章概述

本设计旨在完成一个能够准确传输汽车在行驶、左转、右转和急刹车等不同状态下信息等灵活性好、安全性高的汽车尾灯控制器的设计。该汽车尾灯显示控制电路的设计，需要运用诸多电路基础知识，通过该设计，可以更深入地理解理论知识。各小模块的设计、调试，需要合理使用数字系统的设计方法，需要理论知识与实际问题的关联与衔接，该设计、调试过程，可以提高我们对于电路的分析和设计能力。另一方面，模块设计完成后需要仿真分析，这不仅是对数字电路设计、模拟电路设计的巩固，更是对Protues软件更高层次的合理运用。本次设计，既能加深我们对所学的理论知识的理解，又能提高我们考虑解决问题的全面性、系统性、及缜密性的能力。这是使我们所学的理论知识得以升华的过程，也是理论联系实践，检验真理的最佳途径。通过这次设计，也能拉近我们与设计、生产与制造的距离，是所学知识由死变活的良好方法。

近年来，科技发生了日新月异翻天覆地的变化，汽车作为现代生活必不可少的重要交通工具之一，发展迅速，一代更比一代先进，人们对于交通安全的意识，也越发提高。但是如今，交通事故频频发生，除了酒驾等人为事故，怎样避免不必要的交通事故发生，汽车尾灯的准确控制尤为重要，因为汽车尾灯可以随时显示该汽车的行驶状态及将要改变行驶路线等重要信息，从而为其他驾驶员提供参考。准确的汽车尾灯控制器，可以提高汽车的行驶安全性，降低汽车的故障率，减少交通事故的发生。因此，这次设计的理念，即围绕汽车尾灯控制电路而确立。

　　第2章汽车尾灯发展的现状及趋势

伴随人们生活水平的提高，汽车——在人们的日常生活中，越来越重要。但由于频频发生的交通事故，让人们对汽车出行的安全问题尤为的重视。作为汽车上唯一一个能向其他驾驶员们提供汽车行驶状态的工具——汽车尾灯，它能否准确的传递信息就决定着该汽车的安全性能高低，为了人们能更安心的乘车出行汽车尾灯的改进发展迫在眉睫。

　　2.1汽车尾灯的基本介绍

汽车尾灯的直接作用为对外传递行驶状态信息，实现信息传递的主要硬件设备为左、右侧各3个指示灯(一般以发光管模拟)。汽车尾灯状态与汽车行驶状态

　　2.2汽车尾灯发展的现状及趋势

尾灯为汽车重要组成，随着汽车行业及数字化控制技术的蓬勃发展，尾灯的设计也在不断完善。自1889年哥伦比亚号电动汽车把电灯用于汽车尾灯。尾灯硬件按照煤油灯、白炽灯、卤钨灯、LED发展，硬件设备逐步提升；尾灯控制也由手动控制向数字自动化控制发展，近年来随着电子信息技术的蓬勃发展，车灯控制系统也在不断完善。尾灯的设计正向着低能耗、环保、高效的方向发展，安全系数更高，对降低交通事故发生率有着十分重要的作用。

　　2.3研究本课题的目的及意义

本次课题研究为对已学数字电路设计、模拟电路设计及Protues软件等专业知识的综合应用，是对集成电路知识和简单电子电路设计方法等专业知识学习的升华，在实践中提高个人动手能力和紧急问题的应急处理能力。

本次研究与我们的出行安全息息相关，研究实用性较大；运用已学理论对汽车尾灯控制系统进行深入学习，课题可操作性较强；因此，本课题研究具有深刻意义。对汽车尾灯电路控制系统进行设计，可降低汽车故障率，可减小行车发生危险的概率，同时可提高汽车行驶的安全性和驾驶员舒适性。汽车尾灯的设计意义重大，本次课题开展也具有十分的必要性。

　　第3章方案论证及设计原理

　　3.1方案的确定与论证

汽车尾灯控制器的控制系统实现形式有两种：一种为基于数电集成电路系统构成；另一种为基于单片机系统构成。

基于单片机系统构成的电路线控制系统的成本低廉，外围电子设备价格较低，硬件投入低于数电门，但单片机系统软件及硬件结构设计较复杂，且这个方案的执行，需要分别对系统硬件部分和系统软件部分进行设计，其中，硬件部分的设计再分为2个部分的设计：扩展电路部分和系统配置电路部分；系统软件部分的设计也需再分为2大方面：合理选择算法以及优化程序设计。因此，基于单片机系统构成的汽车尾灯控制器的控制系统方案，设计比较繁琐，工作量相当大。

与基于单片机系统构成的汽车尾灯控制器的电路控制系统设计方案相比较，基于数电集成电路系统构建汽车尾灯控制器控制电路的方案，控制电路系统的分析与设计较为简单容易，原因有2个方面：一是基于数电集成电路控制系统需要根据逻辑代数的规则进行设计，逻辑变量较少，状态也不多；二是集成电路结构简单，需要的芯片数量少，整体成本则相对比较低。此外，数电集成电路系统的稳定性较高，无论是仿真还是试验，结果的复现性都比较好。

根据上述对两种方案的分析，综合考虑，选择基于数电集成电路系统构建汽车尾灯控制器控制电路的方案，更为经济实用，也易于设计实现。

　　3.2设计原理

3.2.1汽车尾灯显示状态与汽车运行状态关系

汽车运行时可能存在4种状态：正常行驶、右转、左转、刹车，因此汽车尾灯必须设置4种相应的显示模式，我们选择用两个控制变量k1和k2，汽车运行状态改变，汽车尾灯（左侧指示灯和右侧指示灯）分别以熄灭或点亮状态显示，综上所述，汽车尾灯的指示状态与汽车运行状态以及控制变量之间的关系。

当2个控制变量呈现不同的组合时，汽车尾灯呈现不同的显示状态，分为当k1、k2均为0时，汽车正常运行，左侧尾灯和右侧尾灯均呈现熄灭状态；当K1为0，K2为1时，汽车即将右转，左侧尾灯熄灭，右侧尾灯向右循环闪烁；当K1为1，k2为0时，汽车即将左转，右侧指示灯熄灭，左侧指示灯向左循环闪烁；当k1为1，k2为1时，汽车即将刹车，汽车所有的尾灯同时亮起来并闪烁。

　　3.3汽车尾灯控制器功能描述

在汽车尾灯正常运行时,需要三盏位于汽车尾部的指示灯以不同的方式照亮,主要有全部一起亮，左边的灯一个挨着一个的循环亮，右边的灯一个挨着一个的循环亮，还有全部熄灭。这样可以使用一个三进制计数器状态序列控制译码器电路输出高水平使三盏灯点亮。三进制计数器的状态与Q0和Q1,描述光DL3DL2,DL1,DR3、DR2,DR1根据K0、K1和开关控制变量之间的关系的状态计数器Q1,Q0和时钟脉冲CP之间的关系,可以初步的功能列表汽车尾灯表,如表3.1.1所示(‘1’,’0’说出来)。

汽车的六个尾灯的亮与不亮可以经过CP脉冲的变化而致使其发上不同的结果，其中汽车尾灯全部不不亮时，两个控制开关均断开，且不随着CP的脉冲发生变化；汽车六个尾灯全部亮时，两个控制开关均处于闭合状态，此时全部的尾灯均会因为CP的脉冲变化而发生相应的变化。

综上所述，通过框图的方式表示出此次汽车尾灯控制器的结构

其中CP脉冲使用NE555芯片再多些振荡器的作用下产生周期为1秒的脉冲，三定制计数器可以通过传统的74LS161经过一步步的改造转变而形成，可以通过74LS138芯片构成译码

　　第4章电路单元模块设计

观察图3.3得：此次设计的的电路需要以下五个部分构成：

1、脉冲模块，

三进制计数模块，

3、控制开关模块，

4、译码驱动电路，

5、电路显示模块。

　　4.1开关控制译模块

为了让开关只输出两种结果0、1，直接选择开关后并联两个电阻另一边与VCC直接连接即可。

为了准确的控制汽车运行过程中的这四个状态，就至少必须使用两个不会相互影响的开关，通过两个开关的不同状态来表示和控制以达到此目的。

假定K1、K2为两个控制开关变量。G与A分别表示驱动显示显示与译码器的控制信号输入端的信号，其中与G连接的是74LS138译码器的控制信号输入短信号的输入端G1，与A连接的是电路中其驱动作用的非门一端连。经过对给定条件的分析和两开关与CP的关系

经过对上表的分析和计算整理得出其的逻辑表达式如下式：

对与得出的逻辑式和真值表进行分析和理解得出本次设计的控制电路图

　　4.2脉冲产生模块

555定时器的简单介绍

经过查阅相关资料得到555定时器的构成如图所示，分别有八个管脚，其主要功能及其名称详见表4.2.1中所述。

我们出于考虑到此电路对于秒脉冲的精度要求，我们的脉冲电路主要由NE555构成的多谐振荡器构成。如图4.2.2为此脉冲电路的原理图

由于脉冲的输出频率f=1.43/(R1+2R2)C，所以我们要使脉冲的周期保持在一秒左右，就必须使R1=10KR2=510KC=1uFVCC=5V

为了防止外界信号不会受到干扰令C1=1uF，如图所示脉冲输出口为3

　　4.3三进制改造模块

三进制定时器的构件我选用了简单的十六进制计时器改造的方法，我选用的是十六计时器是常用的74LS161。经过查阅相关资料得到

经过对芯片74LS161的管脚，其各个管脚属性，芯片74LS161的功能图的进一步分析可以得到，要将其改造为三进制定时器只需要运用简单的反馈清零法，再将QA、QB输入与非门，将CLEAR端接至输出端即可实现QA与QB循环00——01——10——00。具体电路结构图如图所示：

　　4.4译码输出模块

通过查阅相关资料，得知三八译码器具备了将三进制码的三种状态对应输出的能力。经查阅资料得知三八译码器芯片74LS138的管脚图

在译码器电路中与74LS138的A、B输入端相连的是74LS161的输出端Q0、Q1，分别输入00、01、10三种状态

　　4.5模式控制模块

设译码与显示驱动电路的使能控制信号为E和F，E与译码器74LS13的使能输入端E1相连接，F与显示驱动电路中与门的一个输入端相连接。由总体逻辑功能可知，E和F与开关控制变量K1,K0，以及时钟脉冲CP之间的关系如表4.5所示：

因为CP是时钟脉冲只有0、1两种状态，经过一次非门之后也仅有0、1两种状态，在此次设计中CP脉冲是否经过非门对设计结果并无影响，故可将其省略。

根据E和F的逻辑表达式及以上分析，可画出模式控制电路

4.6译码与显示驱动模块

在模式控制电路输出和三进制计数器状态下，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，相应指示灯亮。

当图中E=F=1、K1=0时，对应计数器状态状态Q1Q0为00，01，10，译码器输出依次为0，使得与指示灯DR1,DR2,DR3对应的反相器输出依次为低平，从而使指示灯DR1→DR2→DR3，依次顺序点亮，示意汽车向右转弯。

同理，当图中E=F=1、K1=1时，指示灯DL1→DL2→DL3，依次顺序点亮，示意汽车向左转弯。

当图中E=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依次为高电平，指示灯全部熄灭。

当图中E=0，F＝CP时，所有指示灯随着CP的频率闪烁。从而实现了4种不同模式下的尾灯状态显示

　　第五章仿真

　　5.1电路的仿真

经过对上边所描的模块进行整合，通过protues软件在电脑上画出相应的电路图如图5.1.1所示，然后一一对应最后的仿真。

1、准确的选用正确的与设计好的电路中的器件，并准确的完成电路图的连接

2、对设计的控制电路进行汽车行驶、左转、右转及刹车四种情况做仿真并记录结果。将控制电路中的四种状态分别进行仿真并对其结果进行记

　　5.2电路的分析

该汽车尾灯的模拟整机电路如图5.1.1，其只用逻辑门构成，结构简单、稳定性好。由NE555产生的脉冲让三进制计数器进行循环计数，开关控制输入的高低电平进而控制译码器的输出，与此同时开关还控制作用于二极管的电平，通过二极管的工作来模仿汽车尾灯在四种情况下的工作。

　　第六章结果分析

在接口处通上5V电压以后，让开关K1、K0进行断开与闭合，让它们产生00、01、10、11来依次说明汽车行驶过程中正常行驶、右转、左转及紧急刹车四种不同情形。在汽车要进行向左转、向右转时，通过用三进制译码器控制译码器电路，使其顺序输出高电平，从而得到到三盏灯一次闪烁的目的，正常行驶的时候（0、0）计数器是不工作的，左右6个尾灯全都不会亮，刹车的时候，所有的尾灯会随时钟脉冲的频率闪动。假如四种状态下汽车尾灯的显示现象都符合设计要求，那么模拟汽车尾灯就会闪动，实验也就成功了。

这次设计是我通过查资料和与同学一起讨论思考做出来的，然而对于输入脉冲CLK的频率较小，我又得设计一个频率较小的方波源，在网上查资料说可以利用555定时器，于是我又开始设计方波源。这次我设计的功能都是一个一个增加上的，先让老师给我提示的文档上面的功能实现，再增加别的功能。

设计中的优点：

达到了是汽车尾灯的指示作用

设计中的不足：

由于开车的时候是用开关来控制的，因此每一个开关都应该有一个消除机械振动的装置，在这里我就想到了用RS触发器来实现。在设计中还能再用一个74161来做，这样电路图就简单了。如果我的时间够用的话就可以把这些不足解决掉，让系统更加的可靠。

　　第7章结束语

数字逻辑是一门重要的专业基础课，如何将该课上学到的理论知识应用到实际中，最佳途径是有目的地分析并设计控制电路。这个过程不仅可以提高我们分析、解决实际问题的能力，同时也巩固并升华了我的专业知识储备，促使我能够熟练区分各逻辑器件的不同及使用途径，更重要的是，逻辑电路的设计与分析，将深刻影响我后续的工作思维。

针对汽车尾灯控制器的设计，首先必须要弄清楚尾灯显示与汽车运行状态的对应关系，接着是细化逻辑关系，确定需要的逻辑器件，搭建整体构图，然后将整体的大模块划分为集成的小模块，最后就是各个击破小模块，组成整体模块，进行电路控制设计。基于上述总体思路，我先设计逻辑模式控制部分，发现还需要三进制计数器优化左转与右转时的尾灯显示状态，接着是译码，然后采用各6个发光二极管和电阻组成尾灯状态显示电路，单个电路设计好后，组合起来就是汽车尾灯控制器了。

此次关于汽车尾灯控制器的电路设计，使我深刻意识到了理论联系实际的必要性和重要性。这么多年来，我们一直在课堂上学习理论知识，遵守着一定要把专业知识学精，学懂。但是呢，实际的动手能力以及遇到问题的实际解决能力还是比较欠缺的，一时不知道怎么解决现实中的困难。通过这次毕业设计，我感觉自己成长很多。首先学会了查找资料，不仅仅是跑图书馆，还会上网查文献，请教老师和学长；此外，是统筹考虑问题，虽然汽车尾灯控制器是一个比较繁杂的电路，但是一点点拆分成小模块，各个模块击破后，总电路也就清晰了。而且，通过设计汽车尾灯控制器，我深刻认识到，思路比行动更重要，想清楚，理明白，将事半功倍。

我总结了一句经验，只有把理论与实践相结合，价值才会真正体现出来。但是把学到的知识要完完全全的用到实践中去，却是很艰难的。记得刚开始接触这个实验的时候，心里没底，不知到从什么地方着手。但是在我翻了几遍课本之后，我的思路却开始慢慢的清晰了。所以要先把范例看懂，再去设计电路，最后仿真调试，这样就能少出点差错。这次的课程设计主要是针对数字电路的知识，就像，多谐振荡器的原理和其周期的计算，模式开关电路的设计，还有就是各种芯片的结构和功能等。

所以我又总结出面对挑战，首先要端正态度，认真负责，其次就是把理论与实际联系到一块，不怕失败，勇于创新。

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