方向之星汽車后窗燈飾Multisim仿真電路(提示左右轉(zhuǎn)彎、剎車等行車情況)

ID:382988 · 發(fā)表于 2019-7-7 10:51

由電子電路設(shè)計(jì)一組燈飾，把它安裝在小汽車的后窗上，用以提示小汽車的左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、剎車等行車情況，該組燈飾叫 “方向之星”。設(shè)計(jì)要求及指標(biāo)：

1. 正常直線行駛時,兩排小燈不亮。這時若緊急剎車(按鍵 J),左(右)排燈同時閃亮,速率 1 次/秒；

2. 左轉(zhuǎn)彎（按鍵 L）時，左排燈（4 個）依次向左閃亮；這時若緊急剎車(按鍵 J),左排燈同時閃亮,速率 1 次/秒；

右轉(zhuǎn)彎（按鍵 R）時，右排燈（4 個）依次向右閃亮；這時若緊急剎車(按鍵 J), 右排燈同時閃亮,速率 1 次/秒；

3. 只要按鍵 L、按鍵 R 同時按下，兩排小燈不亮，但要設(shè)計(jì)一個聲光提示電路，提示操作有誤。

二、設(shè)計(jì)方案

圖 1.設(shè)計(jì)方案邏輯圖

三、硬件電路設(shè)計(jì)

1、555 定時器

（1）芯片介紹

555 定時器是目前在信號產(chǎn)生和變換電路中應(yīng)用得非常廣泛的一種中規(guī)模集成電路。其內(nèi)部由分壓器、兩個比較器 C1 和 C2、基本 RS 觸發(fā)器以及輸出緩沖級 G2 和開關(guān)放電管 T 組成，共包含 8 個引腳。

圖 2.555 定時器功能表

（2）設(shè)計(jì)電路圖

根據(jù)題目要求，燈閃亮的速率需要控制在 1 次/秒，需利用 555 定時器產(chǎn)生周期脈沖，并讓其周期 T 控制在 1 秒之間，則可實(shí)現(xiàn)上述的要求。為了使周期 T 控制在 1 秒之間，需要選擇合適的電阻 R1、R2 以及電容 C1，本仿真采用的各項(xiàng)數(shù)值如下：

R1=500 kΩ，R2=500 kΩ， C1=1uF ，C2=0.01 uF

整個分析過程如下：

由 555 定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)知，2 個比較器觸發(fā)輸入端 6 和 2 是接在一個端點(diǎn)上并跟電容 C 連接，這個端點(diǎn)上的電位 Uc 的變動，決定兩個比較器的輸出電平的

情況，進(jìn)而決定了 RS 觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。電源 Ucc 經(jīng) R1 和 R2 給電容 C 充電，

當(dāng)上升到 Uc 上升到 2/3Ucc 時，U6=U2=2/3Ucc，輸出電壓 U0 為低電平，放電管 T 導(dǎo)通，電容 C 經(jīng) R2 和放電端 7 放電，Uc 開始下降，當(dāng)下降到 1/3Ucc 時， U6=U2=1/3Ucc，輸出電壓 U0 為高電平。同時放電管 T 截止，放電端 7 斷開，電源 Ucc 又經(jīng) R1 和 R2 給電容 C 充電，使 Uc 上升。這樣周而復(fù)始，電容電壓 Uc 形成了一個周期性充電放電的指數(shù)波形，輸出電壓就形 U0 成周期性的矩形脈沖。

充電時間：T1=0.7*（R1+R2）*C1=0.7*(0.5+0.5)*1=0.7s 放電時間：T2=0.7*R2*C1=0.7*0.5*1=0.35s 總時間：T=T1+T2=0.7+0.35=1.05s (矩形脈沖周期 T)

圖 3. 脈沖發(fā)生電圖 4.555 定時器引腳

2、74160 計(jì)數(shù)器

（1）芯片介紹：

74160 計(jì)數(shù)器由 16 個管腳構(gòu)成，其中 D、C、B、A 是預(yù)置數(shù)據(jù)輸入端，EP 和 ET 是計(jì)數(shù)使能端，QD、QC QB、QA 是進(jìn)位輸出端，RD為清零

端，LD 為置數(shù)端。

圖 5.7416N 管腳圖

圖 6.74160 真值表

（2）設(shè)計(jì)分析：

為了使計(jì)數(shù)器產(chǎn)生 4 種狀態(tài)，即 00、01、10、11，只需使用計(jì)數(shù)器的其中兩個輸出端 QA 和 QB，然而 74160 計(jì)數(shù)器有 4 個輸出端，可以產(chǎn)生 16 種狀態(tài)，為了消去其余 12 種狀態(tài)需采用置數(shù)法或清零法，本設(shè)計(jì)采用的是置數(shù)法，其原理如下：當(dāng)輸出為 11時，通過與非門產(chǎn)生低電平，然后傳遞給置數(shù)端 LOAD，計(jì) 數(shù)器接受置數(shù)信號后，將輸出端 QB、QA 置為輸入端的信號 A、B, 即為0、0。計(jì)數(shù)器對來自 555 定時器的脈沖會進(jìn)行計(jì)數(shù)工作，在時鐘脈沖 CP 處于上升沿或者下降沿時，計(jì)數(shù)器會進(jìn)行加一計(jì)數(shù)，直到被置數(shù)狀態(tài)時則完成一個循環(huán)的計(jì) 數(shù)過程。

圖 7.74160 電路圖

3、74138 譯碼器

（1）芯片介紹：譯碼是編碼的逆過程，譯碼器可將一系列代碼轉(zhuǎn)換成與之一一對應(yīng)的有效信

號。二進(jìn)制譯碼器有三個輸入 A、B、C，它們有 8 種狀態(tài)的組合，由二進(jìn)制代碼表示，即可譯出對應(yīng)的 8 個輸出信號 Y0-Y7,所以該譯碼器稱為 3 線-8 線譯碼器，輸出為低電平有效。譯碼器設(shè)置了 G1、G2A、G2B 三個使能輸入端，當(dāng) G1 為 1，且 G2A 和 G2B 均為 0時，譯碼器處于工作狀態(tài)。

圖 8.74138 管腳圖

圖 9.74138 功能表

（2）設(shè)計(jì)分析：

為了控制小燈的依次閃爍，需要利用 74138 譯碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)分配，具體過程如下：當(dāng)譯碼器接收到需要依次閃爍的信號后，即譯碼器處于工作狀態(tài)，輸入端接收來自計(jì)數(shù)器的 4 種狀態(tài)，每一種輸入狀態(tài)對應(yīng)一種輸出狀態(tài)，由于輸入狀態(tài)是依次變化的，即由00、01、10、11 依次循環(huán)變化，那么輸出狀態(tài)也依次變化，即 Y0、Y1、Y2、Y3 或者 Y4、Y5、Y6、Y7 依次為低電平，其余 Yi 處于高電平，然后對輸出進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚�，就可�?shí)現(xiàn)小燈的依次閃爍。

圖 10.74138 電路圖

4、控制邏輯電路設(shè)計(jì)

圖 11. 控制邏輯電路

該控制由 3 個開關(guān)控制，緊急剎車鍵（J）、左轉(zhuǎn)彎鍵（L）和右轉(zhuǎn)彎鍵（R）。

開始時，三個開關(guān)都接低電平，J 和時鐘脈沖通過與非門輸出到 2 個或門輸入端，

2 個或門通過 L 和 R 分別控制左右排小燈。與 J 鍵相連的與非門輸入端還同時接

到 74LS138 譯碼器的~G2B 使能端，當(dāng) J 接高電平時控制譯碼器不工作，實(shí)現(xiàn)左右排燈同時閃亮；開關(guān) L 和 R 通過異或門連接到譯碼器的G1 端來控制譯碼器的工作，如果 L 和 R 同時接高電平，則與之相連的與門輸出高電平從而進(jìn)行聲光報警。

5、燈光控制電路

圖 12.燈光控制電路

左右排燈通過與非門控制，與非門的輸入端分別是 2 個或門的輸出端和譯碼

器 8 個數(shù)字輸出端。

當(dāng)剎車時，J 接高電平，譯碼器不工作，由于時鐘脈沖的作用，與非門輸出脈沖信號，由于或門另一個輸入端接低電平，所以或門輸出的是交錯的高低電平，再通過與非門輸出的也是交錯的高低電平，從而使左右排燈同時隨脈沖信號閃亮。

如果按了左轉(zhuǎn)彎 L 鍵，通過異或門輸出高電平，譯碼器工作。L 同時接到譯碼器的 C 端，通過 Y4Y5Y6Y7 依次輸出低電平，使左排燈依次向左閃亮。

如果按了右轉(zhuǎn)彎 R 鍵，通過異或門輸出高電平，譯碼器工作。通過 Y0Y1Y2Y3

依次輸出低電平，使左排燈依次向左閃亮。

左轉(zhuǎn)彎剎車時，J 接高電平，譯碼器不工作，其輸出端是高電平，或門此時輸出的交錯高低電平通過與非門也輸出交錯的高低電平，從而使左排燈同時閃

亮，右排燈不工作。（右轉(zhuǎn)彎剎車的工作原理同左轉(zhuǎn)彎剎車。）

左右轉(zhuǎn)彎同時工作時，J 接高電平，譯碼器不工作，L 和 R 同時接高電平，與之相連的與門輸出高電平從而進(jìn)行聲光報警。

四、仿真結(jié)果及顯示

圖 13.仿真電路圖

1、正常行駛，兩排燈都不亮

圖 14

2、緊急剎車按鍵 J，兩排燈閃爍

圖 15

3、左轉(zhuǎn)彎按 L 鍵，左排燈依次閃爍

圖 16

4、右轉(zhuǎn)彎按 R 鍵，右排燈依次閃爍

圖 17

6、左轉(zhuǎn)剎車按 L+J，左排燈全部閃爍

圖 18

7、右轉(zhuǎn)剎車按 R+J，右排燈全部閃爍

圖 19

8、同時按下 L 和 R，報警燈亮

五、元器件清單

圖 20

元器件	個數(shù)	元器件	個數(shù)
74138 譯碼器	1	7400 與非門	3
74160 計(jì)數(shù)器	1	7432 或門	1
555 定時器	1	7486 異或門	1
500 kΩ電阻	2	7408 與門	1
1uF 電容	1	0.01uf 電容	1

六、電路連接與調(diào)試

1、模塊調(diào)試

（1）測試電源：用萬用表測試 5V 電源，觀察電源輸出是否正常。

（2）測試與非門，與門，或門，異或門是否都能正常使用。

（3）連接 555 定時器，測試，將輸出脈沖連接到示波器，觀察示波器上的輸出波形與周期。

圖 21.示波器波形圖

（4）將 7416N 計(jì)數(shù)器與 555 定時器按照仿真電路連接，將計(jì)數(shù)器輸出接

到 4 端口數(shù)碼管，觀察到數(shù)碼管按照 0-1-2-3-0 方式正常循環(huán)計(jì)數(shù)。

（5）將 74LS138 譯碼器按照仿真電路圖連接，連接邏輯控制電路與燈光電路，輸入不同指令，觀察發(fā)光二極管的發(fā)光情況。

圖 22.電路實(shí)物連接圖

2、連接連接過程中的問題

（1）連接 555 定時器，接入示波器后，示波器波形與理想波形有較大差別經(jīng)過檢查后，發(fā)現(xiàn)未將負(fù)極接入示波器，在將負(fù)極接入后，調(diào)整示波器，

得到了較為理想的輸出波形。

（2）在接完電路進(jìn)行測試時，按下 L 鍵（R 鍵），燈在閃爍過程中，跳過了其中一個燈，在確認(rèn)電路連接無誤的情況下，我們將 555計(jì)數(shù)器輸入脈沖換成手動單次輸入脈沖，得到了正確的結(jié)果。再次接入 555 定時器，問題依舊未解決，在詢問老師后，老師建議我們更換定時器外接的電阻與電容大小，增大電容，減小電阻。更換電阻電容之后，再次測試，問題依舊存在，我們回頭測試定時器輸出波形，在接入示波器后，發(fā)現(xiàn)燈光能夠正常顯示。老師分析后覺得可能是 555 定時器輸出受到較多干擾，導(dǎo)致波形不理想，接入示波器后一定程度上減少了干擾，所以得到了理想輸出效果。

七、總結(jié)

此次的電路電子設(shè)計(jì)，我們完成了“方向之星”控制器電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真、硬件電路連接調(diào)試。提高了我們的動手能力與合作能力，使我們有機(jī)會將書本所學(xué)知識用于實(shí)踐。同時也讓我們意識到書本與實(shí)踐還是有一定的差距，許多理想情況在搭建電路的過程中就會出現(xiàn)一些不可預(yù)知的情況。比如我們需要用 555 定時器產(chǎn)生一個 1s 的脈沖，計(jì)算所需的電容電阻不一樣，我們就需要用已有的電容電阻去配出 1s 左右的脈沖，又由于環(huán)境，器件誤差的影響，輸出脈沖與理想脈沖有一定差距�？赡軣o法達(dá)到我們的預(yù)期效果。通過此次設(shè) 計(jì)，也有諸多的收獲，明白書本知識與實(shí)際聯(lián)系的重要性。