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由电子电路设计一组灯饰，把它安装在小汽车的后窗上，用以提示小汽车的 左转弯、右转弯、刹车等行车情况，该组灯饰叫 “方向之星”。 设计要求及指标： 1. 正常直线行驶时,两排小灯不亮。这时若紧急刹车(按键 J),左(右)排灯 同时闪亮,速率 1 次/秒； 2. 左转弯（按键 L）时，左排灯（4 个）依次向左闪亮；这时若紧急刹车(按 键 J),左排灯同时闪亮,速率 1 次/秒； 右转弯（按键 R）时，右排灯（4 个）依次向右闪亮；这时若紧急刹车(按 键 J), 右排灯同时闪亮,速率 1 次/秒； 3. 只要按键 L、按键 R 同时按下，两排小灯不亮，但要设计一个声光提示 电路，提示操作有误。
二、设计方案
图 1.设计方案逻辑图
三、硬件电路设计
1、555 定时器
（1）芯片介绍
555 定时器是目前在信号产生和变换电路中应用得非常广泛的一种中规模集 成电路。其内部由分压器、两个比较器 C1 和 C2、基本 RS 触发器以及输出缓冲 级 G2 和开关放电管 T 组成，共包含 8 个引脚。
图 2.555 定时器功能表
（2）设计电路图
根据题目要求，灯闪亮的速率需要控制在 1 次/秒，需利用 555 定时器产生 周期脉冲，并让其周期 T 控制在 1 秒之间，则可实现上述的要求。为了使周期 T 控制在 1 秒之间，需要选择合适的电阻 R1、R2 以及电容 C1，本仿真采用的各 项数值如下：
R1=500 kΩ，R2=500 kΩ， C1=1uF ，C2=0.01 uF
整个分析过程如下：
由 555 定时器内部结构知，2 个比较器触发输入端 6 和 2 是接在一个端点上 并跟电容 C 连接，这个端点上的电位 Uc 的变动，决定两个比较器的输出电平的
情况，进而决定了 RS 触发器的输出状态。电源 Ucc 经 R1 和 R2 给电容 C 充电， 当上升到 Uc 上升到 2/3Ucc 时，U6=U2=2/3Ucc，输出电压 U0 为低电平，放电 管 T 导通，电容 C 经 R2 和放电端 7 放电，Uc 开始下降，当下降到 1/3Ucc 时， U6=U2=1/3Ucc，输出电压 U0 为高电平。同时放电管 T 截止，放电端 7 断开， 电源 Ucc 又经 R1 和 R2 给电容 C 充电，使 Uc 上升。这样周而复始，电容电压 Uc 形成了一个周期性充电放电的指数波形，输出电压就形 U0 成周期性的矩形 脉冲。 充电时间：T1=0.7*（R1+R2）*C1=0.7*(0.5+0.5)*1=0.7s 放电时间：T2=0.7*R2*C1=0.7*0.5*1=0.35s 总时间：T=T1+T2=0.7+0.35=1.05s (矩形脉冲周期 T)
  图 3. 脉冲发生电 图 4.555 定时器引脚
2、74160 计数器
（1）芯片介绍：
74160 计数器由 16 个管脚构成，其中 D、C、B、A 是预置数据输入端，EP 和 ET 是计数使能端，QD、QC QB、QA 是进位输出端，RD为清零
端，LD 为置数端。
图 5.7416N 管脚图
图 6.74160 真值表
（2）设计分析：
为了使计数器产生 4 种状态，即 00、01、10、11，只需使用计数器的其中两个 输出端 QA 和 QB，然而 74160 计数器有 4 个输出端，可以产生 16 种状态，为 了消去其余 12 种状态需采用置数法或清零法，本设计采用的是置数法，其原理 如下：当输出为 11时，通过与非门产生低电平，然后传递给置数端 LOAD，计 数器接受置数信号后，将输出端 QB、QA 置为输入端的信号 A、B, 即为0、0。 计数器对来自 555 定时器的脉冲会进行计数工作，在时钟脉冲 CP 处于上升沿或 者下降沿时，计数器会进行加一计数，直到被置数状态时则完成一个循环的计 数过程。
图 7.74160 电路图
3、74138 译码器 （1）芯片介绍： 译码是编码的逆过程，译码器可将一系列代码转换成与之一一对应的有效信
号。二进制译码器有三个输入 A、B、C，它们有 8 种状态的组合，由二进制代 码表示，即可译出对应的 8 个输出信号 Y0-Y7,所以该译码器称为 3 线-8 线译码 器，输出为低电平有效。译码器设置了 G1、G2A、G2B 三个使能输入端，当 G1 为 1，且 G2A 和 G2B 均为 0时，译码器处于工作状态。
图 8.74138 管脚图
图 9.74138 功能表
（2）设计分析：
为了控制小灯的依次闪烁，需要利用 74138 译码器进行数据分配，具体过程 如下：当译码器接收到需要依次闪烁的信号后，即译码器处于工作状态，输入 端接收来自计数器的 4 种状态，每一种输入状态对应一种输出状态，由于输入 状态是依次变化的，即由00、01、10、11 依次循环变化，那么输出状态也依次 变化，即 Y0、Y1、Y2、Y3 或者 Y4、Y5、Y6、Y7 依次为低电平，其余 Yi 处 于高电平，然后对输出进行适当的处理，就可实现小灯的依次闪烁。
图 10.74138 电路图
4、控制逻辑电路设计
图 11. 控制逻辑电路
 该控制由 3 个开关控制，紧急刹车键（J）、左转弯键（L）和右转弯键（R）。
开始时，三个开关都接低电平，J 和时钟脉冲通过与非门输出到 2 个或门输入端，
2 个或门通过 L 和 R 分别控制左右排小灯。与 J 键相连的与非门输入端还同时接
到 74LS138 译码器的~G2B 使能端，当 J 接高电平时控制译码器不工作，实现左 右排灯同时闪亮；开关 L 和 R 通过异或门连接到译码器的G1 端来控制译码器的 工作，如果 L 和 R 同时接高电平，则与之相连的与门输出高电平从而进行声光 报警。
 5、灯光控制电路
图 12.灯光控制电路
左右排灯通过与非门控制，与非门的输入端分别是 2 个或门的输出端和译码
器 8 个数字输出端。
当刹车时，J 接高电平，译码器不工作，由于时钟脉冲的作用，与非门输出 脉冲信号，由于或门另一个输入端接低电平，所以或门输出的是交错的高低电 平，再通过与非门输出的也是交错的高低电平，从而使左右排灯同时随脉冲信 号闪亮。 如果按了左转弯 L 键，通过异或门输出高电平，译码器工作。L 同时接到译 码器的 C 端，通过 Y4Y5Y6Y7 依次输出低电平，使左排灯依次向左闪亮。 如果按了右转弯 R 键，通过异或门输出高电平，译码器工作。通过 Y0Y1Y2Y3
依次输出低电平，使左排灯依次向左闪亮。
左转弯刹车时，J 接高电平，译码器不工作，其输出端是高电平，或门此时 输出的交错高低电平通过与非门也输出交错的高低电平，从而使左排灯同时闪
亮，右排灯不工作。（右转弯刹车的工作原理同左转弯刹车。）
左右转弯同时工作时，J 接高电平，译码器不工作，L 和 R 同时接高电平， 与之相连的与门输出高电平从而进行声光报警。
四、仿真结果及显示
图 13.仿真电路图
 1、正常行驶，两排灯都不亮
图 14
 2、紧急刹车按键 J，两排灯闪烁
图 15 3、左转弯按 L 键，左排灯依次闪烁
图 16  4、右转弯按 R 键，右排灯依次闪烁
图 17  6、左转刹车按 L+J，左排灯全部闪烁
图 18
7、右转刹车按 R+J，右排灯全部闪烁
图 19
 8、同时按下 L 和 R，报警灯亮
五、元器件清单
图 20
元器件 |
个数 |
元器件 |
个数 |
74138 译码器 |
1 |
7400 与非门 |
3 |
74160 计数器 |
1 |
7432 或门 |
1 |
555 定时器 |
1 |
7486 异或门 |
1 |
500 kΩ电阻 |
2 |
7408 与门 |
1 |
1uF 电容 |
1 |
0.01uf 电容 |
1 |
 六、电路连接与调试
1、模块调试 （1） 测试电源：用万用表测试 5V 电源，观察电源输出是否正常。
（2） 测试与非门，与门，或门，异或门是否都能正常使用。 （3） 连接 555 定时器，测试，将输出脉冲连接到示波器，观察示波器上 的输出波形与周期。
图 21.示波器波形图
（4） 将 7416N 计数器与 555 定时器按照仿真电路连接，将计数器输出接
到 4 端口数码管，观察到数码管按照 0-1-2-3-0 方式正常循环计数。
 （5） 将 74LS138 译码器按照仿真电路图连接，连接逻辑控制电路与灯光 电路，输入不同指令，观察发光二极管的发光情况。
图 22.电路实物连接图
2、连接连接过程中的问题
（1）连接 555 定时器，接入示波器后，示波器波形与理想波形有较大差别 经过检查后，发现未将负极接入示波器，在将负极接入后，调整示波器， 得到了较为理想的输出波形。
（2）在接完电路进行测试时，按下 L 键（R 键），灯在闪烁过程中，跳过了 其中一个灯，在确认电路连接无误的情况下，我们将 555计数器输入脉冲换成 手动单次输入脉冲，得到了正确的结果。再次接入 555 定时器，问题依旧未解 决，在询问老师后，老师建议我们更换定时器外接的电阻与电容大小，增大电 容，减小电阻。更换电阻电容之后，再次测试，问题依旧存在，我们回头测试 定时器输出波形，在接入示波器后，发现灯光能够正常显示。老师分析后觉得 可能是 555 定时器输出受到较多干扰，导致波形不理想，接入示波器后一定程 度上减少了干扰，所以得到了理想输出效果。
七、总结
此次的电路电子设计，我们完成了“方向之星”控制器电路系统的设计、 仿真、硬件电路连接调试。提高了我们的动手能力与合作能力，使我们有机会 将书本所学知识用于实践。同时也让我们意识到书本与实践还是有一定的差距， 许多理想情况在搭建电路的过程中就会出现一些不可预知的情况。比如我们需 要用 555 定时器产生一个 1s 的脉冲，计算所需的电容电阻不一样，我们就需要 用已有的电容电阻去配出 1s 左右的脉冲，又由于环境，器件误差的影响，输出 脉冲与理想脉冲有一定差距。可能无法达到我们的预期效果。通过此次设 计，也有诸多的收获，明白书本知识与实际联系的重要性。
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