项目7 汽车自动亮灯保持电路
设计任务
本设计要实现的功能是：当汽车停车时，车灯自动亮灯；当关闭车灯时，车灯延时亮一段时间后熄灭。这样可以为驾驶员及乘客提供极大的方便。
本设计用与发动机转速成正比的脉冲信号模拟汽车速度并作为输入信号，通过设计频率电压转换电路、电压比较电路、自动亮灯及车灯延时电路等模块，最终实现汽车停车时自动亮灯、关闭车灯时车灯延时熄灭的功能。
总体思路
本设计以LM331、LM358、NE555等芯片为核心来设计汽车自动亮灯保持电路中的各个模块。其中，通过频率电压转换电路将脉冲信号频率转换为直流电压，并且该直流电压随脉冲信号频率的升高而增大；然后通过电压比较电路判断汽车的状态；最后通过车灯自动亮灯及车灯延时电路实现了汽车停车时自动亮灯、关闭车灯时车灯延时熄灭的保持功能。
系统组成
汽车自动亮灯保持电路主要由以下3个模块组成。
频率电压转换电路：将脉冲信号频率转换为直流电压。
电压比较电路：通过电压比较，判断汽车是处于行驶状态还是处于停车状态。
自动亮灯及车灯延时电路：实现汽车停车时自动亮灯、关闭车灯时车灯延时熄灭的功能。
模块详解
汽车自动亮灯保持电路如图7-1所示。下面分别对汽车自动亮灯保持电路的各主要模块进行详细介绍。
图7-1 汽车自动亮灯保持电路
1.频率电压转换电路
频率电压转换电路如图7-2所示。频率电压转换电路的主要作用是把脉冲信号频率转换为直流电压，以便后续电压比较电路进行电压比较，从而判断汽车的状态。
图7-2 频率电压转换电路
LM331芯片是一种高精度频率电压转换器。LM331芯片各引脚功能说明如下。
（1）1引脚为电流脉冲信号输出端，内部相当于脉冲恒流源，该电流脉冲信号的脉冲宽度与内部单稳态电路的输出脉冲信号的相同。
（2）2引脚为电流脉冲信号幅度调节输出端。
（3）3引脚为电压脉冲信号输出端，OC门结构，该电压脉冲信号的脉冲宽度、相位与内部单稳态电路的输出脉冲信号的相同，不用时可悬空或接地。
（4）4引脚为接地端。
（5）5引脚为时间常数信号输入端。
（6）6引脚为脉冲信号输入端，当该脉冲信号的电压低于7引脚的触发电平时该脉冲信号有效。
（7）7引脚为电压比较器基准电压输入端，用于设置触发电平。
（8）8引脚为电源VCC的输入端，输入该端的正常电压范围为4～40V。
LM331芯片的优点：线性度好，最大非线性失真小于0.01%，在其工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只要接入几个外部元器件就可方便构成频率电压转换电路，并且容易保证转换精度。
下面介绍LM331芯片构成的频率电压转换电路工作原理。
如图7-2所示，当输入的负脉冲信号到达时，6引脚电平低于7引脚电平，此时VCC经R2给C2充电，使C2两端电压升高。同时C3也被充电，其两端电压线性增大。经过1.1R2C2时间，C2两端电压增大到2/3VCC时，C2、C3再次被充电，再经过1.1R2C2时间，C2、C3放电。重复上述过程，在R6两端得到一个直流电压Vo，并且这个电压与输入的脉冲信号频率fi成正比。Vo与fi的关系：
由式（7-1）可知，当R6、RV1、R5、R2、C2一定时，Vo与fi成正比。
在本设计中，选取R6=100kΩ，R5=5kΩ，将RV1调节到7kΩ，R2=6.8kΩ，C2=0.01μF，根据式（7-1），可知Vo≈0.001fi。
本频率电压转换电路可以将0Hz～5kHz的脉冲信号频率转换为0～5V的直流电压。
在Proteus中，对频率电压转换电路进行仿真，当对其输入不同频率的方波信号时，其仿真结果如图7-3～图7-5所示。
1）输入的脉冲信号频率为5kHz
由图7-3可知，在输入的脉冲信号频率为5kHz时，频率电压转换电路在稳定时的输出电压约为800mV。
图7-3 频率电压转换电路仿真结果1
2）输入的脉冲信号频率为10kHz
由图7-4可知，在输入的脉冲信号频率为10kHz时，频率电压转换电路在稳定时的输出电压约为1.5V。
图7-4 频率电压转换电路仿真结果2
3）输入的脉冲信号频率为50kHz
由图7-5可知，在输入的脉冲信号频率为50kHz时，频率电压转换电路在稳定时的输出电压约为7.2V。
图7-5 频率电压转换电路仿真结果3
2.电压比较电路
本设计的电压比较电路由LM358芯片构成，如图7-6所示。在LM358芯片的3引脚接入+0.1V电压。当汽车处于停车状态时，输入频率电压转换电路的脉冲信号频率接近于0，频率电压转换电路的输出电压也接近于0，此时电压比较电路输出端为高电平。当汽车处于行驶状态时，电压比较电路输出端为低电平。
图7-6 电压比较电路
在Proteus中，对电压比较电路进行仿真。该仿真分为两种情况：一种是频率电压转换电路有一定的输出电压的情况；另一种是频率电压转换电路的输出电压为0的情况。在仿真时，输入电压比较电路的激励信号可以为5V直流电压，也可以为0V电压，以替代频率转换电路的输出电压。
1）激励信号为5V直流电压信号
如图7-7所示，在R7一端加上0.1V固定电压，在R8一端加上5V直流电压。由图7-7可知，在频率电压转换电路的输出电压为5V直流电压时，电压比较电路的输出电压为-0.01V。
图7-7 电压比较电路仿真1
2）激励信号为0V电压信号
如图7-8所示，在R7一端加上0.1V固定电压，在R8一端加0V电压。由图7-8可知，在频率电压转换电路的输出电压为0V时，电压比较电路的输出电压为+3.89V。
图7-8 电压比较电路仿真2
3.自动亮灯及车灯延时电路
NE555芯片构成的人工启动时基电路是本模块的核心电路，如图7-9所示。该时基电路接成单稳态工作模式。在白天可以断开开关S1，使汽车停车时车灯不会亮；在晚上闭合开关S1，使汽车停车时车灯自动亮。当车上的人离开时，断开开关S1，使车灯自动延时熄灭，从而给人们带来极大的方便。
图7-9 自动亮灯及车灯延时电路
在图7-9中，电容C5平时处于充满电荷的状态，NE555芯片的6引脚为高电平，NE555芯片的3引脚为低电平，人工启动时基电路处于稳态。
当闭合开关S1时，电容C5两端被短接，使NE555芯片的2引脚为低电平，NE555芯片的3引脚为高电平，人工启动时基电路进入暂态。
当断开开关S1时，由于电容C5两端电压不能突变，NE555芯片的2引脚仍保持低电平，NE555芯片的3引脚状态不变，仍为高电平。此时，电源通过电阻R9向电容C5充电，电容C5两端电压不断升高，当电容C5两端电压上升到2/3VCC时，人工启动时基电路恢复到原来的稳态，NE555芯片的3引脚为低电平。
由上述分析可知，人工启动时基电路的暂态，即人工启动时基电路的延时时间主要由电阻R9和电容C5决定，与电源电压等其他参数无关，从而保证了延时时间的精度。其延时时间T可表述为
在本电路中，选取R9为100kΩ，C5为10μF，根据式（7-2），车灯延时熄灭的时间为1.1s。在实际使用过程中，可根据用户需求改变R9及C5以调节车灯延时熄灭的时间。
在Proteus中，对自动亮灯及车灯延时电路进行仿真，如图7-10所示。
图7-10 自动亮灯及车灯延时电路仿真
总体电路仿真（见图7-11）
图7-11 总体电路仿真
电路板布线图（见图7-12）
图7-12 电路板布线图
实物照片（见图7-13）
图7-13 实物照片
思考与练习
（1）可否用正脉冲信号模拟发动机转速信号输入LM331芯片？为什么？
答：不可以。因为LM331芯片的频率电压转换电路为负脉冲触发电路，用正脉冲信号模拟发动机转速信号不能触发LM331芯片工作。
（2）如图7-6所示，LM358芯片的3引脚可否经电阻R7直接接地？为什么？
答：不可以。因为汽车处于停车状态时，其速度为0，即输入频率电压转换电路的脉冲信号频率为0，频率电压转换电路的输出电压也为0V。而此时若LM358芯片的3引脚经电阻R7直接接地，虽然理论上这个引脚电压为0V，但实际上可能为负值，从而使LM358芯片的输出端为低电平，使后续电路不能工作，即在汽车停车时车灯不亮。
特别提醒
（1）注意汽车自动亮灯保持电路与电源正、负极的正确连接。如果把汽车自动亮灯保持电路与电源正、负极接反，则会使电解电容爆炸。
（2）在绘制PCB时，要留出接地点，以便于后续测试。