路燈控制器課程設(shè)計報告

.z.路燈控制器摘要：在當今社會，大多數(shù)人們都早出晚歸，因此路燈的控制成為一個需要考慮的重要問題。本課程設(shè)計的任務(wù)就是設(shè)計一個路燈控制器，要實現(xiàn)的功能是當處于暗環(huán)境下（晚上）能夠自動開燈（發(fā)光二極管亮），當處于亮環(huán)境下（白天）能夠自動關(guān)燈（發(fā)光二極管滅）；能自動記錄“路燈”的開燈次數(shù)（用1位數(shù)碼管顯示）；能累計“路燈”開燈時間（用2位數(shù)碼管顯示）。該電路的設(shè)計主要分為三個模塊：路燈的控制、顯示燈亮的持續(xù)時間、顯示燈亮的次數(shù)，每個模塊會分別用到不同的集成芯片（其中包括NE555、CD4511、74LS390）和一些常用的電子元件(光敏開光，電阻，電容，滑動變阻器等)。關(guān)鍵詞：路燈控制器；74LS390；CD4511；555定時器Abstract:Inmodernsociety，manypeopleusuallygooutearlyandgohomelate.Sothecontrolofthestreetlightbeesaimportantproblemwhichisneededtobethoughtabout.Thetaskofmycourseistodesignastreetlightcontrolling.Thefunctione*ceptedtobeachievedisthatwhenindarkenvironmentsitcanautomaticallyturnon,wheninthebrightenvironmentscanautomaticallyturnoff.Itcanrecordthenumberofthelighting.Itcanalsoaddupthetimeofthelighting.Itdividesinto3parts:thecontrolofthestreetlight;recordthenumber;addupthetime.Ofcourse,differentpartusedifferentintegrationchip(includingNE555、CD4511、74LS390)andsomeelectronicponents(mitsutoshiswitch,electricresistance,electriccapacityandsoon).Keywords:thecontrolofthestreetlight;74LS390;CD4511;NE555目錄1前言12總體方案設(shè)計22.1方案比較22.2方案論證與選擇33單元模塊設(shè)計43.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計43.1.1光敏電阻與555定時器構(gòu)成的控制電路43.1.2多諧震蕩電路的設(shè)計與分析53.1.3計時電路的設(shè)計與分析53.1.4譯碼顯示電路的設(shè)計與分析73.1.5計數(shù)電路的設(shè)計與分析83.2特殊器件的介紹93.2.1NE555芯片93.2.274LS390芯片113.2.3CD4511芯片113.2.4共陰數(shù)碼管123.3各單元模塊的聯(lián)接134系統(tǒng)調(diào)試145系統(tǒng)功能、指標參數(shù)165.1系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能165.2系統(tǒng)指標參數(shù)測試165.3系統(tǒng)功能及指標參數(shù)分析176結(jié)論187總結(jié)與體會198致謝209參考文獻2110附錄：22附錄（一）：22附錄（二）：23-.z.1前言在當今社會中，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對能源的需求越來越大，而浪費也越來越嚴重，電力資源就是其中之一?，F(xiàn)在的街道基本配有路燈，如何實現(xiàn)路燈的智能化控制來節(jié)省電力資源，路燈控制器可以很好的解決這個問題。本課程設(shè)計的任務(wù)就是設(shè)計一個路燈的控制系統(tǒng)。采用74LS390、74LS00、74LS04、CD4511、NE555等芯片來完成路燈亮暗控制與所需要的數(shù)字邏輯顯示功能（在七段數(shù)碼管上按規(guī)律顯示特定的數(shù)字）。當處于暗環(huán)境下（晚上）能夠自動開燈（發(fā)光二極管亮），當處于亮環(huán)境下（白天）能夠自動關(guān)燈（發(fā)光二極管滅）；能自動記錄“路燈”的開燈次數(shù)（用1位數(shù)碼管顯示）；同時還能記錄和鎖存“路燈”開燈時間(使用3個1位數(shù)碼管顯示)。針對電子線路課程要求，在熟悉基本原理的前提下，與實際應用相聯(lián)系，設(shè)計自己的方案，并完善設(shè)計。通過實用型電子線路設(shè)計、安裝、調(diào)試等各環(huán)節(jié)的綜合性訓練，培養(yǎng)我們運用課程中所學的理論與實踐緊密結(jié)合，在獨立又有機合作下解決實際問題的能力。路燈控制器主要是通過光敏電阻對外界的光線的強弱的感應來改變自身的電阻阻值，從而控制555定時電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器高、低電平輸出，達到控制路燈的開和關(guān)。2總體方案設(shè)計2.1方案比較方案一：此方案采用模擬電路與數(shù)字電路組合。模擬電路部分包括直流穩(wěn)壓電源、光電轉(zhuǎn)換、小信號放大、三極管開關(guān)電路，直流穩(wěn)壓電源又包括降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分，即可得到直流穩(wěn)定12V電壓；數(shù)字電路主要有秒肪沖、計數(shù)、譯碼七段數(shù)碼管顯示。利用模擬電路提供12V直流穩(wěn)定電壓，完成采光和小信號放大并產(chǎn)生控制信號控制繼電器的吸合，三極管的開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號和使能信號；數(shù)字電路負責顯示路燈當前一次的連續(xù)開啟時間和統(tǒng)計路燈的開啟次數(shù)。模擬電路部分用到的元件及作用：三極管9013用于小信號放大和開關(guān)，光敏電阻完成光電輪換，普通碳膜電阻根據(jù)三極管需要提供適當?shù)钠秒妷汉透綦x、保護作用，繼電器在開關(guān)三極管的控制下用于接通和斷開路燈回路。數(shù)字部分用到的元件：555定時器，74LS160計數(shù)器、74LS48譯碼器、七段顯示數(shù)碼管，其中555定時器產(chǎn)生秒脈沖，用于驅(qū)動74LS161計數(shù)，74LS48負責譯碼將74LS161計數(shù)的4位二進數(shù)譯碼成7位二進制以驅(qū)動七段數(shù)碼管正常工作。設(shè)計框圖如圖2.1所示：直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源220V～計數(shù)秒脈沖沖光電轉(zhuǎn)換小信號放大三極管開關(guān)控制譯碼數(shù)碼管計數(shù)秒脈沖沖光電轉(zhuǎn)換小信號放大三極管開關(guān)控制譯碼數(shù)碼管繼電器路燈繼電器路燈圖2.1設(shè)計框圖方案二：本設(shè)計主要是通過光敏電阻對外主要是通過光敏電阻對外界的光線的強弱的感應來改變自身的電阻阻值，從而控制555定時電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器高、低電平輸出，達到控制路燈的開和關(guān)。光電變換信號鑒幅驅(qū)動電路路燈計數(shù)器譯碼器開啟次數(shù)顯示計數(shù)器譯碼器光電變換信號鑒幅驅(qū)動電路路燈計數(shù)器譯碼器開啟次數(shù)顯示計數(shù)器譯碼器開啟時間顯示振蕩電路光電信號圖2.2設(shè)計框圖2.2方案論證與選擇方案一模擬電路與數(shù)字電路組合總體看來具有設(shè)計思路清晰、價格成本低、穩(wěn)定性高、易現(xiàn)實，但電路結(jié)構(gòu)相對復雜，需要購買許多電子元件和集成塊，整體電路調(diào)試困難。方案二主要是通過光敏電阻對外界的光線的強弱的感應來改變自身的電阻阻值，從而控制555定時電路構(gòu)成的施密特觸發(fā)器高、低電平輸出，達到控制路燈的開和關(guān)。為了使計時與計數(shù)電路同步啟動，計數(shù)電路的控制是通過NE555的輸出端提供脈沖，使其計數(shù)；并通過NE555輸出端來控制計時電路同步供電。計時電路脈沖的產(chǎn)生是用NE555接成一個頻率為1HZ的多諧振蕩器觸發(fā)74LS390計時，再用CD4511驅(qū)動共陰極七段數(shù)碼管做顯示電路。當光照減弱時，光敏電阻阻值增大，NE555定時器的2、6端口出現(xiàn)低電平，當它到達一定值時，3口出現(xiàn)高電平，且大于2/3VCC，路燈亮。反之，當光照增強到一定強度時，光敏電阻阻值減小，3口出現(xiàn)低電平，小于1/3VCC，路燈熄滅。為了避免外部干擾所帶來的錯誤反應（例如來往的車燈給光敏電阻帶來的短暫激勵），我們利用電容充電帶來的時間延遲來解決問題。經(jīng)以上論證，方案可行。3單元模塊設(shè)計3.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計光敏電阻與555定時器構(gòu)成的控制電路圖3.1光敏電阻與555定時器構(gòu)成的控制電路原理圖該部分電路相當于總電路的開關(guān)，通過光照強弱的變化改變光敏電阻的阻值，從而改變Vi的電壓值。在該電路中Vi即為由555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的輸入電壓，Vi的改變會引起施密特觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)，從而改變3腳輸出電平，達到開關(guān)的效果。當光敏電阻周圍的環(huán)境光照強度比較強時，電阻阻值為幾百歐左右，Vi<1/3Vcc；當光敏電阻周圍的環(huán)境光照強度比較弱時，電阻阻值為1兆歐左右，Vi>2/3Vcc。當光敏電阻周圍環(huán)境由光變暗時，Vi增大過程中達到值1/3Vcc時，引發(fā)施密特觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出由低電平跳變?yōu)楦唠娖?。施密特觸發(fā)器輸出跳變?yōu)楦唠娖酵瑫r引起LED燈的開啟，多諧振蕩器產(chǎn)生時鐘信號和計數(shù)電路的觸發(fā)器觸發(fā)。而當光敏電阻周圍環(huán)境由暗變光時，Vi減小過程中達到值時2/3Vcc，引起觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出由高電平跳變?yōu)榈碗娖健Ｓ|發(fā)器輸出跳變?yōu)榈碗娖绞筁ED燈熄滅，多諧振蕩器不工作，且計數(shù)電路觸發(fā)器不觸發(fā)。因此，由光敏電阻和555定時器組成的控制電路起到總電路開關(guān)的作用。多諧震蕩電路的設(shè)計與分析圖3.2多諧震蕩器原理圖該器件的電源電壓為4.5V18V，驅(qū)動電流也較大，并能提供與ttl,MOS電路相兼容的邏輯電平。555定時器可以構(gòu)成多諧振蕩器。自激多諧振蕩器用于產(chǎn)生連續(xù)的脈沖信號圖3-2所示為自激多諧振蕩器電路和波形圖。。電路采用電阻、電容組成RC定時電路，用于設(shè)定脈沖的周期和寬度。調(diào)節(jié)RW或電容C，得到不同的時間常數(shù)；還可產(chǎn)生周期和脈寬可變的方波輸出。脈沖寬度計算公式：Tw≈0.7(R1+RW+R2)C（3-1）振蕩周期計算公式：T≈0.7(R1+RW+2R2)C （3-2）如圖所示，C2=10nF、C3=10uF、R2=100KΩ，R3=20KΩ，按上電路圖與555定時器相連構(gòu)成可產(chǎn)生頻率為1Hz的多諧振蕩器。多諧振蕩器為計數(shù)器提供時鐘脈沖。時鐘周期T=0.7（R3+2R2）C1=1s。計時電路的設(shè)計與分析該部分用到了計數(shù)器共三個，需要三片74LS390芯片，組成60進制計數(shù)器，用于顯示分鐘和秒。集成電路74LS390芯片為雙10進制計數(shù)器，通過四位輸出端輸出10進制BCD碼。圖3.374LS390管腳圖反饋清零法實現(xiàn)六十進制計數(shù)圖3.4反饋清零法實現(xiàn)六十進制計數(shù)六十進制計數(shù)原理圖先將兩片74LS390級聯(lián)，接成一百進制計數(shù)器。在此基礎(chǔ)上借組與門和計數(shù)器異步清零功能，將U7B的Q1、Q2分別接至雙與非門組合的輸入端。工作時，在第60個脈沖計數(shù)脈沖作用后，計數(shù)器輸出為0110000（十進制數(shù)60），U7B的Q1、Q2同時為1，使雙與非門組合輸出高電平，U7B清零。狀態(tài)01100000僅在瞬間出現(xiàn)一下。這樣，就構(gòu)成了60進制的計數(shù)器。圖3.5鎖定及自動清零單次計時電路原理圖譯碼顯示電路的設(shè)計與分析數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極()的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應用時應將公共極接到+5V，當*一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應字段就點亮。當*一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極()的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極接到地線GND上，當*一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就會被點亮。當電路正常工作時，數(shù)碼管上會按照設(shè)計要求顯示路燈持續(xù)工作的時間與工作的次數(shù)。計數(shù)器用來產(chǎn)生十進制計數(shù)，其輸出信號加在譯碼器輸入端，經(jīng)譯碼后可在輸出端產(chǎn)生所需的控制信號。本電路中譯碼驅(qū)動器采用CD4511。圖3.6驅(qū)動數(shù)碼譯碼電路計數(shù)電路的設(shè)計與分析該部分電路實現(xiàn)記錄路燈開關(guān)次數(shù)功能，需要一片74LS390芯片和一片CD4511譯碼器和一個共陰極數(shù)碼管。當光敏電阻周圍環(huán)境從亮變暗時，由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平，經(jīng)過74ls04非門后，74LS390接收到的信號為由高電平反轉(zhuǎn)為低電平。這個脈沖下降沿觸發(fā)74LS390計數(shù)。而當光敏電阻周圍環(huán)境從暗變亮，輸入信號為上升沿不會引起計數(shù)，從而達到電路計時一次，計數(shù)一次的效果。圖3.7計數(shù)器原理圖3.2特殊器件的介紹NE555芯片555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件，它性能優(yōu)良，適用*圍很廣，外部加接少量的阻容元件可以很方便地組成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器，以及不需外接元件就可組成施密特觸發(fā)器。因此集成555定時被廣泛應用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。圖3.8555管腳圖由555定時器組成的多諧振蕩器如圖(C)所示，其中R1、R2和電容C為外接元件。其工作波形如圖(D)所示。圖3.9555多諧振蕩器設(shè)電容的初始電壓＝0，t＝0時接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸發(fā)端＝＝0<，比較器Ａ1輸出為高電平，Ａ２輸出為低電平，即，（1表示高電位，0表示低電位），RS觸發(fā)器置1，定時器輸出此時，定時器內(nèi)部放電三極管截止，電源經(jīng)，向電容Ｃ充電，逐漸升高。當上升到時，輸出由0翻轉(zhuǎn)為1，這時，RS觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<期間，定時器輸出為高電平1。時刻，上升到，比較器的輸出由1變?yōu)?，這時，，RS觸發(fā)器復0，定時器輸出。期間，，放電三極管Ｔ導通，電容Ｃ通過放電。按指數(shù)規(guī)律下降，當時比較器輸出由0變?yōu)?，RS觸發(fā)器的，Ｑ的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。時刻，下降到，比較器輸出由1變?yōu)?，RS觸發(fā)器的1，0，觸發(fā)器處于1，定時器輸出。此時電源再次向電容C放電，重復上述過程。通過上述分析可知，電容充電時，定時器輸出，電容放電時，0，電容不斷地進行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，卻能輸出矩形波，其實質(zhì)是將直流形式的電能變?yōu)榫匦尾ㄐ问降碾娔?。由圖（D）可知，振蕩周期。為電容充電時間，為電容放電時間。充電時間（3-3）放電時間（3-4）矩形波的振蕩周期(3-5)因此改變、和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。只要將555定時器的2號腳和6號腳接在一起，就可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器。這個施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性是反相的。5號腳懸空時，正向閾值電壓和負向閾值電壓分別為和。圖3.10555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器3.2.274LS390芯片集成電路74LS390芯片為雙10進制計數(shù)器，其具有時鐘輸入CLOCKA（B）和復位端（CLEAR），可提供手動輸入復位。并且通過四位輸出端輸出10進制BCD碼。圖3.1174LS390引腳圖：A、B為時鐘輸入引腳；CLEAR為異步清零端；ＱＡ、ＱB、ＱC、ＱD為BCD碼輸出端。CD4511芯片CD4511是一個用于驅(qū)動共陰極LED（數(shù)碼管）顯示器的BCD碼—七段碼譯碼器，特點如下：具有BCD轉(zhuǎn)換、消隱和鎖存控制、七段譯碼及驅(qū)動功能的CMOS電路能提供較大的拉電流，可直接驅(qū)動LED顯示器。CD4511的內(nèi)部有上拉電阻，在輸入端與數(shù)碼管筆段端接上限流電阻就可工作。圖3.12CD4511引腳圖其功能介紹如下：BI：4腳是消隱輸入控制端，當BI=0時，不管其它輸入端狀態(tài)如何，七段數(shù)碼管均處于熄滅（消隱）狀態(tài)，不顯示數(shù)字。LT：3腳是測試輸入端，當BI=1，LT=0時，譯碼輸出全為1，不管輸入ABCD狀態(tài)如何，七段均發(fā)亮，顯示“8”LE：鎖定控制端，當LE=0時，允許譯碼輸出。LE=1時譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。a、b、c、d、e、f、g：為譯碼輸出端，輸出為高電平1有效。還有兩個引腳8、16分別表示的是GND和Vcc。共陰數(shù)碼管共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極接到地線GND上，當*一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就會被點亮。在本設(shè)計中用CD4511譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動。圖3.13共陰數(shù)碼管封裝和內(nèi)部電路3.3各單元模塊的聯(lián)接其各單元模塊圖如圖所示：圖3.14各單元模塊的聯(lián)接圖4系統(tǒng)調(diào)試在proteus軟件的仿真中，我們發(fā)現(xiàn)當R5阻值為400KΩ時，Vi的值的變化能滿足觸發(fā)器的觸發(fā)。而在實際操作過程中，可以根據(jù)光敏電阻的不同或現(xiàn)有電阻值中方便選取，原則為光線充足時Vi<1/3Vcc，黑暗時Vi>2/3Vcc。當光照減弱時，光敏電阻阻值增大，NE555定時器的2、6端口出現(xiàn)低電平，當它到達一定值時，3口出現(xiàn)高電平，且大于2/3VCC，路燈亮。反之，當光照增強到一定強度時，光敏電阻阻值減小，3口出現(xiàn)低電平，小于1/3VCC，路燈熄滅。計時器的清零圖4.1計時器的清零電路圖如圖所示，電路中的這個74LS00與非門的作用為使控制右數(shù)第二個數(shù)碼管（即十秒位）的74LS390(U7B)計數(shù)芯片在LED燈熄滅時自動清零。計數(shù)器的數(shù)碼管用來顯示開燈次數(shù)，因此不用清零?？刂朴嫊r器的另外兩個數(shù)碼管的74LS390(U6B和U7A)芯片部分會因為電平的改變自動清零。而CD4511(U2、U3、U4)的5腳LE接到的信號是通過圖中74LS04非門轉(zhuǎn)變而來的。當LED亮時，U9B3腳為1，經(jīng)74LS04后，LE為0，允許譯碼輸出。當LED熄滅時，U9B3腳為0，經(jīng)74LS04后，LE為1，允譯碼器是鎖定保持狀態(tài)，譯碼器輸出被保持在LE=0時的數(shù)值。5系統(tǒng)功能、指標參數(shù)5.1系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能（1）當處于暗環(huán)境下（晚上）能夠自動開燈（發(fā)光二極管亮），當處于亮環(huán)境下（白天）能夠自動關(guān)燈（發(fā)光二極管滅）；（2）能自動記錄“路燈”的開燈次數(shù)（DS1位數(shù)碼管顯示）；（3）能單次記錄和鎖存“路燈”開燈時間（用3個1位數(shù)碼管顯示），基本實現(xiàn)了本次設(shè)計的要求。5.2系統(tǒng)指標參數(shù)測試在Proteus軟件的仿真中，我們發(fā)現(xiàn)光敏電阻和555構(gòu)成的光控電路不能仿真，所有設(shè)計了一個開關(guān)來模擬白天和晚上，當開關(guān)閉和相當于白天；當開關(guān)斷開相當于晚上。當仿真圖如下：圖5.1開關(guān)斷開（光線較暗）時的測試圖圖5.2開關(guān)閉合（光線較亮）時的測試圖5.3系統(tǒng)功能及指標參數(shù)分析當處于暗環(huán)境下（晚上）能夠自動開燈（發(fā)光二極管亮），當處于亮環(huán)境下（白天）能夠自動關(guān)燈（發(fā)光二極管滅）；能自動記錄“路燈”的開燈次數(shù)（DS1位數(shù)碼管顯示）；能單次記錄和鎖存“路燈”開燈時間（用3個1位數(shù)碼管顯示），基本實現(xiàn)了本次設(shè)計的要求。當光照減弱時，光敏電阻阻值增大，NE555定時器的2、6端口出現(xiàn)低電平，當它到達一定值時，3口出現(xiàn)高電平，且大于2/3VCC，路燈亮。反之，當光照增強到一定強度時，光敏電阻阻值減小，3口出現(xiàn)低電平，小于1/3VCC，路燈熄滅。6結(jié)論電路整體功能正常，而且可以達到題目的基本和擴展功能，本次的設(shè)計中的數(shù)碼管亮度不是很夠，proteus軟件不能準確的仿真光線強弱時發(fā)光二極管亮暗的情況，本設(shè)計能夠自動記錄開燈時間和開燈的次數(shù)，基本達到了本設(shè)計的設(shè)計目標。“光控”容易受外部環(huán)境干擾，靈敏度低且可靠性較差?！扮娍亍辈贿m應天氣突變與季節(jié)變化等自然情況。二者均不能實現(xiàn)控制開關(guān)燈的合理化、科學化。從而會出現(xiàn)：開燈早，關(guān)燈晚；或者開燈晚，關(guān)燈早的現(xiàn)象。前者會造成巨大的電能浪費，后者會損害城市形象、影響社會治安和交通安全，從而影響城市的投資環(huán)境。所以應取長補短，設(shè)計出科學，合理的路燈控制器。7總結(jié)與體會為期近兩周的課程設(shè)計刷一下即將結(jié)束，回首這整個過程，仍感到些許緊*和滿路，但是更多的是充實。從選課題開始我們就忙起來了，整天沉浸在思索之中，一起找資料，一起討論，有不解的問題向老師請教……近兩