路燈控制器設(shè)計(jì)與仿真

學(xué)號(hào):數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)路燈控制器的設(shè)計(jì)與仿真系部名稱：電氣工程系專業(yè)名稱：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)老師：史振江完成日期：2014年12月26日

課程設(shè)計(jì)評(píng)定表姓名鄭依依學(xué)號(hào)4存檔號(hào)系別電氣工程系專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)工1303班課程設(shè)計(jì)題目路燈控制器的設(shè)計(jì)與仿真指導(dǎo)教師評(píng)語：簽名： 年月曰1.課程設(shè)計(jì)成績(jī)：指導(dǎo)教師簽名：年月曰2?答辯成績(jī)：答辯小組組長(zhǎng)簽名：年月曰3.綜合成績(jī)：備注：“課程設(shè)計(jì)成績(jī)”一項(xiàng)由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生在設(shè)計(jì)過程的表現(xiàn)及課程設(shè)計(jì)說明書評(píng)定，滿分100分?！按疝q成績(jī)”項(xiàng)由指導(dǎo)老師根據(jù)答辯情況評(píng)定，滿分100分。“綜合成績(jī)”=“課程設(shè)計(jì)成績(jī)”*80%+“答辯成績(jī)”*20%。摘要本設(shè)計(jì)制作的路燈控制器,它由光信號(hào)控制電路、路燈驅(qū)動(dòng)電路、振蕩脈沖產(chǎn)生電路、計(jì)數(shù)譯碼電路和數(shù)碼顯示器組成。主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)處于暗環(huán)境下（晚上）能夠自動(dòng)開燈，當(dāng)處于亮環(huán)境下（白天）能夠自動(dòng)關(guān)燈；能自動(dòng)記錄“路燈”的開燈次數(shù)（用1位數(shù)碼管顯示）；能記錄“路燈”開燈時(shí)間。通過用Multisim10畫電路原理圖和用MultisimlO仿真和理論分析設(shè)計(jì)出路燈模擬控制的藍(lán)本。本設(shè)計(jì)具有邏輯清晰、設(shè)計(jì)巧妙等特點(diǎn)，能很好的符合課程設(shè)計(jì)的要求。關(guān)鍵詞：數(shù)碼管譯碼器計(jì)數(shù)器目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章引言 5\o"CurrentDocument"第二章設(shè)計(jì)任務(wù)及目的 5工1303數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2 5\o"CurrentDocument"第三章電路設(shè)計(jì)總方案及原理框圖 6\o"CurrentDocument"3．1電路設(shè)計(jì)總方案 6\o"CurrentDocument"3．2電路原理框圖 6\o"CurrentDocument"第四章單元電路圖及設(shè)計(jì)方案 6\o"CurrentDocument"4．1開關(guān)控制電路設(shè)計(jì)總方案 6\o"CurrentDocument"4．2開關(guān)控制電路所用器件功能介紹 74．2．1555定時(shí)器 7\o"CurrentDocument"4．2．2由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 7\o"CurrentDocument"4．3開關(guān)控制電路電路圖 8如圖4.4所示為路燈開關(guān)控制電路。 8\o"CurrentDocument"4．4開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路設(shè)計(jì)總方案 9\o"CurrentDocument"4．5開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路所用器件功能介紹 10\o"CurrentDocument"4．5．1計(jì)數(shù)器 10\o"CurrentDocument"4．5．2譯碼器 10\o"CurrentDocument"4．6開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路圖 11\o"CurrentDocument"4．7開啟時(shí)間數(shù)碼顯示器設(shè)計(jì)總方案 12\o"CurrentDocument"4．8開啟時(shí)間數(shù)碼顯示器電路圖 12\o"CurrentDocument"4．9由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器 13\o"CurrentDocument"4．10由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖 14\o"CurrentDocument"第五章仿真軟件MultismlO介紹 16第六章電路仿真 16\o"CurrentDocument"6．1總電路圖 16\o"CurrentDocument"6．2電路仿真結(jié)果 17如圖6.2 17\o"CurrentDocument"第七章元件清單表 18\o"CurrentDocument"第八章總結(jié) 19\o"CurrentDocument"第九章參考文獻(xiàn) 19第一章引言在學(xué)校、機(jī)關(guān)、廠礦企業(yè)等單位的公共場(chǎng)所以及居民區(qū)的公共樓道，長(zhǎng)明燈現(xiàn)象十分普遍，這造成了能源的極大浪費(fèi)。另外，由于頻繁開關(guān)或者人為因素，墻壁開關(guān)的損壞率很高，增大了維修量、浪費(fèi)了資金。利用光控路燈控制器可以有效的解決這些問題。光控路燈控制器是由感光元件光敏三極管來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)由光控電路在白天光線較暗時(shí)和夜晚對(duì)路燈自動(dòng)點(diǎn)亮，在白天光線較亮?xí)r對(duì)路燈自動(dòng)關(guān)閉，從而隨光線的明暗變化實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈開啟與關(guān)閉的自動(dòng)控制。另外還可以記錄開啟時(shí)間和開啟次數(shù)，以供相關(guān)人員檢查。這樣既節(jié)約勞動(dòng)力成本又節(jié)約能源。第二章設(shè)計(jì)任務(wù)及目的石家莊鐵道大學(xué)工1303數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2題目名稱路燈控制器的設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)制作一個(gè)路燈自動(dòng)照明的控制電路，當(dāng)日照光亮到一定的程度時(shí)路燈自動(dòng)熄滅，而日照光亮暗到一定程度時(shí)路燈自動(dòng)點(diǎn)亮。設(shè)計(jì)計(jì)時(shí)電路，用數(shù)碼管顯示路燈當(dāng)前一次的連續(xù)開啟時(shí)間。設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)顯示電路，統(tǒng)計(jì)路燈的開啟次數(shù)。使用的工具軟件Multisim電路仿真軟件提交的設(shè)計(jì)資料主要電路和元器件的分析論證；Multisim仿真電路圖第三章電路設(shè)計(jì)總方案及原理框圖3．1電路設(shè)計(jì)總方案本系統(tǒng)電路共分為開關(guān)控制電路、開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路、開啟時(shí)間數(shù)碼顯示器三部分組成。。本設(shè)計(jì)要用日照光的亮度來控制燈的開啟和關(guān)斷，首先必須檢測(cè)出日照光的亮度。本設(shè)計(jì)通過滑動(dòng)變阻器改變阻值來代替照光照度而引起的光敏電阻的阻值變化。并用繼電器以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的啟和?？刂?。通過74160的脈沖輸入端CLK和開關(guān)電路相連，當(dāng)開關(guān)閉合一次時(shí)，CLK接收到一個(gè)脈沖，器輸出端通過譯碼器7448和七段顯示器相連，實(shí)現(xiàn)顯示技術(shù)功能。將路燈開啟的啟動(dòng)脈沖信號(hào)作計(jì)時(shí)起點(diǎn)，控制計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)基信號(hào)作計(jì)數(shù)，則從而計(jì)算出路燈的開啟時(shí)間。3．2電路原理框圖電路原理框圖如圖3.1所示圖3.1路燈控制器原理框圖第四章單元電路圖及設(shè)計(jì)方案4．1開關(guān)控制電路設(shè)計(jì)總方案采用電位器模擬光照的方法，通過控制開關(guān)讓由555定時(shí)器構(gòu)成的觸發(fā)器分別處于高電位或者低電位來控制繼電器，從而控制路燈。4．2開關(guān)控制電路所用器件功能介紹4．2．1555定時(shí)器555定時(shí)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，適用范圍很廣，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(shí)被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制等方面。如圖4．1為555定時(shí)器的管腳圖4．2．2由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器如圖4.2，只要將555定時(shí)器的2號(hào)腳和6號(hào)腳接在一起，就可以構(gòu)成施密特觸發(fā)器。這個(gè)施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性是反相的。5號(hào)腳懸空時(shí)，正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓分21別為V和了V。圖4.3是555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的工作波。3cc3cc「％工O.OljiF圖4.2沁j:-湘圖「％工O.OljiF圖4.2沁j:-湘圖4.34．3開關(guān)控制電路電路圖如圖4.4所示為路燈開關(guān)控制電路。圖4.4天黑后，能自動(dòng)啟動(dòng)路燈進(jìn)行照明（如圖4.5）；天變亮?xí)r，又可自動(dòng)停止工作（如圖4.6）。線路簡(jiǎn)單，不需太多調(diào)試。如圖4.8黑天時(shí)，即無光照射時(shí)，光敏電阻阻值很大,調(diào)節(jié)電位器到大阻值。使三極管無法導(dǎo)通，觸發(fā)器輸入端處于高電位，輸出低電位，繼電器工作，綠色LED顯示燈亮，相當(dāng)于光照強(qiáng)度小時(shí)，開關(guān)電路處于閉合狀態(tài)，路燈開始照明。圖4.5如圖4.9天亮?xí)r，即光敏電阻有光照射時(shí)，其內(nèi)阻變小調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器到小阻值。使三極管導(dǎo)通，由555構(gòu)成的觸發(fā)器輸入端處于低電位，輸出高電位，繼電器不工作，紅色LED顯示燈亮，相當(dāng)于光照強(qiáng)度大時(shí)，開關(guān)電路處于斷開狀態(tài)，路燈不亮。4．4開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路設(shè)計(jì)總方案該電路通過74160的脈沖輸入端CLK和開關(guān)電路相連，當(dāng)開關(guān)閉合一次時(shí)，CLK接收到一個(gè)脈沖，器輸出端通過譯碼器7448和七段顯示器相連，實(shí)現(xiàn)顯示技術(shù)功能。4．5開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路所用器件功能介紹4．5．1計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中能累計(jì)輸入脈沖個(gè)數(shù)的數(shù)字電路，它將輸入脈沖構(gòu)成計(jì)數(shù)器的輸入CP脈沖，計(jì)數(shù)器就是要統(tǒng)計(jì)這個(gè)脈沖系列的個(gè)數(shù)。本設(shè)計(jì)采用74160N同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74160N有異步清零的作用，在計(jì)數(shù)功能中，所以有不管它的輸出處于那一狀態(tài)，只要在異步清零輸入端加一低電平電壓，是清零端為0，芯片就會(huì)立即從任何狀態(tài)回到0000狀態(tài)。自第一級(jí)的進(jìn)位端RCO向下一級(jí)的信號(hào)輸入端CP發(fā)出信號(hào)，使下一級(jí)的芯片能夠計(jì)數(shù)啟動(dòng)。將計(jì)數(shù)使能端CET和CEP接入高電平，當(dāng)置數(shù)端LOAD和清零端CLR都輸入高電平的時(shí)侯出于計(jì)數(shù)狀態(tài)，在與非門的另一端與下一級(jí)相連，就可以達(dá)到清零進(jìn)位的作用。74160N是常用的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，異步清零端LOAD，當(dāng)它為低電平時(shí)，無論其它輸入端何狀態(tài)（包括時(shí)鐘信號(hào)CLK）,都使片內(nèi)所有的觸發(fā)器狀態(tài)置零，只有在LOAD接入高電平是才起作用。圖4.7為74160N的引腳圖。表4.1為74160N功能表。進(jìn)位信號(hào)RCO,只有當(dāng)CET=1且-=1111時(shí)，RCO才為1；當(dāng)清零信號(hào)為0時(shí)，各觸發(fā)器置0，當(dāng)清零信號(hào)為1時(shí)，若預(yù)置為0，在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖上升沿到來后，各觸發(fā)器的輸出狀態(tài)與預(yù)置的輸入數(shù)據(jù)相同。在清零和預(yù)置都為1的條件下，若使能端為1，則電路處于計(jì)數(shù)狀態(tài)。直到使能端為0時(shí)，技術(shù)狀態(tài)結(jié)束。此后處于禁止計(jì)數(shù)的保持狀態(tài)。進(jìn)位信號(hào)只有在=1001且CET=1時(shí)輸出為1，其余時(shí)間均為0.時(shí)鐘剛f軸瀚入.1作模式丄HEPETCPD.a.n.aQQQ<QD：< XXXXXXd0 0 0并卿零10.< Xtd：i逐di也M：；thil\di11DXXXXXX煤持咖呆持11X [)XXXXX1111tXXxx十進(jìn)制計(jì)數(shù)加法訃數(shù)表4．5．2譯碼器譯碼器是一個(gè)多輸入、多輸出的組合邏輯電路。它的作用是把給定的代碼進(jìn)行“翻譯”，變成相應(yīng)的狀態(tài)，使輸出通道中相應(yīng)的一路有信號(hào)輸出。譯碼器在數(shù)字系統(tǒng)中有廣泛的用途，不僅用于代碼的轉(zhuǎn)換、終端的數(shù)字顯示，還用于數(shù)據(jù)分配，存貯器尋址和組合控制信號(hào)等。不同的功能可選用不同種類的譯碼器。本電路選擇7448七段顯示譯碼器。配合七段顯示器使用實(shí)現(xiàn)直觀的數(shù)字顯示功能。數(shù)字顯示譯碼器是驅(qū)動(dòng)顯示器的核心部件，它可以將輸入代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字顯示代碼，并在數(shù)碼管上顯示出來。圖4.8所示為七段顯示譯碼器7448的引腳圖，輸入A3、A2、A1和A0接收四位二進(jìn)制碼，輸出a?g為高電平有效，可直接驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器，三個(gè)輔助控制端，以增強(qiáng)器件的功能，擴(kuò)大器件應(yīng)用7448的真值表如表4.2所示。從功能表可以看出，對(duì)輸入代碼0000，譯碼條件是：燈測(cè)試輸入和動(dòng)態(tài)滅零輸入同圖4.87748引腳圖

時(shí)等于1,而對(duì)其他輸入代碼則僅要求=1,這時(shí)候，譯碼器各段a?g輸出的電平是由輸入代碼決定的，并且滿足顯示字形的要求。十進(jìn)制數(shù)A輸呂ET3ET&A為sat?abcliJ?■g0110QQ0]I1L111D]1K0n0110]Innnm21＞：0010111011D131K0n]11]]Iinni41M01001011DD1151Kflln1]111i1161：?：01i0)IIu1111111Kflli1]1111iin￥1MJuu0]I1I111191K1nn1]I111n111U1KJui(J100[111u1111X]01110011DD1121KJ10(J101[1uU11131K]10111001D11141KJ11(J100[1111115]＞：]111]I00DDDDK■■-■■■sc000[1UUUU110QQ00Q0DDDDDDKXKH]I1I1111表4.24．6開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路圖如圖4．9ANDU11WzGMDcueTJ1G.QN136U1;;HE...7-14B忖cueTJ1G.QN136U1;;HE...7-14B忖GND圖4.94．7開啟時(shí)間數(shù)碼顯示器設(shè)計(jì)總方案該電路通過一個(gè)產(chǎn)生固定頻率脈沖的信號(hào)發(fā)生器，相當(dāng)于一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，與計(jì)數(shù)顯示裝置相連，當(dāng)燈亮?xí)r，施密特觸發(fā)器輸出低電平，經(jīng)過反相器控制計(jì)數(shù)器的使能端，計(jì)數(shù)器工作。通過開關(guān)控制電路控制計(jì)數(shù)的工作開始與結(jié)束，兩者結(jié)合，就實(shí)現(xiàn)了計(jì)數(shù)與計(jì)時(shí)的轉(zhuǎn)換，本裝置中根據(jù)實(shí)際情況，選擇最小計(jì)數(shù)單位為分。可通過改變信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的頻率方便的改變計(jì)時(shí)單位。4．8開啟時(shí)間數(shù)碼顯示器電路圖如圖4.10■6-qnd圖4.104．9由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器圖4.11所示，其中R］、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖4.12所示。圖圖4.124.11設(shè)電容的初始電壓U=0,t=o時(shí)接通電源，由于電容電壓不能突變，所以高、低觸cTOC\o"1-5"\h\z發(fā)端v=V=0<1V，比較器A/輸出為高電平，A?輸出為低電平，即RD=1,TH TL 3cc 1 乙 DsD=0(1表示高電位，0表示低電位)，RS觸發(fā)器置1定時(shí)器輸出U=1此時(shí)Q=0,D0定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源V經(jīng)R，R向電容C充電，u逐漸升高。當(dāng)u上升cc1 2 c c到1V時(shí)，A輸出由0翻轉(zhuǎn)為1，這時(shí)RD=S=1，RS觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以3cc 2 DD0vtvt期間，定時(shí)器輸出u為高電平1。102__t=t時(shí)刻，u上升到TV，比較器A的輸出由1變?yōu)?,這時(shí)RD=0，S=1，TOC\o"1-5"\h\zc 3CC 1 D DRS觸發(fā)器復(fù)0,定時(shí)器輸出u=0。0t<t<t期間，Q=1，放電三極管T導(dǎo)通，電容C通過R放電。u按指數(shù)規(guī)律下1 2 2 c2__降，當(dāng)u<V時(shí)比較器A輸出由0變?yōu)?，RS觸發(fā)器的RD=S=1,Q的狀態(tài)不變,c3CC 1 DDu的狀態(tài)仍為低電平。0t=t時(shí)刻，u下降到1V，比較器A輸出由1變?yōu)?,RS觸發(fā)器的RD=1,S=c 3cc 2 D D0,觸發(fā)器處于1,定時(shí)器輸出U=1。此時(shí)電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過程。0通過上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出u=1，電容放電時(shí)，u=0，電容不00斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號(hào)輸入，卻能輸出矩形波，其實(shí)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T=T+T。T為電容充電時(shí)間，T為電容放電時(shí)間。1212充電時(shí)間T=(R+R)CIn2沁0.7(R+R)C11212放電時(shí)間T=RCIn2沁0.7RC222矩形波的振蕩周期T=T+T=ln2(R+2R)c沁0.7(R+2R)c121212因此改變R、R和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。12通過改變R和C的參數(shù)即可改變振蕩頻率。用CB555組成的多諧振蕩器最高振蕩頻率約500kHz，用CB7555組成的多諧振蕩器最高振蕩頻率也只有1MHz。因此用555定時(shí)器接成的振蕩器在頻率范圍方面有較大的局限性，高頻的多諧振蕩器仍需要使用高速門電路接成。輸出脈沖的占空比為q=T=R+R上式說明，電路輸出脈沖的占空比始終大于50%。為了得到小于或等于50%的占空比可以采用如圖10.5.8所示的改進(jìn)電路。由于接入了二極管D1和D2,電容的充電電流和放電電流流經(jīng)不同的路徑，充電電流只流經(jīng)R1,放電電流只流經(jīng)R2,因此電容C的充電時(shí)間變?yōu)門=RCln2而放電時(shí)間為T=RCIn21122故得輸出脈沖的占空比為“_氣若取R=R，則q=50%。電路的振蕩周期也相應(yīng)變q-F+T 1 212+T二(R+R)CIn2。2124?10由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖如圖4.12圖4.12第五章仿真軟件Multism10介紹Multisim軟件是迄今為止，在電路級(jí)仿真上表現(xiàn)最為出色的軟件，有了Multisim軟件就相當(dāng)于擁有了一個(gè)設(shè)備齊全的實(shí)驗(yàn)室，可以非常方便的從事電路設(shè)計(jì)、仿真、分析工作。Multisim軟件前身是是加拿大IIT公司在20世紀(jì)八十年代后期推出的電路仿真軟件EWB(ElectronicsWorkbench)，后來，EWB將原先版本中的仿真設(shè)計(jì)模塊更名為Multisim，之后又相繼推出了Multisim2001、Multisim7等各個(gè)版本。MultisimIO界面直觀，操作方便，元器件和儀器的圖形與實(shí)物外形十分接近，且儀器的操作開關(guān)、按鍵也與實(shí)物極為相似。作為Multisim仿真軟件的最新版本，MultisimIO不僅完善了以前版本的基本功能，更增加了許多新的功能，包括：更完備的元器件庫(kù)。靈活方便的電路圖輸入工具。虛擬儀器和測(cè)試功能。支持MCU(微控制器)仿真。5?具有PCB文件的轉(zhuǎn)換功能。Multisim1O有很多自身獨(dú)特的特色，他有所見即所得的設(shè)計(jì)環(huán)境；互動(dòng)式的仿真界面；動(dòng)態(tài)顯示元件；具有3D效果的仿真電路；虛擬儀表；分析功能與圖形顯示窗口等等第六章電路仿真6．1總電路圖如圖6.1圖6.16．2電路仿真結(jié)果第七章元件清單表如圖表7.1所示元件清單表序號(hào)型號(hào)類別數(shù)量（個(gè)）備注1555VIRTUAL555計(jì)時(shí)器12LM555CM13紅光LEDLED燈14綠光LED151M歐電位器滑動(dòng)變阻器164k歐電位器17EDR201A12繼電器18BSS81B三極管197404N二級(jí)管110GI812二極管2111N1202C1127448N七段顯示譯碼器41374160N計(jì)數(shù)器414SEVENSEGCOMK七段顯示器4151K歐電阻電阻216500歐電阻