路灯控制器的设计与仿真.docx

学号:数字电子技术课程设计路灯控制器的设计与仿真系部名称： 电 气 工 程 系 专业名称：电气工程及其自动化指导老师： 史 振 江完成日期 ：2014年12月26日 课 程 设 计 评 定 表姓名郑依依学号20134124存档号系别电气工程系专业电气工程及其自动化班 级工1303班课程设计题目路灯控制器的设计与仿真指导教师评语：签名： 年 月 日 1课程设计成绩：指导教师签名： 年 月 日2答辩成绩：答辩小组组长签名：年 月 日3综合成绩：备注：1.“课程设计成绩”一项由指导教师根据学生在设计过程的表现及课程设计说明书评定，满分100分。2.“答辩成绩”一项由指导老师根据答辩情况评定，满分100分。3.“综合成绩”=“课程设计成绩”*80%+“答辩成绩”*20%。摘 要本设计制作的路灯控制器, 它由光信号控制电路、路灯驱动电路、振荡脉冲产生电路、计数译码电路和数码显示器组成。主要实现当处于暗环境下（晚上）能够自动开灯，当处于亮环境下（白天）能够自动关灯；能自动记录“路灯”的开灯次数（用1位数码管显示）；能记录“路灯”开灯时间。通过用Multisim10画电路原理图和用Multisim10仿真和理论分析设计出路灯模拟控制的蓝本。本设计具有逻辑清晰、设计巧妙等特点，能很好的符合课程设计的要求。关键词：数码管 译码器 计数器 目录第一章 引言5第二章 设计任务及目的5工1303数字电子技术课程设计任务书25第三章 电路设计总方案及原理框图631电路设计总方案632电路原理框图6第四章 单元电路图及设计方案641开关控制电路设计总方案642开关控制电路所用器件功能介绍7421 555定时器7422 由555定时器构成的施密特触发器743开关控制电路电路图8如图4.4所示为路灯开关控制电路。844开关次数记录显示电路设计总方案945开关次数记录显示电路所用器件功能介绍10451 计数器10452译码器1046开关次数记录显示电路图1147开启时间数码显示器设计总方案1248开启时间数码显示器电路图1249 由 555定时器构成的多谐振荡器13410 由 555定时器构成的多谐振荡器电路图14第五章 仿真软件Multism10介绍16第六章 电路仿真1661总电路图1662电路仿真结果17如图6.217第七章 元件清单表18第八章 总结19第九章 参考文献19第一章 引言在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。另外，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。利用光控路灯控制器可以有效的解决这些问题。光控路灯控制器是由感光元件光敏三极管来实现光信号向电信号的转换，进而实现由光控电路在白天光线较暗时和夜晚对路灯自动点亮，在白天光线较亮时对路灯自动关闭，从而随光线的明暗变化实现对路灯开启与关闭的自动控制。另外还可以记录开启时间和开启次数，以供相关人员检查。这样既节约劳动力成本又节约能源。第二章 设计任务及目的石家庄铁道大学工1303数字电子技术课程设计任务书2题目名称路灯控制器的设计与仿真设计任务与要求(1)设计制作一个路灯自动照明的控制电路，当日照光亮到一定的程度时路灯自动熄灭，而日照光亮暗到一定程度时路灯自动点亮。(2)设计计时电路，用数码管显示路灯当前一次的连续开启时间。(3)设计计数显示电路，统计路灯的开启次数。使用的工具软件Multisim电路仿真软件提交的设计资料1主要电路和元器件的分析论证；2Multisim仿真电路图第三章 电路设计总方案及原理框图31电路设计总方案本系统电路共分为开关控制电路、开关次数记录显示电路、开启时间数码显示器三部分组成。本设计要用日照光的亮度来控制灯的开启和关断，首先必须检测出日照光的亮度。本设计通过滑动变阻器改变阻值来代替照光照度而引起的光敏电阻的阻值变化。并用继电器以实现对电路的启和停控制。通过74160的脉冲输入端CLK和开关电路相连，当开关闭合一次时，CLK接收到一个脉冲，器输出端通过译码器7448和七段显示器相连，实现显示技术功能。将路灯开启的启动脉冲信号作计时起点，控制计数器对标准时基信号作计数，则从而计算出路灯的开启时间。32电路原理框图电路原理框图如图3.1所示光电变换信号鉴幅驱动电路路灯计数器译码器数码显示开启次数计数器译码器数码显示开启时间振荡电路图3.1 路灯控制器原理框图模拟光照 第四章 单元电路图及设计方案41开关控制电路设计总方案采用电位器模拟光照的方法，通过控制开关让由555定时器构成的触发器分别处于高电位或者低电位来控制继电器，从而控制路灯。42开关控制电路所用器件功能介绍421 555定时器图4.1 555管脚图555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。如图41为555定时器的管脚图 422 由555定时器构成的施密特触发器图4.3图4.2如图4.2，只要将555定时器的2号脚和6号脚接在一起，就可以构成施密特触发器。这个施密特触发器的电压传输特性是反相的。5号脚悬空时，正向阈值电压和负向阈值电压分别为和。图4.3是555定时器构成的施密特触发器的工作波。43开关控制电路电路图图4.4如图4.4所示为路灯开关控制电路。天黑后，能自动启动路灯进行照明（如图4.5）；天变亮时，又可自动停止工作（如图4.6）。线路简单，不需太多调试。图4.5如图4.8黑天时，即无光照射时，光敏电阻阻值很大,调节电位器到大阻值。使三极管无法导通，触发器输入端处于高电位，输出低电位，继电器工作，绿色LED显示灯亮，相当于光照强度小时，开关电路处于闭合状态，路灯开始照明。如图4.9天亮时，即光敏电阻有光照射时，其内阻变小调节滑动变阻器到小阻值。使三极管导通，由555构成的触发器输入端处于低电位，输出高电位，继电器不工作，红色LED显示灯亮，相当于光照强度大时，开关电路处于断开状态，路灯不亮。图4.644开关次数记录显示电路设计总方案该电路通过74160的脉冲输入端CLK和开关电路相连，当开关闭合一次时，CLK接收到一个脉冲，器输出端通过译码器7448和七段显示器相连，实现显示技术功能。45开关次数记录显示电路所用器件功能介绍451 计数器计数器是数字系统中能累计输入脉冲个数的数字电路，它将输入脉冲构成计数器的输入CP脉冲，计数器就是要统计这个脉冲系列的个数。本设计采用74160N同步十进制计数器。74160N有异步清零的作用，在计数功能中，所以有不管它的输出处于那一状态，只要在异步清零输入端加一低电平电压，是清零端为0，芯片就会立即从任何状态回到0000状态。自第一级的进位端RCO向下一级的信号输入端CP发出信号，使下一级的芯片能够计数启动。将计数使能端CET和CEP接入高电平，当置数端LOAD和清零端CLR都输入高电平的时侯出于计数状态，在与非门的另一端与下一级相连，就可以达到清零进位的作用。74160N是常用的十进制计数器，异步清零端LOAD，当它为低电平时，无论其它输入端何状态（包括时钟信号CLK），都使片内所有的触发器状态置零，只有在LOAD接入高电图4.7平是才起作用。图4.7为74160N的引脚图。表4.1为74160N功能表。表4.1进位信号RCO，只有当CET=1且- =1111时，RCO才为1；当清零信号为0时，各触发器置0，当清零信号为1时，若预置为0，在下一个时钟脉冲上升沿到来后，各触发器的输出状态与预置的输入数据相同。在清零和预置都为1的条件下，若使能端为1，则电路处于计数状态。直到使能端为0时，技术状态结束。此后处于禁止计数的保持状态。进位信号只有在 =1001且CET=1时输出为1，其余时间均为0. 452译码器译码器是一个多输入、多输出的组合逻辑电路。它的作用是把给定的代码进行“翻译”，变成相应的状态，使输出通道中相应的一路有信号输出。译码器在数字系统中有广泛的用途，不仅用于代码的转换、终端的数字显示，还用于数据分配，存贮器寻址和组合控制信号等。不同的功能可选用不同种类的译码器。本电路选择7448七段显示译码器。配合七段显示器使用实现直观的数字显示功能。数字显示译码器是驱动显示器的核心部件，它可以将输入代码转换成相应的数字显示代码，并在数码管上显示出来。图4.8所示为七段显示译码器7448的引脚图，输入A3 、A2 、 A1和 A0接收四位二进制码，输出ag为高电平有效，可直接驱动共阴极显示器，三个辅助控制端 ，以增强器件的功能，扩大器件应用。7448的真值表如表4.2所示。图4.8 7748引脚图从功能表可以看出，对输入代码0000，译码条件是：灯测试输入 和动态灭零输入 同时等于1，而对其他输入代码则仅要求 =1，这时候，译码器各段ag输出的电平是由输入代码决定的，并且满足显示字形的要求。表4.246开关次数记录显示电路图图4.9如图4947开启时间数码显示器设计总方案该电路通过一个产生固定频率脉冲的信号发生器，相当于一个时钟信号，与计数显示装置相连，当灯亮时，施密特触发器输出低电平，经过反相器控制计数器的使能端，计数器工作。通过开关控制电路控制计数的工作开始与结束，两者结合，就实现了计数与计时的转换，本装置中根据实际情况，选择最小计数单位为分。可通过改变信号发生器产生信号的频率方便的改变计时单位。48开启时间数码显示器电路图图4.10如图4.1049 由 555定时器构成的多谐振荡器由555定时器组成的多谐振荡器图4.11所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图4.12所示。图4.11图4.12设电容的初始电压0，t0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端0，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），RS触发器置1，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容充电，逐渐升高。当上升到时，输出由0翻转为1，这时，RS触发顺保持状态不变。所以0t期间，定时器输出为高电平1。时刻，上升到，比较器的输出由1变为0，这时，RS触发器复0，定时器输出。期间，放电三极管导通，电容通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由0变为0，RS触发器的，的状态不变，的状态仍为低电平。时刻，下降到，比较器输出由1变为0，RS触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。此时电源再次向电容C放电，重复上述过程。通过上述分析可知，电容充电时，定时器输出，电容放电时，0，电容不断地进行充、放电，输出端便获得矩形波。多谐振荡器无外部信号输入，却能输出矩形波，其实质是将直流形式的电能变为矩形波形式的电能。由图（D）可知，振荡周期。为电容充电时间，为电容放电时间。充电时间 放电时间 矩形波的振荡周期因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。 通过改变R和C的参数即可改变振荡频率。用CB555组成的多谐振荡器最高振荡频率约500kHz，用CB7555组成的多谐振荡器最高振荡频率也只有1MHz。因此用555定时器接成的振荡器在频率范围方面有较大的局限性，高频的多谐振荡器仍需要使用高速门电路接成。输出脉冲的占空比为 上式说明，电路输出脉冲的占空比始终大于50%。为了得到小于或等于50%的占空比，可以采用如图10.5.8所示的改进电路。由于接入了二极管D1和D2，电容的充电电流和放电电流流经不同的路径，充电电流只流经R1，放电电流只流经R2，因此电容C的充电时间变为而放电时间为故得输出脉冲的占空比为 若取，则q=50%。电路的振荡周期也相应变成 。410 由 555定时器构成的多谐振荡器电路图图4.12如图4.12第五章 仿真软件Multism10介绍Multisim软件是迄今为止，在电路级仿真上表现最为出色的软件，有了Multisim软件，就相当于拥有了一个设备齐全的实验室，可以非常方便的从事电路设计、仿真、分析工作。Multisim软件前身是是加拿大IIT公司在20世纪八十年代后期推出的电路仿真软件EWB（Electronics Workbench），后来，EWB将原先版本中的仿真设计模块更名为Multisim,之后又相继推出了Multisim2001、Multisim 7等各个版本。Multisim10界面直观，操作方便，元器件和仪器的图形与实物外形十分接近，且仪器的操作开关、按键也与实物极为相似。作为Multisim仿真软件的最新版本，Multisim10不仅完善了以前版本的基本功能，更增加了许多新的功能，包括：1.更完备的元器件库。2.灵活方便的电路图输入工具。3.虚拟仪器和测试功能。4.支持MCU（微控制器）仿真。5.具有PCB文件的转换功能。Multisim10有很多自身独特的特色，他有所见即所得的设计环境；互动式的仿真界面；动态显示元件；具有3D效果的仿真电路；虚拟仪表；分析功能与图形显示窗口等等第六章 电路仿真61总电路图如图6.1图6.162电路仿真结果图6.2如图6.2第七章 元件清单表如图表7.1所示元件清单表序号型号类别数量（个）备注1555 VIRTUAL555计时器12LM555CM13红光LEDLED灯14绿光LED151M欧电位器滑动变阻器164k欧电位器17EDR201A12继电器18BSS81B三极管197404N二级管110GI812二极管2111N1202C1127448N七段显示译码器41374160N计数器414SEVEN SEG COM K七段显示器4151K欧电阻电阻216500欧电阻1171.65K欧电阻1185K欧电阻219220V灯泡灯泡1206V直流电源直流电源1214V直流电源12210V直流电源1231f电容电容12410nf电容1表7.1第八章 总结为期一周的课程设计就快结束了，回首设计的整个过程，仍感到有些许紧张，但更多的是充实。从接受到设计任务的那一刻起，我就开始忙起来了。整天沉浸在思索中，大部分时间都泡在图书馆和网上查资料。我查看了大量资料，通过仔细的研究和反复演算，终于完成了我的设计，在这次设计中，我又学到了许多知识，让我了解到了路灯的工作原理，从中又学到了许多器件的有关知识。本制作采用数字集成电路及少数外围元器件，综合了光控路灯和使用次数、时间的计数。白天光照强的时候路灯不亮，当光照弱到一定程度（这个程度可以由用户自己调节）时，路灯开始照明，并且该路灯电路还能输出一个电平控制计数器和计时器工作。通过这次设计，我们发现其主要是用到了数字电子技术里的计数器的知识，同时还包括对七段译码器和七段数码显示管的运用。该电路的主要部分为驱动电路，它既是开启关断路灯的关键，也是起到提供计数器信号的作用，使计数器能够按照设计要求工作。路灯控制器是非常实用的电路，设计过程中要求结合实际，达到实用的目的。我深深的感觉到了只有付出才会有收获，同时需要严谨的学习态度，才能有所收获。第九章 参考文献（1）毕满清，电子课程设计实验与课程设计,机械工业出版社,2006（2）阎石主编,数字电子技术基础M,北京,高等教育出版社,2001 （3）陈明义主编,电子技术课程设计实用教程M广东中南大学出版社2002 （4）张玉璞，李庆常主编电子技术课程设计M北京北京理工大学出版社1994 （5）李银华，王新全，汪泳电子线路设计指导M北京北京航空航天大学出版社2005.6 （6）陈振官，陈宏威光电子电路及制作实例M北京北京国防工业出版社2006.1 19 / 19