路燈控制器的設(shè)計(jì)與仿真

1、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(chēng)： 電 氣 工 程 系 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：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)20134124存檔號(hào)系別電氣工程系專(zhuān)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(yǔ)：簽名： 年 月 日 1課程設(shè)計(jì)成績(jī)：指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日2答辯成績(jī)：答辯小組組長(zhǎng)簽名：年 月 日3綜合成績(jī)：備注：1.“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(guò)程的表現(xiàn)及課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)評(píng)定，滿(mǎn)分100分。2.“答辯成績(jī)”一項(xiàng)由指導(dǎo)老師根據(jù)答辯情況評(píng)定，滿(mǎn)分10

2、0分。3.“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(kāi)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(kāi)燈次數(shù)（用1位數(shù)碼管顯示）；能記錄“路燈”開(kāi)燈時(shí)間。通過(guò)用Multisim10畫(huà)電路原理圖和用Multisim10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 目錄第一章 引言5第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)及目的5工1303數(shù)字電子技

3、術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)25第三章 電路設(shè)計(jì)總方案及原理框圖631電路設(shè)計(jì)總方案632電路原理框圖6第四章 單元電路圖及設(shè)計(jì)方案641開(kāi)關(guān)控制電路設(shè)計(jì)總方案642開(kāi)關(guān)控制電路所用器件功能介紹7421 555定時(shí)器7422 由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器743開(kāi)關(guān)控制電路電路圖8如圖4.4所示為路燈開(kāi)關(guān)控制電路。844開(kāi)關(guān)次數(shù)記錄顯示電路設(shè)計(jì)總方案945開(kāi)關(guān)次數(shù)記錄顯示電路所用器件功能介紹10451 計(jì)數(shù)器10452譯碼器1046開(kāi)關(guān)次數(shù)記錄顯示電路圖1147開(kāi)啟時(shí)間數(shù)碼顯示器設(shè)計(jì)總方案1248開(kāi)啟時(shí)間數(shù)碼顯示器電路圖1249 由 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器13410 由 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩

4、器電路圖14第五章 仿真軟件Multism10介紹16第六章 電路仿真1661總電路圖1662電路仿真結(jié)果17如圖6.217第七章 元件清單表18第八章 總結(jié)19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(kāi)關(guān)或者人為因素，墻壁開(kāi)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(wèn)題。光控路燈控制器是由感光元件光敏三極管來(lái)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(xiàn)較暗時(shí)和夜晚對(duì)路燈自動(dòng)點(diǎn)亮，在白天光線(xiàn)較亮?xí)r對(duì)路燈自動(dòng)關(guān)閉，從而隨光線(xiàn)的明暗變化實(shí)現(xiàn)對(duì)路

5、燈開(kāi)啟與關(guān)閉的自動(dòng)控制。另外還可以記錄開(kāi)啟時(shí)間和開(kāi)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(shū)2題目名稱(chēng)路燈控制器的設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)任務(wù)與要求(1)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。(2)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(kāi)啟時(shí)間。(3)設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)顯示電路，統(tǒng)計(jì)路燈的開(kāi)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1主要電路和元器件的分析論證；2Multisim仿真電路圖第三章 電路設(shè)計(jì)總方案及原理框圖31電

6、路設(shè)計(jì)總方案本系統(tǒng)電路共分為開(kāi)關(guān)控制電路、開(kāi)關(guān)次數(shù)記錄顯示電路、開(kāi)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(lái)控制燈的開(kāi)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(guò)滑動(dòng)變阻器改變阻值來(lái)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(guò)74160的脈沖輸入端CLK和開(kāi)關(guān)電路相連，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合一次時(shí)，CLK接收到一個(gè)脈沖，器輸出端通過(guò)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(kāi)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(kāi)啟時(shí)間。32電路原理框圖電路原理框圖如圖3.1所示光電變換信號(hào)鑒幅驅(qū)動(dòng)電路路燈計(jì)數(shù)器譯碼器

7、數(shù)碼顯示開(kāi)啟次數(shù)計(jì)數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示開(kāi)啟時(shí)間振蕩電路圖3.1 路燈控制器原理框圖模擬光照 第四章 單元電路圖及設(shè)計(jì)方案41開(kāi)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(guò)控制開(kāi)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(lái)控制繼電器，從而控制路燈。42開(kāi)關(guān)控制電路所用器件功能介紹421 555定時(shí)器圖4.1 555管腳圖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

8、1為555定時(shí)器的管腳圖 422 由555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器圖4.3圖4.2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)向閾值電壓分別為和。圖4.3是555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的工作波。43開(kāi)關(guān)控制電路電路圖圖4.4如圖4.4所示為路燈開(kāi)關(guān)控制電路。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(xiàn)路簡(jiǎn)單，不需太多調(diào)試。圖4.5如圖4.8黑天時(shí)，即無(wú)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(wú)法導(dǎo)通，觸發(fā)器輸入端處于高電位，輸

9、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(kāi)關(guān)電路處于閉合狀態(tài)，路燈開(kāi)始照明。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(kāi)關(guān)電路處于斷開(kāi)狀態(tài)，路燈不亮。圖4.644開(kāi)關(guān)次數(shù)記錄顯示電路設(shè)計(jì)總方案該電路通過(guò)74160的脈沖輸入端CLK和開(kāi)關(guān)電路相連，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合一次時(shí)，CLK接收到一個(gè)脈沖，器輸出端通過(guò)譯碼器7448和七段顯示器相連，實(shí)現(xiàn)顯示技術(shù)功能。45開(kāi)關(guān)次數(shù)記錄顯示電路所用器件功能介紹451 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中能累計(jì)輸

10、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(mén)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

11、為低電平時(shí)，無(wú)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接入高電圖4.7平是才起作用。圖4.7為74160N的引腳圖。表4.1為74160N功能表。表4.1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(lái)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. 452譯碼器

12、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(lèi)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(lái)。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ag為高電平有效，可直接驅(qū)動(dòng)共陰極顯示器，三個(gè)

13、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。圖4.8 7748引腳圖從功能表可以看出，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ag輸出的電平是由輸入代碼決定的，并且滿(mǎn)足顯示字形的要求。表4.246開(kāi)關(guān)次數(shù)記錄顯示電路圖圖4.9如圖4947開(kāi)啟時(shí)間數(shù)碼顯示器設(shè)計(jì)總方案該電路通過(guò)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(guò)反相器控制計(jì)數(shù)器的使能端，計(jì)數(shù)器工作。通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電路控制計(jì)數(shù)的工作開(kāi)始與結(jié)束，兩者結(jié)合，就實(shí)現(xiàn)

14、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?？赏ㄟ^(guò)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。48開(kāi)啟時(shí)間數(shù)碼顯示器電路圖圖4.10如圖4.1049 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R1、R2和電容C為外接元件。其工作波如圖4.12所示。圖4.11圖4.12設(shè)電容的初始電壓0，t0時(shí)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1輸出為高電平，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(shí)器輸出此時(shí)，定時(shí)器內(nèi)部放電三極管截止，電源經(jīng)，向電容充電，逐漸升高。當(dāng)上升到時(shí)，輸出由0翻

15、轉(zhuǎn)為1，這時(shí)，RS觸發(fā)順保持狀態(tài)不變。所以0<t<期間，定時(shí)器輸出為高電平1。時(shí)刻，上升到，比較器的輸出由1變?yōu)?，這時(shí)，RS觸發(fā)器復(fù)0，定時(shí)器輸出。期間，放電三極管導(dǎo)通，電容通過(guò)放電。按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)時(shí)比較器輸出由0變?yōu)?，RS觸發(fā)器的，的狀態(tài)不變，的狀態(tài)仍為低電平。時(shí)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(shí)器輸出。此時(shí)電源再次向電容C放電，重復(fù)上述過(guò)程。通過(guò)上述分析可知，電容充電時(shí)，定時(shí)器輸出，電容放電時(shí)，0，電容不斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無(wú)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

16、（D）可知，振蕩周期。為電容充電時(shí)間，為電容放電時(shí)間。充電時(shí)間 放電時(shí)間 矩形波的振蕩周期因此改變、和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。 通過(guò)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(mén)電路接成。輸出脈沖的占空比為 上式說(shuō)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

17、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)槎烹姇r(shí)間為故得輸出脈沖的占空比為 若取，則q=50%。電路的振蕩周期也相應(yīng)變成 。410 由 555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖圖4.12如圖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（Electronics Workbench），后來(lái)，EWB將原先版本中的仿真

18、設(shè)計(jì)模塊更名為Multisim,之后又相繼推出了Multisim2001、Multisim 7等各個(gè)版本。Multisim10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(kāi)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，Multisim10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：1.更完備的元器件庫(kù)。2.靈活方便的電路圖輸入工具。3.虛擬儀器和測(cè)試功能。4.支持MCU（微控制器）仿真。5.具有PCB文件的轉(zhuǎn)換功能。Multisim10有很多自身獨(dú)特的特色，他有所見(jiàn)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

19、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61總電路圖如圖6.1圖6.162電路仿真結(jié)果圖6.2如圖6.2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(lèi)別數(shù)量（個(gè)）備注1555 VIRTUAL555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414SEVEN SEG COM K七段顯示器4151K歐電阻電阻216500歐電阻1171.65K歐電阻1185K歐電阻219220V燈泡燈泡1206V直流電源直流電源1214V直流電源12210V直流電源1231f電容電容12410nf電容1表7.1第八章 總結(jié)為期一周的課程設(shè)計(jì)就快結(jié)束了，回首設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程，仍感到有些許緊張，但更多的是充實(shí)。從接受到設(shè)計(jì)任務(wù)的那一刻起，我就開(kāi)始忙起來(lái)了。整天沉浸在思索中，大部分時(shí)間都泡在圖書(shū)館和網(wǎng)上查資料。我查看了大量資料，通過(guò)仔細(xì)的研究和反復(fù)演算，終于完成了我的設(shè)計(jì)，在這次設(shè)計(jì)中，我又學(xué)到了