路燈控制器的設(shè)計與仿真

學(xué)號:數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計路燈控制器的設(shè)計與仿真系部名稱：電氣工程系專業(yè)名稱：電氣工程及其自動化指導(dǎo)老師：史振江完畢日期：2023年12月26日

課程設(shè)計評定表姓名鄭依依學(xué)號20234124存檔號系別電氣工程系專業(yè)電氣工程及其自動化班級工1303班課程設(shè)計題目路燈控制器的設(shè)計與仿真指導(dǎo)教師評語：署名：年月日1．課程設(shè)計成績：指導(dǎo)教師署名：年月日2．答辯成績：答辯小組組長署名：年月日3．綜合成績：備注：1.“課程設(shè)計成績”一項(xiàng)由指導(dǎo)教師根據(jù)學(xué)生在設(shè)計過程的表現(xiàn)及課程設(shè)計說明書評估，滿分100分。2.“答辯成績”一項(xiàng)由指導(dǎo)老師根據(jù)答辯情況評估，滿分100分。3.“綜合成績”=“課程設(shè)計成績”*80%+“答辯成績”*20%。

摘要本設(shè)計制作的路燈控制器,它由光信號控制電路、路燈驅(qū)動電路、振蕩脈沖產(chǎn)生電路、計數(shù)譯碼電路和數(shù)碼顯示器組成。重要實(shí)現(xiàn)當(dāng)處在暗環(huán)境下（晚上）可以自動開燈，當(dāng)處在亮環(huán)境下（白天）可以自動關(guān)燈；能自動記錄“路燈”的開燈次數(shù)（用1位數(shù)碼管顯示）；能記錄“路燈”開燈時間。通過用Multisim10畫電路原理圖和用Multisim10仿真和理論分析設(shè)計出路燈模擬控制的藍(lán)本。本設(shè)計具有邏輯清楚、設(shè)計巧妙等特點(diǎn)，能很好的符合課程設(shè)計的規(guī)定。關(guān)鍵詞：數(shù)碼管譯碼器計數(shù)器

目錄TOC\o"1-3"\h\u第一章引言 5第二章設(shè)計任務(wù)及目的 5工1303數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書2 5第三章電路設(shè)計總方案及原理框圖 63．1電路設(shè)計總方案 63．2電路原理框圖 6第四章單元電路圖及設(shè)計方案 64．1開關(guān)控制電路設(shè)計總方案 64．2開關(guān)控制電路所用器件功能介紹 74．2．1555定期器 74．2．2由555定期器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器 74．3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。 84．4開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路設(shè)計總方案 94．5開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路所用器件功能介紹 104．5．1計數(shù)器 104．5．2譯碼器 104．6開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路圖 114．7啟動時間數(shù)碼顯示器設(shè)計總方案 124．8啟動時間數(shù)碼顯示器電路圖 124．9由555定期器構(gòu)成的多諧振蕩器 134．10由555定期器構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖 14第五章仿真軟件Multism10介紹 16第六章電路仿真 166．1總電路圖 166．2電路仿真結(jié)果 17如圖6.2 17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

引言在學(xué)校、機(jī)關(guān)、廠礦公司等單位的公共場合以及居民區(qū)的公共樓道，長明燈現(xiàn)象十分普遍，這導(dǎo)致了能源的極大浪費(fèi)。此外，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。運(yùn)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)光信號向電信號的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)由光控電路在白天光線較暗時和夜晚對路燈自動點(diǎn)亮，在白天光線較亮?xí)r對路燈自動關(guān)閉，從而隨光線的明暗變化實(shí)現(xiàn)對路燈啟動與關(guān)閉的自動控制。此外還可以記錄啟動時間和啟動次數(shù)，以供相關(guān)人員檢查。這樣既節(jié)約勞動力成本又節(jié)約能源。設(shè)計任務(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)計任務(wù)書2題目名稱路燈控制器的設(shè)計與仿真設(shè)計任務(wù)與規(guī)定(1)設(shè)計制作一個路燈自動照明的控制電路，當(dāng)天照光亮到一定的限度時路燈自動熄滅，而日照光亮暗到一定限度時路燈自動點(diǎn)亮。(2)設(shè)計計時電路，用數(shù)碼管顯示路燈當(dāng)前一次的連續(xù)啟動時間。(3)設(shè)計計數(shù)顯示電路，記錄路燈的啟動次數(shù)。使用的工具軟件Multisim電路仿真軟件提交的設(shè)計資料1．重要電路和元器件的分析論證；2．Multisim仿真電路圖電路設(shè)計總方案及原理框圖3．1電路設(shè)計總方案本系統(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、啟動時間數(shù)碼顯示器三部分組成。。本設(shè)計要用日照光的亮度來控制燈的啟動和關(guān)斷，一方面必須檢測出日照光的亮度。本設(shè)計通過滑動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，CLK接受到一個脈沖，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。將路燈啟動的啟動脈沖信號作計時起點(diǎn)，控制計數(shù)器對標(biāo)準(zhǔn)時基信號作計數(shù)，則從而計算出路燈的啟動時間。3．2電路原理框圖電路原理框圖如圖3.1所示光電變換光電變換信號鑒幅驅(qū)動電路路燈計數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示啟動次數(shù)計數(shù)器譯碼器數(shù)碼顯示啟動時間振蕩電路圖3.1路燈控制器原理框圖模擬光照單元電路圖及設(shè)計方案4．1開關(guān)控制電路設(shè)計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定期器構(gòu)成的觸發(fā)器分別處在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定期器圖4.1555管腳圖555定期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，合用范圍很廣，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定期被廣泛應(yīng)用于脈沖波形的產(chǎn)生與變換、測量與控制等方面。圖4.1555管腳圖如圖4．1為555定期器的管腳圖4．2．2由555定期器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器圖4.3圖4.2如圖4.2，只要將555定期器的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(fù)向閾值電壓分別為和。圖4.3是555定期器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的工作波。圖4.3圖4.24．3開關(guān)控制電路電路圖圖4.4如圖4.4所示為路燈開關(guān)控制電路。圖4.4天黑后，能自動啟動路燈進(jìn)行照明（如圖4.5）；天變亮?xí)r，又可自動停止工作（如圖4.6）。線路簡樸，不需太多調(diào)試。圖4.5圖4.5如圖4.9天亮?xí)r，即光敏電阻有光照射時，其內(nèi)阻變小調(diào)節(jié)滑動變阻器到小阻值。使三極管導(dǎo)通，由555構(gòu)成的觸發(fā)器輸入端處在低電位，輸出高電位，繼電器不工作，紅色LED顯示燈亮，相稱于光照強(qiáng)度大時，開關(guān)電路處在斷開狀態(tài)，路燈不亮。圖4.64．4開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路設(shè)計總方案圖4.6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，CLK接受到一個脈沖，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計數(shù)器計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中能累計輸入脈沖個數(shù)的數(shù)字電路，它將輸入脈沖構(gòu)成計數(shù)器的輸入CP脈沖，計數(shù)器就是要記錄這個脈沖系列的個數(shù)。本設(shè)計采用74160N同步十進(jìn)制計數(shù)器。74160N有異步清零的作用，在計數(shù)功能中，所以有不管它的輸出處在那一狀態(tài)，只要在異步清零輸入端加一低電平電壓，是清零端為0，芯片就會立即從任何狀態(tài)回到0000狀態(tài)。自第一級的進(jìn)位端RCO向下一級的信號輸入端CP發(fā)出信號，使下一級的芯片可以計數(shù)啟動。將計數(shù)使能端CET和CEP接入高電平，當(dāng)置數(shù)端LOAD和清零端CLR都輸入高電平的時侯出于計數(shù)狀態(tài)，在與非門的另一端與下一級相連，就可以達(dá)成清零進(jìn)位的作用。74160N是常用的十進(jìn)制計數(shù)器，異步清零端LOAD，當(dāng)它為低電平時，無論其它輸入端何狀態(tài)（涉及時鐘信號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圖4.7表4.1表4.1進(jìn)位信號RCO，只有當(dāng)CET=1且--=1111時，RCO才為1；當(dāng)清零信號為0時，各觸發(fā)器置0，當(dāng)清零信號為1時，若預(yù)置為0，在下一個時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，則電路處在計數(shù)狀態(tài)。直到使能端為0時，技術(shù)狀態(tài)結(jié)束。此后處在嚴(yán)禁計數(shù)的保持狀態(tài)。進(jìn)位信號只有在=1001且CET=1時輸出為1，其余時間均為0.4．5．2譯碼器譯碼器是一個多輸入、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)分派，存貯器尋址和組合控制信號等。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接受四位二進(jìn)制碼，輸出a～g為高電平有效，可直接驅(qū)動共陰極顯示器，三個輔助控制端，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4.87748引腳圖從功能表可以看出，對輸入代碼0000，譯碼條件是：燈測試輸入和動態(tài)滅零輸入圖4.87748引腳圖時等于1，而對其他輸入代碼則僅規(guī)定=1，這時候，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規(guī)定。表4.2表4.24．6開關(guān)次數(shù)記錄顯示電路圖圖4.9如圖4．圖4.94．7啟動時間數(shù)碼顯示器設(shè)計總方案該電路通過一個產(chǎn)生固定頻率脈沖的信號發(fā)生器，相稱于一個時鐘信號，與計數(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，通過反相器控制計數(shù)器的使能端，計數(shù)器工作。通過開關(guān)控制電路控制計數(shù)的工作開始與結(jié)束，兩者結(jié)合，就實(shí)現(xiàn)了計數(shù)與計時的轉(zhuǎn)換，本裝置中根據(jù)實(shí)際情況，選擇最小計數(shù)單位為分?？赏ㄟ^改變信號發(fā)生器產(chǎn)生信號的頻率方便的改變計時單位。4．8啟動時間數(shù)碼顯示器電路圖圖4.10圖4.104．9由555定期器構(gòu)成的多諧振蕩器由555定期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，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表達(dá)高電位，0表達(dá)低電位），RS觸發(fā)器置1，定期器輸出此時，定期器內(nèi)部放電三極管截止，電源經(jīng)，向電容Ｃ充電，逐漸升高。當(dāng)上升屆時，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，定期器輸出為高電平1。圖4.11圖4.12時刻，上升到，比較器的輸出由1變?yōu)?，這時，，RS觸發(fā)器復(fù)0，定期器輸出。期間，，放電三極管Ｔ導(dǎo)通，電容Ｃ通過放電。按指數(shù)規(guī)律下降，當(dāng)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)器處在1，定期器輸出。此時電源再次向電容C放電，反復(fù)上述過程。通過上述分析可知，電容充電時，定期器輸出，電容放電時，0，電容不斷地進(jìn)行充、放電，輸出端便獲得矩形波。多諧振蕩器無外部信號輸入，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。為電容充電時間，為電容放電時間。充電時間放電時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定期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所示的改善電路。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)不同的途徑，充電電流只流經(jīng)R1，放電電流只流經(jīng)R2，因此電容C的充電時間變?yōu)槎烹姇r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。4．10由555定期器構(gòu)成的多諧振蕩器電路圖圖4.12圖4.12

仿真軟件Multism10介紹Multisim軟件是迄今為止，在電路級仿真上表現(xiàn)最為杰出的軟件，有了Multisim軟件，就相稱于擁有了一個設(shè)備齊全的實(shí)驗(yàn)室，可以非常方便的從事電路設(shè)計、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)計模塊更名為Multisim,之后又相繼推出了Multisim2023、Multisim7等各個版本。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，更增長了許多新的功能，涉及：1.更完備的元器件庫。2.靈活方便的電路圖輸入工具。3.虛擬儀器和測試功能。4.支持MCU（微控制器）仿真。5.具有PCB文獻(xiàn)的轉(zhuǎn)換功能。Multisim10有很多自身獨(dú)特的特色，他有所見即所得的設(shè)計環(huán)境；互動式的仿真界面；動態(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電路仿真6．1總電路圖如圖6.1圖圖6.16．2電路仿真結(jié)果圖6.2如圖6.2圖6.2元件清單表如圖表7.1所示元件清單表序號型號類別數(shù)量（個）備注1555VIRTUAL555計時器12LM555CM13紅光LEDLED燈14綠光LED151M歐電位器滑動變阻器164k歐電位器17EDR201A12繼電器18BSS81B三極管197404N二級管110GI812二極管2111N1202C1127448N七段顯示譯碼器41374160N計數(shù)器414SEVENSEGCOMK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1231μf電容電容12410nf電容1表表7.1總結(jié)為期一周的課程設(shè)計就快結(jié)束了，回首設(shè)計的整個過程，仍感到有些許緊張，但更多的是充實(shí)。從接受到設(shè)計任務(wù)的那