电子技术 路灯控制器.doc

专业：电气自动化技术学号：学号： Hebei Normal University of Science & Technology 电子技术课程设计题 目： 路灯控制器设计与制作 院（系、部）： 机电工程学院 学 生 姓 名： 指 导 教 师： 2015年1月6日至2015年1月13日路灯控制器设计与制作 目录摘要 2关键词 2引言 21、方案原理 22、元器件原理介绍22.1555定时器 22.1.1555定时器构成的多谐振荡器 32.1.2555定时器构成的施密特触发器32.2光敏电阻 42.3半导体数码管 52.4译码器CD4511 52.5计数器74LS39073、电路的设计与分析 73.1电路设计的框图 73.2电路的设计与分析 7321光敏电阻与555定时器构成的控制电路7322多谐震荡电路的设计与分析 8323译码显示电路的设计与分析 9324计时电路的设计与分析 9325计数电路的设计与分析 104、电路的调试与分析 114.1R5值的确定 114.2计时器的清零 115、设计总结 126、 附录 12参考文献 12路灯控制器设计与制作摘要：本文主要介绍模拟电路与现场可编程逻辑器件FPGA组合完成路灯控制器设计与制作的思路和具体方法，还简要介绍路灯控制器当前的发展现状、功能及其应用场合，附带介绍路灯控制器设计与制作的其它两种方案即模拟电路与数字电路组合、模拟电路与单片机组合。但本文侧重于介绍各单元电路的设计和各程序模块的编写以及设计中所使用到的特殊器件的介绍和使用方法。其中程序编辑编译和波形仿真是借助Quartos软件完成，单元电路仿真用Multisim7仿真软件完成，本次设计采用模拟电路与现场可编程逻辑器件FPGA组合具有简化整体设计，提高整体电路的稳定性和可靠性，易实现设计要求等优点，缺点是购买开发板的成本较高。关键词：模拟电路光敏电阻计数器数码管FPGAQuartos路灯控制器Abstract:street light controllerdesign and production Street light controller design with ideas and specific method of marking paper describes the analog circuit and field-programmable logic device FPGA combination is completed, also outlined the current development status lights controller, functions and applications, with street light controller design and two other programs that produced a combination of analog circuits and digital circuits ,analog circuits in combination with the microcontroller. But this article focuses on the introduction and use of presentation of each unit circuit design and various program modules and designs used in the preparation of the special device.Where the program to compile and edit the waveform simulation is through Quartos software is complete, the unit circuit simulation using Multisim7 simulation software to complete this design analog circuits and field-programmable logic device FPGA combination with a simplified overall design and improve the stability and reliability of the overall circuit easy to achieve the design requirements, etc., the disadvantage is the higher cost of purchasing the development board.Keyword: analogous circuit dependent resistors Nixie light FPGA QuartosStreet Light Controller引言： 本设计主要是通过光敏电阻通过对外界的光线的强弱的感应来控制555的高低电平输出，从而控制路灯的开或关。为了使计时与计数电路同步启动，555的输出接计时电路的使能端，计数电路的脉冲端。脉冲的产生是用555接成一个频率为1HZ的多谐振荡器，用CD4511驱动共阴极的七段数码管做显示电路。1、方案原理 当光照减弱时，光敏电阻阻值增大，555定时器的2、6端口出现低电平，当它到达一定值时，3口出现高电平，且大于2/3VCC，路灯亮。反之，当光照增强到一定时，光敏电阻阻值减小，3口出现低电平，小于1/3VCC，路灯熄灭。为了避免外部干扰所带来的错误反应（例如来往的车灯给光敏电阻带来的短暂激励），我们利用电容充电带来的时间延迟来解决问题。经以上论证，方案可行。2、元器件原理介绍2.1555定时器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。如图一：图一 555管脚图2.1.1555定时器构成的多谐振荡器由555定时器组成的多谐振荡器如图二(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图二(D)所示。图二设电容的初始电压Uc0，t0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端THVTLV01/3Vcc，比较器1输出为高电平，输出为低电平，即RD=1，SD =0（1表示高电位，0表示低电位），RS触发器置1，定时器输出u0=1=此时Q=0=，定时器内部放电三极管截止，电源Vcc经R1，R2向电容充电，uc逐渐升高。当uc上升到1/3Vcc时，A2输出由0翻转为1，这时RD=SD=1，RS触发顺保持状态不变。所以0tt1期间，定时器输出u0为高电平1。t =t1时刻， uc上升到2/3Vcc，比较器A1的输出由1变为0，这时RD=0=，SD=1=，RS触发器复0，定时器输出u0=0。t1tt2期间，Q=1=，放电三极管导通，电容通过R2放电。uc按指数规律下降，当uc2/3Vcc时比较器A1输出由0变为0，RS触发器的RD=SD=1=，的状态不变，u0的状态仍为低电平。t=t2时刻，uc下降到1/3Vcc，比较器A2输出由1变为0，RS触发器的RD=1，SD=0，触发器处于1，定时器输出u0=1=。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u0=1，电容放电时，u0=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。由图二（D）可知，振荡周期T=T1+T2。T1为电容充电时间， T2为电容放电时间。充电时间T1=(R1+R2)Cln20.7(R1+R2)C=+放电时间T2=R2Cln20.7R2C矩形波的振荡周期T=T1+T2=ln2（R1+2R2）C0.7(R1+2R2)C=+因此改变R1、R2和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。2.1.2555定时器构成的施密特触发器只要将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如图三。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2/3Vcc和1/3Vcc。施密特工作波形图如图四。 图三 555定时器构成的施密特触发器图四 施密特触发器的工作波形2.2光敏电阻光敏电阻器（photo resistance）又叫光感电阻（如图五），是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。图五2.3半导体数码管 数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就会被点亮。该设计中选用的是七段数码管如下图六所示，为共阴极的，用CD4511译码驱动器进行驱动。图六2.4译码器CD4511CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流，可直接驱动LED显示器。CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。CD4511引脚图如下图七：图七CD4511引脚图其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。LE=1时译码器是锁A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。还有两个引脚8、16分别表示的是GND和Vcc。CD4511功能图如下表一:表一 CD4511功能图2.5计数器74LS390集成电路74LS390芯片为双10进制计数器，其具有时钟输入CLOCKA（B）和复位端（CLEAR），可提供手动输入复位。并且通过四位输出端输出10进制BCD码。引脚图如图八：图八A、B为时钟输入引脚CLEAR为异步清零端、B、C、D为BCD码输出端3、电路的设计与分析3.1电路设计的框图如图九：图九 电路设计的框图3.2电路的设计与分析321光敏电阻与555定时器构成的控制电路电路图如下图十： 图十 该部分电路相当于总电路的开关，通过光照强弱的变化改变光敏电阻的阻值，从而改变Vi的电压值。在该电路中Vi即为由555构成的施密特触发器的输入电压，Vi的改变会引起施密特触发器的翻转，从而改变输出电平，达到开关的效果。当光敏电阻周围的环境光照强度比较强时，电阻阻值为几百欧左右，Vi2/3Vcc。当光敏电阻周围环境由光变暗时，Vi增大过程中达到值1/3Vcc时，引发施密特触发器翻转，输出由低电平跳变为高电平。施密特触发器输出跳变为高电平同时引起LED灯的开启，多谐振荡器产生时钟信号和计数电路的触发器触发。而当光敏电阻周围环境由暗变光时，Vi减小过程中达到值2/3Vcc时，引起触发器翻转，输出由高电平跳变为低电平。触发器输出跳变为低电平使LED灯熄灭，多谐振荡器不工作，且计数电路触发器不触发。因此，由光敏电阻和555定时器组成的控制电路起到总电路开关的作用。322多谐震荡电路的设计与分析多谐震荡器在总电路中的电路图见下图十一: 图十一 多谐震荡器在总电路中的电路图如图所示，C1=10nF，C2=10uF，R1=20K，R2=100K，按上电路图与555定时器相连构成可产生频率为1Hz的多谐振荡器。多谐振荡器为计数器提供时钟脉冲。时钟周期T=0.7（R2+2R1）C1=1s。323译码显示电路的设计与分析当电路正常工作时，数码管上会按照设计要求显示路灯持续工作的时间与工作的次数。 计数器用来产生十进制计数，其输出信号加在译码器输入端，经译码后可在输出端产生所需的控制信号。本电路中译码驱动器采用CD4511如下图十二。图十二 4511驱动数码管电路图324计时电路的设计与分析该部分用到了计数器共三个，需要三片74LS390芯片，组成60进制计数器，用于显示分钟和秒。集成电路74LS390芯片为双10进制计数器，通过四位输出端输出10进制BCD码，见图十三。图十三 74LS390管脚图反馈清零法实现六十进制计数图十四 图十四 计时器在总电路中的电路图先将两片74LS390级联，接成一百进制计数器。在此基础上借组与门和计数器异步清零功能，将U2的Q1、Q2分别接至与门的输入端。工作时，在第60个脉冲计数脉冲作用后，计数器输出为01100000（十进制数60），U2的Q1、Q2同时为1，使与门输出高电平，U2清零。状态01100000仅在瞬间出现一下。这样，就构成了60进制的计数器。325计数电路的设计与分析该部分电路实现记录路灯开关次数功能，需要一片74LS390芯片和一片CD4511译码器和一个共阴极数码管。当光敏电阻周围环境从亮变暗时，由555定时器构成的施密特触发器由低电平翻转为高电平，经过非门后，74LS390接收到的信号为由高电平反转为低电平。这个脉冲下降沿触发74LS390计数。而当光敏电阻周围环境从暗变亮，输入信号为上升沿不会引起计数，从而达到电路计时一次，计数一次的效果，参考图十五。图十五 计数器由施密特触发控制4、电路的调试与分析4.1R5值的确定在Proteus软件的仿真中，我们发现当R5阻值为400K时，Vi的值的变化能满足触发器的触发。而在实际操作过程中，可以根据光敏电阻的不同或现有电阻值中方便选取，原则为光线充足时Vi2/3Vcc。4.2计时器的清零图十六如图十六所示，总电路中的这个7400与非门的作用为使右数第二个数码管（即十秒位）在LED灯熄灭时自动清零。计数器的数码管用来显示开灯次数，因此不用清零。计时器的另外两个数码管会因为电平的改变自动清零。5 、设计总结在本次课程设计中我的设计题目是路灯控制器的设计与制作，我选择方案二即模拟电路与可编程逻辑器件组合完成本次设计的任务和要求，设计中也遇到不少的困难和疑惑，特别是在电路仿真和程序仿真。在此本人举两例加以说明：第一，在分频程序波形仿真时遇到很大困难，先首是在符合VHDL语言语法之下按照本人逻辑思维编写出程序并通过编译，本以为就万事大吉了，可在波形仿真结束后却不见波形出来，经过反复检查程序语法，改进设计思维，查找相关资料，修改Quart us软件参数等，