路灯控制器电路设计说明

模拟 数字电子技术课程设计说明书 题目 题目 路灯控制器设计 学生姓名 学生姓名 廖 纯 学学 号 号 200606090214 院院 系 系 电气与信息工程学院 专专 业 业 网络工程 指导教师 指导教师 张震强 2008 年年 12 月月 18 日日 目 录 1 选题背景 1 1 1 设计要求 1 1 2 指导思想 1 2 方案论证 1 2 1 方案说明 1 2 2 方案原理 1 3 电路的设计和分析 1 3 1 电路的原理框图 1 3 2 单元电路的设计与分析 2 4 电路的调试与分析 8 4 1 调试使用的仪器 8 4 2 电路的调试 8 5 总结 8 5 1 设计体会 8 5 2 改进提高 8 附录 1 元器件清单 8 附录 2 电路的原理图 9 附录 3 实物图 11 参考文献 12 0 1 选题背景 1 1 设计要求 1 2 1 当日照光亮到一定程度时使灯自动熄灭 而日照光暗到一定程度时又能自动点 亮 开启和关断的日照光照度根据用户要求进行调节 可选用一个白炽灯或发光 二极管作光源 1 2 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 1 2 3 设计计数显示电路 统计路灯的开启次数 1 2 指导思想 本设计采用 74LS160 74HC04 74LS08 74LS12 CD4511 555 等芯片来完成路灯亮暗 控制与所需要的数字逻辑显示功能 在七段数码管上按规律显示特定的数字 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 2 方案论证 2 1 方案说明 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 在本设计中 为方便起见 一律用开关模拟光敏电阻 下面提到的光敏电阻也一样 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 2 2 方案原理 当光照减弱时 光敏电阻阻值增大 555 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 3 电路的设计与分析 3 1 电路的原理框图 光控电路计数电路译码电路数码管 计时电路 1 3 2 单元电路的设计与分析 3 2 1 多谐震荡电路的设计与分析 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件 一般用双极性工艺 制作的称为 555 用 CMOS 工艺制作的称为 7555 除单定时器外 还有对应的双定 时器 556 7556 555 定时器的电源电压范围宽 可在 4 5V 16V 工作 7555 可在 3 18V 工作 输出驱动电流约为 200mA 因而其输出可与 TTL CMOS 或者模拟电路 电平兼容 555 定时器成本低 性能可靠 只需要外接几个电阻 电容 就可以实现多谐振 荡器 单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路 它也常作为定时器广泛 应用于仪器仪表 家用电器 电子测量及自动控制等方面 它内部包括两个电压比较 器 三个等值串联电阻 一个 RS 触发器 一个放电管 T 及功率输出级 它提供两 个基准电压 VCC 3 和 2VCC 3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定 两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和 放电管的状态 在电源与地之间加上电压 当 5 脚悬空时 则电压比较器 A1 的反相输 入端的电压为 2VCC 3 A2 的同相输入端的电压为 VCC 3 若触发输入端 TR 的电压小 于 VCC 3 则比较器 A2 的输出为 1 可使 RS 触发器置 1 使输出端 OUT 1 如果阈 值输入端 TH 的电压大于 2VCC 3 同时 TR 端的电压大于 VCC 3 则 A1 的输出为 1 A2 的输出为 0 可将 RS 触发器置 0 使输出为 0 电平 555 定时器主要是与电阻 电容构成充放电电路 并由两个比较器来检测电容上的电压以确定输出电压的高低和放 电开关管的通断 可构成单稳态触发器 多谐振荡器 施密特触发器等脉冲产生电路 该器件的电源电压为 4 5V 18V 驱动电流也较大 并能提供与 ttl MOS 电路相兼 容的逻辑电平 555 定时器可以构成多谐振荡器 自激多谐振荡器用于产生连续的脉冲信 号图 3 1 所示为自激多谐振荡器电路和波形图 电路采用电阻 电容组成 RC 定时电路 用于设定脉冲的周期和宽度 调节 RW 或电容 C 得到不同的时间常数 还可产生周期和 脉宽可变的方波输出 脉冲宽度计算公式 Tw 0 7 R1 RW R2 C 振荡周期计算公式 T 0 7 R1 RW 2R2 C 经过计算可知 R43 可为 72k R44 为 36k 2 图 3 1 多谐震荡电路 3 2 2 译码显示电路的设计与分析 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图 3 2 所示 为共阴极的 用 CD4511 译码驱动器进 行驱动 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 3 3 2半导体数码管 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 CD4511 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 Q9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 CD4511 具有锁存 译码 消隐功能 通常以反相器作输出级 通常用以驱动 LED 4 各引脚的名称 其中 7 1 2 6 分别表示 A B C D 5 4 3 分别表示 LE BI LT 13 12 11 10 9 15 14 分别表示 a b c d e f g 左边的引脚 表示输入 右边表示输出 还有两个引脚 8 16 分别表示的是 VDD VSS CD4511 引脚图如下 CD4511 功能图如下 输输 入入 输输 出出 LEBILIDCBAabcdefg显示显示 XX0XXXX11111118 X01XXXX0000000消隐消隐 011000011111100 011000101100001 011001011011012 011001111110013 011010001100114 011010110110115 011011000111116 011011111100007 011100011111118 011100111100119 01110100000000消隐消隐 01110110000000消隐消隐 01111000000000消隐消隐 01111010000000消隐消隐 01111100000000消隐消隐 011111100000 0消隐消隐 111XXXX锁锁 存存 锁存锁存 5 图 3 3 计数电路设计 3 2 3 计数电路的设计与分析 该部分用到了计数器 74LS160 共五个 前两个和中间两个分别都组成了 60 进制计 数器 用于显示分钟和秒 第五个仍是十进制 用来显示路灯工作的次数 异步清零端 MR1 为低电平时 不管时钟端 CP 信号状态如何 都可以完成清零功能 160 的预置是同步的 当置入控制器 PE 为低电平时 在 CP 上升沿作用下 输出端 Q0 Q3 与数据输入端 P0 P3 一致 对于 54 74160 当 CP 由低至高跳变或跳变前 如果计数器控 制端 CEP CET 为高电平 则 PE 应避免由低至高电平的跳变 而 54 74LS160 无此种限 制 160 的计数是同步的 靠 CP 同时加在四个触发器上而实现的 当 CEP CET 均为 高电平时 在 CP 上升沿作用下 Q0 Q3 同时变化 从而消除了异步计数器中出现的计数 尖峰 对于 54 74LS160 的 CEP CET 跳变与 CP 无关 当计数溢出时 进位输出端 TC 输出一个高电平脉冲 其宽度为 Q0 的高电平部分 对于 74LS160 在 CP 出现前 即使 CEP CET MR 发生变化 电路的功能也不受影响 74LS160 外部管脚图 如图 3 4 所示 6 3 4 74LS160 外部管脚图 160 外部管脚 引出端符号 TC 进位输出端 CEP 计数控制端 Q0 Q3 输出端 CET 计数控制端 CP 时钟输入端 上升沿有效 MR 异步清除输入端 低电平有效 PE 同步并行输入置数端 低电平有效 74LS160 内部电路图如图 3 5 所示 7 3 5 74LS160 内部电路图 4 电路的调试与分析 4 1 调试使用的仪器 4 0V 直流电压源 万用表 4 2 电路的调试 接上电源 六个数码管均显示 0 一个是计数用的显示管 另五个作计时用 整个电路处于正常状态 在日光灯下用小螺丝刀调节电位器 当红色较大的发光二极管 恰好熄灭时 再断开模拟光敏电阻的开关 看小灯是否能很快发光 若能 则表明这个 点恰好是模拟光敏电阻的最佳点 若不能点亮或反应很迟钝 则表明未调节到最佳位置 需要反复调节找到电位器的最佳点 调试完成后 断开此开关 稍作等待之后 发光二极管亮 数码管开始计数 然 后不遮住光敏电阻 即闭合此开关 发光二极管灭 同时数码管停止计数 按下复位 开关 数码管显示又全变为零 8 5 总结 5 1 设计体会 过该次课程设计 我感触很深 以前的其他课程设计只是要求理论设计 而这次不 仅要设计出原理图还要做出实物 课题的选择 方案的设计和修改 电路的仿真再到实 物的制作 都是自己亲自动手做的 尤其是实物的制作极大的提高了我的动手能力 在 焊接过程中稍不小心哪怕只焊错一个引脚 一根导线都会导致整个电路无法正常工作 而且我和我搭档都有被烫伤的经历 在后期的调试过程中 我遇到了非常多的困难 也 许是因为原器件较多的原因 也或许是自己不细心 而且没耐心 做了好多次 多没成 功 我几乎是班上用去世间最多的 可是结果却经常跟我开天大的玩笑 有很多次 我 重拆再焊也没成功时 我都有放弃的想法 但最后还是坚持下来了 最后还多亏了张老 师的帮忙 要不然有些故障我说不定永远找不出原因 最后 实物终于做好了 通过这 次课设 我明白了做什么事都要认真细心 而且还有信心和耐心 心浮气躁是不行的 5 2 改进提高 本次的设计中缺少一个总复位开关 用于在路灯不工作时将数码管熄灭 以免费电 可以在 CD4511 的 LE 端加上一个单刀单掷开关 打开是高电平 数码管不显示 闭合是 接地数码管可以正常计数 附录一 元器件清单 表 3 1 元器件清单 名 称数 量名 称数 量 5552电阻 36K 1 74LS1606电阻 300 1 74HC041共阴数码管6 CD45116 多圈电位器 200K1 74LS121开关2 74LS081 电容 0 01u2 电阻 100K1电容 10u1 电阻 72K2LED 红 1 电阻 100 42 附录二 电路的原理图 9 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 10 Jan 2009Sheet of File D 我我我我 MyDesign ddbDrawn By IN A 7 IN B 1 IN C 2 IN D 6 LE STB 5 BLK 4 LT 3 SEG A 13 SEG B 12 SEG C 11 SEG D 10 SEG E 9 SEG F 15 SEG G 14 U1 4511 IN A 7 IN B 1 IN C 2 IN D 6 LE STB 5 BLK 4 LT 3 SEG A 13 SEG B 12 SEG C 11 SEG D 10 SEG E 9 SEG F 15 SEG G 14 U4 4511 IN A 7 IN B 1 IN C 2 IN D 6 LE STB 5 BLK 4 LT 3 SEG A 13 SEG B 12 SEG C 11 SEG D 10 SEG E 9 SEG F 15 SEG G 14 U5 4511 IN A 7 IN B 1 IN C 2 IN D 6 LE STB 5 BLK 4 LT 3 SEG A 13 SEG B 12 SEG C 11 SEG D 10 SEG E 9 SEG F 15 SEG G 14 U6 4511 IN A 7 IN B 1 IN C 2 IN D 6 LE STB 5 BLK 4 LT 3 SEG A 13 SEG B 12 SEG C 11 SEG D 10 SEG E 9 SEG F 15 SEG G 14 U3 4511 IN A 7 IN B 1 IN C 2 IN D 6 LE STB 5 BLK 4 LT 3 SEG A 13 SEG B 12 SEG C 11 SEG D 10 SEG E 9 SEG F 15 SEG G 14 U2 4511 5V R8 R14 100 R1 R7 100 R15 R21 100 R22 R28 100 R29 R35 100 R36 R42 100 TRIG 2 OU T 3 4 CV OL T 5 TH OL D 6 DISCHG 7 8 1 RE SE TVCC GN D U17 555 VCC VCC R43 72K R44 36K R46 300 C2 10u C3 10n C1 10n R45 100K P0 3 P1 4 P2 5 P3 6 Q0 14 Q1 13 Q2 12 Q3 11 TC 15 CEP 7 CET 10 CLK 2 PE 9 MR 1 U11 74LS160 VCC P0 3 P1 4 P2 5 P3 6 Q0 14 Q1 13 Q2 12 Q3 11 TC 15 CEP 7 CET 10 CLK 2 PE 9 MR 1 U12 74LS160 P0 3 P1 4 P2 5 P3 6 Q0 14 Q1 13 Q2 12 Q3 11 TC 15 CEP 7 CET 10 CLK 2 PE 9 MR 1 U7 74LS160 P0 3 P1 4 P2 5 P3 6 Q0 14 Q1 13 Q2 12 Q3 11 TC 15 CEP 7 CET 10 CLK 2 PE 9 MR 1 U8 74LS160 P0 3 P1 4 P2 5 P3 6 Q0 14 Q1 13 Q2 12 Q3 11 TC 15 CEP 7 CET 10 CLK 2 PE 9 MR 1 U9 74LS160 P0 3 P1 4 P2 5 P3 6 Q0 14 Q1 13 Q2 12 Q3 11 TC 15 CEP 7 CET 10 CLK 2 PE 9 MR 1 U10 74LS160 TRIG 2 OU T 3 4 CV OL T 5 TH OL D 6 DISCHG 7 8 1 RE SE TVCC GN DU16 555 89 U13D 7404 56 U13C 7404 34 U13B 7404 1011 U13E 7404 1 2 3 U3A 74LS08 4 5 6 U15B74LS08 3