路灯控制器的设计

1、中南大学物理与电子学院电子技术课程设计题目：路灯控制器的设计专 业：电子信息科学与技术班级：1105姓名：高超学 号: 1404110726指导老师：张静秋小组成员：高超、周旭成 绩：10 / 20摘要现在的街道基本配有路灯，为实现路灯的智能控制来节省电力资源和人力资源，路灯控制器可以很好的解决这个问题。路灯控制器主要是通过光敏电阻对外界的光线的强弱的感应来改变自身的电阻阻值，从而控制555定时电路构成的施密特触发器高、低电平输出，达到控制路灯的开和关。采用74LS390 74LS0O 74LS04 CD4511 NE555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

2、律显示特定的数字）。当处于暗环境下（晚上）能够自动开灯（发光二极管亮），当处于亮环境下（白天）能够自动关灯（发光二极管灭）；能自动记录“路灯”的开灯次数（用 1 位数码管显示） ；同时还能记录和锁存“路灯”开灯时间 （ 使用3 个 1 位数码管显示） 。关键词 ：课程设计、智能路灯控制器、计数电路、计时电路、电路原理图、PCB、 光敏电阻、555 定时器、555多谐振荡器、数码管、 4511 译码、 74LS390计数目录1 系统概述1.1. 设计的意义，目的1.2. 路灯控制器设计概述2 单元电路设计与分析2.1. 设计要求及技术指标：2.2. 电路原理框图2.3. 设计方案说明及原理2.4

3、. 元器件介绍2.4.1 NE555 芯片2.4.2 光敏电阻2.4.3 74LS390 芯片2.4.4 CD4511 芯片2.4.5 共阴数码管2.5. 电路的设计与分析2.5.1 光敏电阻与555定时器构成的控制电路2.5.2 计时电路的设计与分析2.5.3 计数电路的设计与分析2.5.4 计数电路的设计与分析2.5.5 译码显示电路的设计与分析2.6. 电路总原理图2.7. 器件清单3 电路的安装与调试3.1. 计时器的清零3.2. R5 值的确定3.3. 设计结果4 结束语4.1. 设计的发展与不足4.2. 整体评估4.3. 心得体会5 附录5.1. 总原理图5.2. 元器件清单5.3

4、. Multisim 仿真原理图5.4. 参考文献1 系统概述1.1. 设计的意义，目的在当今社会中，随着经济的快速发展，人们对能源的需求越来越大，而浪费也越来越严重，电力资源就是其中之一。现在的街道基本配有路灯，如何实现路灯的智能化控制来节省电力资源，路灯控制器可以很好的解决这个问题。本课程设计的任务就是设计一个路灯的控制系统。针对电子线路课程要求，在熟悉基本原理的前提下，与实际应用相联系，设计自己的方案，并完善设计。通过实用型电子线路设计、安装、调试等各环节的综合性训练，培养我们运用课程中所学的理论与实践紧密结合，在独立又有机合作下解决实际问题的能力。1.2. 路灯控制器设计概述路灯控制器

5、主要是通过光敏电阻对外界的光线的强弱的感应来改变自身的电阻阻值，从而控制555定时电路构成的施密特触发器高、低电平输出，达到控制路灯的开和关。采用74LS390 74LS0O 74LS04 CD4511 NE555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）。当处于暗环境下（晚上）能够自动开灯（发光二极管亮），当处于亮环境下（白天）能够自动关灯（发光二极管灭）；能自动记录“路灯”的开灯次数（用 1 位数码管显示） ；同时还能记录和锁存“路灯”开灯时间 （ 使用 3 个 1 位数码管显示） 。2 设计任务及要求2.1. 设计要求及技术指标：当光亮到一定

6、程度时使灯自动熄灭，而光暗到一定程度时又能自动点亮。开启和关断的光照度根据用户进行调节；设计计数显示电路，统计路灯的开启次数，并用数码管显示出来。设计计时显示电路，用数码管显示路灯当前一次的连续开启时间，并在灯灭时锁存时间，第二次灯亮自动清零并计时。2.2. 电路原理框图路灯控制器框图2.3. 设计方案说明及原理本设计主要是通过光敏电阻对外界的光线的强弱的感应来改变自身的电阻 阻值，从而控制555定时电路构成的施密特触发器高、低电平输出，达到控制路灯的开和关。为了使计时与计数电路同步启动， 计数电路的控制是通过NE555的 输出端提供脉冲，使其计数；并通过 NE555输出端来控制计时电路同步供

7、电。计 时电路脉冲的产生是用NE5558成一个频率为1HZ的多谐振荡器触发74LS390计 时，再用CD4511B动共阴极的七段数码管做显示电路。当光照减弱时，光敏电阻阻值增大，NE55旋时器的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 强到一定强度时，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。2.4. 元器件介绍2.4.1 NE555 芯片555定时器是一种模拟电路和数字

8、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。放 国 校粗 值 制 Vet 始 康 喇 m汾m e555渊： 瞄 瞄I 555管脚图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如图（C）所示，其中R、R和电容C为外接元 件。其工作波如图（D）所示。555多谐振荡器设电容的初始电压Uc=0, t=0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端Vth = Vtl =0<1Vcc ,比较器A

9、 i输出为高电平，A 2输出为低电平， 3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uo 1此时Q 0,定时器内部放电三极管截止，电源Vcc经Ri, R2向电容C充电，1 _Uc逐渐升高。当Uc上升到Vcc时，A2输出由0翻转为1,这时Rd Sd 1, RS 3触发顺保持状态不变。所以0vtvt1期间，定时器输出U0为高电平1。2 _t t1时亥IJ , Uc上升到2Vcc，比较器A的输出由1变为0,这时Rd 0, Sd 1 , 3RS触发器复0,定时器输出U0 0。t1 t t2期间，Q 1,放电三极管T导通，电容C通过 R2放电。Uc按指数2_规律

10、下降，当Uc Vcc时比较器A输出由0变为0, RS触发器的Rd Sd 1 ,3Q的状态不变，uo的状态仍为低电平。1_t t2时刻,uc下降到3Vcc，比较福A2输出由1变为0，RS触发命的RD 1， Sd 0,触发器处于1,定时器输出Uo 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(D)可知，振荡周期T T1 丁2。T1为电容充电时间，T2为电容放电时 问。充电时间 T1

11、(R R2)Cln 2 0.7(R R?)C放电时间 T2 RCln2 0.7 R2c矩形波的振荡周期 T T1 T2 In 2(R1 2R2)C 0.7(R1 2R2)C因此改变R、R2和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率555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。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2Vcc和Vc 33555定时器构成的施密特触发器2.4.2 光敏电阻光敏电阻器(photovaristor )又叫光感电阻，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

12、阻器；阻值与光照强度成反比，入射 光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。2.4.3 74LS390 芯片计数器74LS390集成电路74LS390芯片为双10进制计数器，其具有时钟输入 CLOCK A(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。74LS390引脚图：A、B为时钟输入引脚CLEA时异步清零端；Qa、Qb、Qc、Qd为BCD码输出端2.4.4 CD4511 芯片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专换、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，

13、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。EL5?CD4511弓唧图其功能介绍如下：81: 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ABCD 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时译码器是锁定保持状 态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。

14、还有两个引脚8、16分别表示的是GN庄口 Vcc02.4.5 共阴数码管共阴数码管在应用时应将公共极CO骏到地线GNE,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。在本设计中用CD451释码驱动器进行驱动。共阴数码管封装和内部电路2.5电路的设计与分析2.5.1 光敏电阻与555定时器构成的控制电路GND光敏电阻与555定时器构成的控制电路原理图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 3脚输出电平，达到 开关的效果。当光敏电

15、阻周围的环境光照强度比较强时，电阻阻值为几百欧左右，Vi<1IVcc；当光敏电阻周围的环境光照强度比较弱时，电阻阻值为 1兆欧左右，Vi> 32 12Vcc。当光敏电阻周围环境由光变喑时，Vi增大过程中达到值gVcc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丁的开启，多谐振荡器产生时钟信号和计数电路的触发器触发。而2当光敏电阻周围环境由喑变光时，Vi减小过程中达到值-Vcc时，引起触发器翻3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丁熄灭，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

16、组成 的控制电路起到总电路开关的作用2.5.2多谐震荡电路的设计与分析% 皿IN UI I >4 " RSI_阻 THR，二 丁 RIGM1I pOKLM555CNM C311| H'klF| |-GND多谐震荡器原理图如图所示，C2=10nF C3=10uF R2=100© , R3=20© ,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 (R3+2R2 C1=1s2.5.3 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

17、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BCM。(j<u I ru r 占I 疆Iio AFRd但国a cuTPuirm. IQcg口CiNICsOUT PU T 弟21 / 2074LS390管脚图反馈清零法实现六十进制计数953rmU7A六十进制计数原理图先将两片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 U7B的Q1、Q2分别接至双与非门组合的输入端。工作时，在第60个脉冲计数脉冲作用后，计数器输出为0110 000(十进制数60), U7B的Q« Q2同时为1,使双与非门组合输

18、出高电平，U7B清零。状态0110 0000仅在瞬间出现一下。这样，就构成了 60进制的计数器。附锁定及自动清零单次计时电路原理图2.5.4 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741s04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。10_JX1DS1+<DP

19、Dpy R#d-CCGNDVCC5'-工A 5 & A A. A AVCC5VE打 74390MLICD45UBCNH 三三USA SN4LS&4N施密特触发控制的计数器原理图2.5.5 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CD4511DS1翼；-；_' DPDpv Red CC二 3/1 r. A A J A 1.UI CD4511BCNGNBT4511驱动数码管电路图2.6 电路

20、总原理图见附录6.12.7 器件清单见附录6.23电路的安装与调试3.1 计时器的清零如图所示，电路中的这个74LS00与非门的作用为使控制右数第二个数码管 （即十秒位）的74LS390（U7BW数芯片在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。控制计时器的另外两个数码管的 74LS390（U6B和U7A）E片部分会因为电平的改变自动清零。而CD4511（U2 U3 U4）的5脚LE接到的信号是通过图中74LS04非门转变 而来的。当LED亮时，U9B3脚为1,经74LS04后，LE为0,允许译码输出。当 LED熄灭时，U9B3脚为0,经74LS04后，LE为1,

21、允译码器是锁定保持状态， 译码器输出被保持在LE=0时的数值。3.2 R5值的确定在Multisim 软件的仿真中，我们发现当 R5阻值为400KQ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 Vi<1Vcc，黑暗时VAVcc。仿真图见附录6.33.3 设计结果当处于暗环境下（晚上）能够自动开灯（发光二极管亮），当处于亮环境下 （白天）能够自动关灯（发光二极管灭）；能自动记录“路灯”的开灯次数（DS1 位数码管显示）；能单次记录和锁存“路灯”开灯时间（用3个1位数码管显示），基本实现了本次设计的要求。4 总结

22、4.1 设计的发展与不足光控 ”容易受外部环境干扰，灵敏度低且可靠性较差。“钟控 ”不适应天气突变与季节变化等自然情况。二者均不能实现控制开关灯的合理化、科学化。从而会出现：开灯早，关灯晚；或者开灯晚，关灯早的现象。前者会造成巨大的电能浪费， 后者会损害城市形象、影响社会治安和交通安全，从而影响城市的投资环境。所以应取长补短，设计出科学，合理的路灯控制器。4.2 整体评估电路整体功能正常，而且可以达到题目的基本和扩展功能，通过细致的焊接，模块之间仔细的连接调试，效果的美化。美中不足的是6、 9 字样显示比较不符合美观效果。4.3 心得体会为期两周的课程设计已结束，回首这整个过程，仍感到些许紧张和满路，但是更多的是充实。从选课题开始我们就忙起来了，整天沉浸在思索之中，一起找资料，一起讨论近两周内我们查看了大量资料，通过仔细的研究和反复演算和实践，终于完成了我们团队的设计。总体来说，理论和实际相差要有多远