路灯控制器设计论文

课程设计报告设计题目：路灯控制器学院：理学院专业：电子信息科学与技术班级：08级电子信息科学与技术（1）班学号：200831120122姓名：梁振华林明彬谭晓欣电子邮件：时间：2010年5月～6月成绩：指导教师：刘丹1华南农业大学理学院应用物理系课程设计（报告）任务书学生姓名梁振华林明彬谭晓欣指导教师刘丹职称讲师学生学号200831120122专业电子信息科学与技术题目路灯控制器任务与要求安装在公共场所或道路两旁的路灯通常希望随日照光亮度的变化而自动开启和关断，以满足行人的需要，又能节电。1、设计制作一个路灯自动照明的控制电路。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，可选用一个合适的LED灯做实验。2、设计计时电路，用数码管显示路灯当前一次的连续开启…………………………装………………………………订………………………………线……………………………………………2时间。3、设计计数显示电路，统计路灯的开启次数。开始日期2010年6月20日完成日期2010年7月1日路灯控制器学生：梁振华林明彬谭晓欣指导教师：刘丹摘要：本设计采用74LS390、74LS00、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。关键词：光敏电阻计数器555定时器数码管引言：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3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。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(C)所示，其中R1、R2和电容C为外接元件。其工作波如图(D)所示。设电容的初始电压cU＝0，t＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以4高、低触发端THV＝TLV＝013ccV，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ２输出为低电平，即_1DR，_0DS（1表示高电位，0表示低电位），RS触发器置1，定时器输出01u此时_0Q，定时器内部放电三极管截止，电源ccV经1R，2R向电容Ｃ充电，cu逐渐升高。当cu上升到13ccV时，2A输出由0翻转为1，这时__1DDRS，RS触发顺保持状态不变。所以0t1t期间，定时器输出0u为高电平1。1tt时刻，cu上升到23ccV，比较器1A的输出由1变为0，这时_0DR，_1DS，RS触发器复0，定时器输出00u。12ttt期间，_1Q，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过2R放电。cu按指数规律下降，当cu23ccV时比较器1A输出由0变为0，RS触发器的_DR_1DS，Ｑ的状态不变，0u的状态仍为低电平。2tt时刻，cu下降到13ccV，比较器2A输出由1变为0，RS触发器的_DR1，_DS0，触发器处于1，定时器输出01u。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01u，电容放电时，0u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12TTT。1T为电容充电时间，2T为电容放电时间。充电时间11212()ln20.7()TRRCRRC放电时间222ln20.7TRCRC矩形波的振荡周期121212ln2(2)0.7(2)TTTRRCRRC因此改变1R、2R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。这个施密特5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23ccV和13ccV。555定时器构成的施密特触发器施密特触发器的工作波形62.2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阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。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。7该设计中选用的是七段数码管如下图所示，为共阴极的，用CD4511译码驱动器进行驱动。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：Q9其功能介绍如下：8BI：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：输入输出LEBILIDCBAabcdefg显示XX0XXXX11111118X01XXXX0000000消隐01100001111110001100010110000101100101101101201100111111001301101000110011401101011011011501101100011111601101111110000701110001111111801110011110011901110100000000消隐01110110000000消隐01111000000000消隐01111010000000消隐01111100000000消隐0111111000000消隐111XXXX锁存锁存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：9A、B为时钟输入引脚CLEAR为异步清零端ＱＡ、ＱB、ＱC、ＱD为BCD码输出端3、电路的设计与分析3.1电路设计的框图3.2电路的设计与分析3．2．1光敏电阻与555定时器构成的控制电路光控电路计数电路译码电路数码管计时电路10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，Vi13ccV；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，Vi23ccV。当光敏电阻周围环境由光变暗时，Vi增大过程中达到值13ccV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23ccV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。3．2．2多谐震荡电路的设计与分析11多谐震荡器在总电路中的电路图如图所示，C1=10nF，C2=10uF，R1=20KΩ，R2=100KΩ，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。3．2．3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。4511驱动数码管电路图123．2．4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。74LS390管脚图反馈清零法实现六十进制计数先将两片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。13计时器在总电路中的电路图3．2．5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。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400KΩ时，Vi的值的变化14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Vi13ccV，黑暗时Vi23ccV。4.2计时器的清零如图所示，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、总结：通过该次课程设计，感触很深，以前都只是根据原理图来做出实物，这次不仅从设计出原理图，到采购元器件，再到做出实物都是由我们亲力亲为，尤其是实物的制作极大的提高了我们的动手能力。在原理图的