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电子技术 路灯控制器.doc

1、 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Hebei Normal University of Science & Technology专业:电气自动化技术学号:学号:1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 22.1 555 定时器 22.1.1 555 定时器构成的多谐振荡器 32.1.2 555 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 5 2.4 译码器 CD4511

2、5 2.5 计数器 74LS390 73、电路的设计与分析 7 3.1 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 114.1 R5 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 122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

3、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 FPGA Quartos 路灯控制器 Abstract :street light cont

4、rollerdesign 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

5、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 mod

6、ules 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 d

7、evice 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 3purchasing the development board.Keyword: analogous circuit dependent resistors Nixie light

8、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

9、 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 2.1 555 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2.1.1 555 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二(C)所示,

10、其中 R1、R2 和电容 C 为外接元件。其工作波如图二(D) 所示。 4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 THVTLV0 2/3Vcc 。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

11、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十一:10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=100 K ,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

12、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。11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

13、 60 个脉冲计数脉冲作用后,计数器输出为 0110 0000(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 0110 0000 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

14、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。12图十五 计数器由施密特触发控制4 、电路的调试与分析4.1 R5 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 计时器的清零图十六13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

15、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,历尽千幸万苦终于有了波形。第二,在三极管小信号放大电路设计中各元器件参数的计算,先首用论理公试按照设计要求计算出各元件

16、的值,然后在 Multisim7 仿真软件中仿真,其仿真结果与理论计算值存在很大差异,经过调整软件参数,寻问老师等,最终使得仿真结果与理论值近似,在解决困难和疑惑中的艰辛难以用语言表达出来。 通过此次设计,我深深地感触到基础知识的重要性,任何细节都离不开基础知识的指导,设计中任何细节都不能忽略,它很可能就是导致你设计成败的关键。设计需要有相关扎实的基础知识了,还要有一定的实际动手能力。此外,通过此次设计巩固和拓展我以前所学的知识,明白自己有许多方面的缺点和不足。这次设计给我最大的启示:态度决定高度,细节决定成败。 由于本人的水平有限,课程设计论文中存在缺点和不足之处,敬请老师和同学给以指证。6

17、、附录 附录一 元器件清单附录表一名称 数量 名称 数量555 2 电阻 100k 1光敏电阻 1 电阻 20k 1电容 10 nF 2 电容 10uF 17404 1 741s390 37400 1 共阴极数码管 4LED 灯 1参考文献: 1电子技术基础(数字部分) ,主编康华光,高等教育出版社,2005 年3 刘慰平主编.模拟电子技术基础.北京:北京理工大学出版社,2008 4 向守兵,马康波主编.实用电子技术教程.电子科技大学出版社,20075 华成英主编,模拟电子技术基本教程M.第一版.北京:清华大学出版社,2006 6 张国华主编.电子元器件使用.北京:中国电力出版社,2009 7 潘松,黄继业主编.EDA 技术实用教程.第三版.北京:科学出版社,2006 8 史小波,程梦蟑,许会芳编著.集成电路设计和 VHDL 教程.北京:清华大学出版社,2005.6

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