路灯控制器电路设计.doc

1、模拟、数字电子技术课程设计说明书题目： 路灯控制器设计 院 （系）： 电气与信息工程学院 专 业： 网络工程 目 录1选题背景111 设计要求112 指导思想12方案论证121 方案说明122 方案原理13电路的设计和分析131 电路的原理框图132 单元电路的设计与分析24电路的调试与分析841 调试使用的仪器842 电路的调试85总结851 设计体会852 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1211 选题背景11 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

2、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。12 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21 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

3、，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。22 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，

4、方案可行。3 电路的设计与分析31 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232 单元电路的设计与分析321 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 4.5V16V 工 作 ， 7555 可 在 318V 工 作 ， 输 出 驱

5、 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 ，

6、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

7、，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

8、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：Tw0.7 (R1+RW+R2) C 振荡周期计算公式：T0.7 (R1+RW+2R2) C经过计算可知 R43 可为 72k，R44 为 36k。3图 3-1 多谐震荡电路322 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

9、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。43-2 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

10、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，

11、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。5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 入 输 出 LE BI LI

12、 D C B A a b c d e f g 显示 X X 0 X X X X 1 1 1 1 1 1 1 8X 0 1 X X X X 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 00 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 10 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 20 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 30 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 40 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 50 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 60 1 1 0 1 1

13、 1 1 1 1 0 0 0 0 70 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 80 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 90 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 消隐 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 消隐 1 1 1 X X X X 锁 存 锁存 6图 3-3 计数电路设计323 计数

14、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

15、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：73-4 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

16、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83-5 74LS160 内部电路图4. 电路的调试与分析41 调试使用的仪器4.0V 直流电压源、万用表 42 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

17、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。95总结51 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

18、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。52 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

19、单名 称 数 量 名 称 数 量555 2 电阻 36K 174LS160 6 电阻 300 174HC04 1 共阴数码管 6CD4511 6 多圈电位器 200K 174LS12 1 开关 274LS08 1 电容 0.01u 2电阻 100K 1 电容 10u 1电阻 72K 2 LED（红） 1电阻 100 42附录二 电路的原理图 10123456ABCD654321D C B ATitleNumberRevisionSize BDate:10-Jan-2009Shet of File:D:我我我我MyDesign.ddbDrawnBy:IN A 7IN B 1IN C 2IN D

20、6LE/STB 5BLK 4LT 3SEG A13 SEG B12SEG C11 SEG D10SEG E9 SEG F15SEG G14 U14511IN A 7IN B 1IN C 2IN D 6LE/STB 5BLK 4LT 3SEG A13 SEG B12SEG C11 SEG D10SEG E9 SEG F15SEG G14 U44511IN A 7IN B 1IN C 2IN D 6LE/STB 5BLK 4LT 3SEG A13 SEG B12SEG C11 SEG D10SEG E9 SEG F15SEG G14 U54511IN A 7IN B 1IN C 2IN D 6LE

21、/STB 5BLK 4LT 3SEG A13 SEG B12SEG C11 SEG D10SEG E9 SEG F15SEG G14 U64511IN A 7IN B 1IN C 2IN D 6LE/STB 5BLK 4LT 3SEG A13 SEG B12SEG C11 SEG D10SEG E9 SEG F15SEG G14 U34511IN A 7IN B 1IN C 2IN D 6LE/STB 5BLK 4LT 3SEG A13 SEG B12SEG C11 SEG D10SEG E9 SEG F15SEG G14 U245115VR8-R14100R1-R7100R15-R21100

22、R22-R28100R29-R35100R36-R42100TRIG2OUT34 CVOLT5THOLD6DISCHG781RESETVCCGNDU17555VCCVCCR4372KR4436K R46300C2 10uC3 10nC110nR45 100KP0 3P1 4P2 5P3 6Q014 Q113Q212 Q311TC15 CEP 7CET 10CLK 2PE 9MR 1U1174LS160VCCP0 3P1 4P2 5P3 6Q014 Q113Q212 Q311TC15 CEP 7CET 10CLK 2PE 9MR 1U1274LS160P0 3P1 4P2 5P3 6Q014 Q

23、113Q212 Q311TC15 CEP 7CET 10CLK 2PE 9MR 1U774LS160P0 3P1 4P2 5P3 6Q014 Q113Q212 Q311TC15 CEP 7CET 10CLK 2PE 9MR 1U874LS160P0 3P1 4P2 5P3 6Q014 Q113Q212 Q311TC15 CEP 7CET 10CLK 2PE 9MR 1U974LS160P0 3P1 4P2 5P3 6Q014 Q113Q212 Q311TC15 CEP 7CET 10CLK 2PE 9MR 1U1074LS160TRIG2OUT34 CVOLT5THOLD6DISCHG781R

24、ESETVCCGNDU1655589U13D 740456U13C74043 4U13B74041011U13E7404123 U3A74LS08456 U15B74LS083456U14B74LS12121312U14A74LS12D1 LEDK1K2RW 200Ka bf cg deDPY1234567abcdefg8dpdpDS1a bf cg deDPY1234567abcdefg8dpdpDS2a bf cg deDPY1234567abcdefg8dpdpDS3a bf cg deDPY1234567abcdefg8dpdpDS4a bf cg deDPY1234567abcdef

25、g8dpdpDS5a bf cg deDPY1234567abcdefg8dpdpDS61 2U13A7404图3-6电路的总体设计11注：以上除了六个共阴极数码显示管以外，其他的器件引脚是连接电路过程中严格对应的引脚。因为在用 protel 画图时，没找到共阴极的数码管，为了让电路图更加直观而整齐，于是通过编辑其他的数码管来代替共阴数码管的原理图。所以在这里，数码管上的引脚并非真实引脚，只是一个形式化而已。故在焊接数码管时，一定要注意，不要按照图上引脚来焊接，而必须按照真实情况下共阴数码管的引脚来。附录三 实物图 12参 考 文 献1彭介华.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社.19972数字系统设计方法 ，大连理工大学编，大连理工大学出版社，1992 年3邱关源、罗先觉.电路.北京：高等教育出版社.2007.84康华光.电子技术基础.模拟部分.北京：高等教育出版社.2007.11