电子线路综合课程设计-路灯控制器.doc

徐徐 州州 师师 范范 大大 学学 科科 文文 学学 院院 本 科 生 课 程 设 计 课课 程程 名名 称：称： 电子线路综合课程设计 题题 目：目： 路灯控制器 专专 业业 班班 级：级： 08 电信 学学 生生 姓姓 名：名： 学学 生生 学学 号：号： 日日 期：期： 2010-6-24 指指 导导 教教 师：师： 科文学院教务部印制科文学院教务部印制 一、课程设计目的、任务和内容要求： 在现代城市中，随着人口和汽车的急剧增长，市区交通日益拥挤，要是没有路灯 控制器，将无法计算路灯的工作时间，因此，路灯控制器是交管部门管理城市交通的 重要工具之一。 本课程设计的任务就是设计一个路灯的控制系统。在熟悉基本原理的前提下，与 实际应用相联系，提出自己的方案，完善设计。 具体设计任务如下： 1熟悉路灯的工作原理； 2写出路灯控制器的设计方案； 3用硬件加以实现； 4写课程设计报告。 设计要求： 设计一个主干道和支干道十字路口的路灯控制电路。要求： 1 晚上路灯亮，计数器记录路灯开灯时间； 2 白天路灯不亮，计数器记录路灯开灯次数； 3 计数器能够累计路灯开灯时间。 二、进度安排： 第3 天： 查找资料，熟悉路灯控制器的设计原理，给出设计总体方案； 第 46 天： 各模块的详细设计； 第 712 天： 硬件连线，调试； 第 1314 天：写课程设计报告。 三、主要参考文献： 1 彭介华.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社.1997 2 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.2007.8 4 康华光.电子技术基础.模拟部分.北京：高等教育出版社.2007. 指导教师签字： 年 月 日 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - I - 目录目录 摘摘 要要 .IIII ABSTRACTABSTRACT .IIII 1 1 选题背景选题背景 .1 1 11 设计要求.1 1.2.1.1 1.2.2.1 1.2.3.1 12 指导思想.1 2 2 方案论证方案论证 .1 1 21 方案说明.1 22 方案原理.1 3 3 电路的设计与分析电路的设计与分析 .2 2 31 电路的原理框图.2 32 单元电路的设计与分析.2 3.2.1 运算放大器 lm358 的功能.2 322 多谐震荡电路的设计与分析 .3 32.4 显示电路的设计与分析 .5 325 数电路的设计与分析 .9 3.2.6 电路的安装焊接 .10 4.4. 电路的调试与分析电路的调试与分析 .1111 41 调试使用的仪器.11 42 电路的调试.11 5 5总结总结 .1111 51 设计体会.11 52 改进提高.12 附录一附录一 元器件清单元器件清单 .1313 附录二实物图附录二实物图 .1414 参考文献参考文献 .1515 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - II - 摘摘 要要 我们设计一个基于数电、模电的路灯控制器电路电路，要求路灯能自动照 明。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。要求设计一个计时电路，用数码管显示路灯当前一次的连续开启时间。 还要设计一个计数显示电路，统计路灯的开启次数。照电路可以用高低电平来 模拟。并制作实物。以此来达到实现的效果。 关键词；路灯，计数显示器，光照 AbstractAbstract WeWeWe designdesigndesign a a a digitaldigitaldigital circuit-based,circuit-based,circuit-based, circuit-modecircuit-modecircuit-mode controllercontrollercontroller circuitcircuitcircuit lamplamplamp powerpowerpower to toto requirerequirerequire streetstreetstreet lightinglightinglighting automatically.automatically.automatically. WhenWhenWhen thethethe sunsunsun lightlightlight to toto a a a certaincertaincertain extentextentextent sososo thatthatthat lightslightslights automaticallyautomaticallyautomatically gogogo outoutout andandand sunshinesunshinesunshine to toto a a a certaincertaincertain degreedegreedegree ofofof brightnessbrightnessbrightness cancancan automaticallyautomaticallyautomatically lit.lit.lit. RequirementsRequirementsRequirements a a a timingtimingtiming circuitcircuitcircuit design,design,design, digitaldigitaldigital displaydisplaydisplay lightslightslights withwithwith a a a continuouscontinuouscontinuous currentcurrentcurrent openingopeningopening hours.hours.hours. ButButBut alsoalsoalso signsignsign countercountercounter displaydisplaydisplay circuit,circuit,circuit, thethethe openingopeningopening lightslightslights numbernumbernumber ofofof statistics.statistics.statistics. Keywords；lighut,timing circuit,sunshine 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 1 - 1 1 选题背景选题背景 1 11 1 设计要求设计要求 1.2.11.2.1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。 1.2.21.2.2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。 1.2.31.2.3设计计数显示电路，统计路灯的开启次数。 1 12 2 指导思想指导思想 本设计采用 74LS160、74LS148、74L121、358、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。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 2 方案论证方案论证 2 21 1 方案说明方案说明 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 74ls148 驱动共阴极的七段数码管做显示电路。 2 22 2 方案原理方案原理 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。 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 2 - 3 3 电路的设计与分析电路的设计与分析 3 31 1 电路的原理框图电路的原理框图 运算放大计数电路译码电路数码管 计时电路 路 3 32 2 单元电路的设计与分析单元电路的设计与分析 3.2.13.2.1 运算放大器运算放大器 lm358lm358 的功能的功能 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于 电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下， 电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有 可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。 特性(Features)： 内部频率补偿。 直流电压增益高(约100dB) 。 单位增益频带宽(约1MHz) 。 电源电压范围宽：单电源(330V)；双电源(1.5一15V) 。 低功耗电流，适合于电池供电。 低输入偏流。 低输入失调电压和失调电流。 共模输入电压范围宽，包括接地。 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V) 。 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 3 - 参数 输入偏置电流45 nA 输入失调电流50 nA 输入失调电压2.9mV 输入共模电压最大值VCC1.5 V 共模抑制比80dB 电源抑制比100dB LM358应用电路图： LM358 PDF|LM358 中文资料|LM358 放大器应用电路图，管脚图（引脚 l 图）包含 了: LM358 中文 PDF,英文 PDF，中文资料，以及 LM358 放大器应用的图例，并且也列 出了 LM358 的管脚图或引脚图，还包含了 LM358 的工作原理。参数，及各种应用的电 路图。 3 32 22 2 多谐震荡电路的设计与分析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 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 4 - 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。 555 引脚图 3-2 通过调节 RW 来 7 端的电压大小从而改变输出端 3 电压 Vo 的波形。 T1=(Rw+R)Cln2 T2=RCln2 T=T1+T2=(Rw+2R)Cln2 当 R=47K,C=10uF。由公式得当 Rw=47K 时输出端输出震荡频率为 1Hz。周期是 1 秒， 即可作为秒的脉冲输入标准秒脉冲。 3.2.3 集成单稳态触发器的原理集成单稳态触发器的原理 74121 由触发信号控制电路、微分型单稳态触发器、输出缓冲电路三部分组成。将 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 5 - 具有迟滞特性的非门 G6与 G5门合起来看成是一个与或非门，它与 G7门及外接电阻 Rext(或Rint） 、电容Cext即组成微分型单稳态触发器，其电路工作原理与微分型单稳态 触发器基本相同。电路只有一个稳态Q=0,Q=1。当图中 a 点有正脉冲触发时，电路进入 暂稳Q=1,Q=0。Q为低电平后使触发信号控制电路中RS触发器的 G2门输出低电平，将 G4门封锁，这样即使有触发信号输入，在 a 点也不会产生微分型单稳态触发器的触发 信号，只有等电路返回稳态后，电路才会在输入触发信号作用下被再次触发，根据上 述分析，电路属于不可重复触发单稳态触发器。 图 3-2 发器 74121 的逻辑图 3 32.42.4 显示电路的设计与分析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+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 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 6 - 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。 3-3.1 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 74ls148。74LS48 译码驱动器输出是 高电平有效。在优先编码器电路中，允许同时输入两个以上的编码信号。不过在设计优 先编码器时已经将所有的输入信号按优先顺序排了队，当几个输入信号同时出现时， 只对其中优先权最高的一个进行编码。 图 3-3 给出了 8 线-3 线优先编码器 74LS148 的逻辑图。如果不考虑由门， 和构成的附加控制电路只有图中虚线框以内的这一部分。 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 7 - 图图 3-3.2 8-3 线线 74ls148 译码器译码器 从图 3.3.1 写出输出的逻辑式，即得到 （3.3.1） 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 8 - 为了扩展电路的功能和增加使用的灵活性，再 74LS148 的逻辑电路中附加了由门 ，和组成的控制电路。其中为选通输入端，只有在的条件下，编码能 正常工作。而在时，所有的输出端均被封锁在高电平。 选通输出端和扩展端用于扩展编码功能。由图可知 （3.3.2） 上式表明。只有当所有的输入端都是高电平（即没有编码输入） ，而且 S1 时， 才是低电平。因此，的低电平信号表示“电路工作，但无编码输入” 。 从图 3.3.1 还可以写出 （3.3.3） 这说明只要任何一个编码输入端有低电平信号输入，且 S1，即为低电平。 因此，的低电平输出信号表示“电路工作，而且有编码输入” 。 根据式（3.3.1） 、 （3.3.2）和 3.3.3）可以列出表 3.3 所示的 74LS148 的功能表。它 的输入和输出均以低电平作为有效信号。 在电路正常工作状态下，允许当中同时有几个输入端为低电平，即 有编码输入信号。的优先权最高，的优先权最低。当时，无论其余输入端有 无输入信号（表中以 X 表示） ，输出端只给出的编码，即。当、 时，无论其余输入端有无输入信号，只对编码，输出为。 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 9 - 3 32 25 5 数电路的设计与分析数电路的设计与分析 该部分用到了计数器 74LS160 共三个，两个分别都组成了十进制计数器，用于显 示个位和十位，第三个仍是十进制，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 同时加在二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： 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） 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 10 - /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 3-5 74LS160 内部电路图 3.2.63.2.6 电路的安装焊接电路的安装焊接 我们根据所给的器件根据所给的器件在面包板上进行焊接。在此我们进行手工焊接.手 工焊接的基本操作方法：焊前准备：准备好电烙铁以及镊子、剪刀、口钳、尖嘴钳、 焊料、焊剂等工具，将电烙铁及焊件搪锡，左手握焊料，右手握电烙铁，保持随时可 焊状态。用烙铁加热备焊件。送入焊料，熔化适量焊料。移开焊料。当焊料流动覆盖 焊接点，迅速移开电烙铁。掌握好焊接的温度和时间。在焊接时，要有足够的热量和 温度。如温度过低，焊锡流动性差，很容易凝固，形成虚焊；如温度过高，将使焊锡 流淌，焊点不易存锡，焊剂分解速度加快，使金属表面加速氧化，并导致印制电路板 上的焊盘脱落。尤其在使用天然松香作助焊剂时，锡焊温度过高，很易氧化脱皮而产 生炭化，造成虚焊。按照手工焊接的基本操作方法进行焊接，将各个原器件按照要求 都焊接在面包板上，完成器件的安装与焊接 徐州师范大学物理与电子工程学院课程设计报告 - 11 - 4.4. 电路的调试与分析电路的调试与分析 4 41 1 调试使用的仪器调试使用的仪器 4.0V 直流电压源、万用表 4 42 2 电路的调试电路的调试 将焊接好的电路进行调试。将电路接到+5 伏电源上，观察数码管显示是否正常。 如果显示正常，计数正确，是从 0 计数到 9 说明电路原理和安装焊接正确，设计、调 试成功。三个数码管均显示 0（一个是计数用的显示管，另三个作计时用） ，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。 5 5总结总结 5 51 1 设计体会设计体会 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