路灯控制器的设计与制作-毕业设计

1、学生：XXX指导教师：XXX内容摘要：关键词： IStreet light controller design and productionAbstract: a Keywords: .II目录前言 . 11 选题及前期调研.11.1 路灯控制器简介. 11.2 路灯控制器特点及应用.11.3 选题依据.11.4 设计目标和内容. 12 方案选择与论证.12.1 方案一：模拟电路与数字电路组合.12.2 方案二：模拟电路与可编程逻辑器件组合. 22.3 方案三：模拟电路与单片机组合.32.4 VHDL语言及Quartus 软件简介.42.4.1 VHDL语言简介.42.4.2 Quartus

2、软件简介.52.5 数码管和EDA实验箱简介 . 62.5.1 数码管简介.62.5.2 EDA实验箱简介. 63 总体方案设计和单元模块设计.63.1 总体系统结构图. 63.2 单元模块设计. 73.2.1 直流稳压电源模块. 73.2.2 三端稳压器介绍.8III3.2.3 三极管小信号放大电路模块.83.2.4 三极管开关电路及控制电路模块. 93.2.5 电磁式继电器介绍.104 结束语.12附录.13参考文献.14IV前言伴随着科学技术的发展，人类社会的进步。越来越多的电子产品不断涌现，而且电子产品的体积越来越小。并且功能大，效率高，能耗低。我们设计的产品 AD PWM 信号，使外

3、部电路简单；运用DS1302时钟芯片保证了时间的实时显示，还运用了 NE555 构成的多谐振荡器与红外发射二极管外设电路；显示电路我们采用1602 液晶显示屏，是我的设计更加人性化。并且在我们的设计制作中充分考虑了环保的问题，我们运用的辅助器件就是剩下的废料。1 选题及前期调研1.1 路灯控制器简介随着社会的发展，城市人口的不断增加，城市建设规模的扩大化。为完善城市的基础设施建设和谐、安全的城市人居环境、美化城市，路灯控制器的设计要求不断提高。现在市场上生产路灯控制器的生产厂家众多，控制器功能齐全，智能化程度比较高，路灯控制器的类型也层也不穷。例如，路灯太阳能控制器、智能路灯节能控制柜、路灯节

4、电控制柜、路灯节能电器等一系列的路灯控制器。路灯控制器集电磁技术、智能化控制技术、数据控制技术于一体，在可控和平缓的方式下智能调节，路灯控制器实现公共照明系统的工作电流与亮度需求的理想结合，达到节电和优化供电目的，路灯控制器节能率可高达 20%-40%，对用电系统的保护作用可使其寿命延长 3-4 倍。路灯控制器主要采用优质、高性能元器件，且极少运用活动的元器件，保证了极高的产品工作安全性，因而确保为用户单位提供更安全、可靠和更优性能的产品服务。路灯控制器现有两种类型，室内型：安装在室内照明控制柜下端；户外型：可按照用户要求进行安装，放置在不锈钢的机柜里。其中光控型路灯控制器广泛应用于城市建设，

5、光控型路灯控制器都开启和关闭都是通过采集自然光强弱的变化转化成电压电流的变化控制路灯的亮灭，具有自动控制的功能，能最大效率的节约电能而且在恰当时候开启，给行人提供方便。11.2 路灯控制器特点及应用2现代路灯控制器具有的特点：采用先进的微处理芯片，高可靠性、误差小、低成本、稳定性强，具有断电数据保存，时钟不间断工作，无需更换电池，维持时钟运行十年以上；采用数码管准确显示路灯一次连续开启的时间和路灯总共的开启次数；抗干扰能力强，能抵御从电网直接输入幅值达脉冲；大功率继电器输出，可接 220 伏或 380 伏接触器，控制稳定，使用寿命长，体积小，安装简单。250 伏的干扰路灯控制器广泛应用于市政道

6、路、高速公路、桥梁、隧道、园林、码头、观光景灯、体育广场、游乐场所、广告灯箱等公共照明环境；路灯控制器适用的灯具类型：高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯、高荧光灯等所有气体放电式照明灯具。1.3 选题依据路灯控制器的设计与制作从理论意义来说可以将本人所学的知识系统的联系起来形成一条主线，选择此题目可以复习模拟电子技术、数字电路技术、EDA 技术、单片机技术、可编程逻辑器件等相关知识的作用；本次设计我采用模拟电路和软件编程相结合能或全智能化，而且实现电子产品智能化很多都是在程序为主要实现方法，例如，采用 语言等编写程序，可以在很大程度上节约成本，提高产品的智能化程度。设计要求采集自然光照控制路灯的

7、开启和停止，这不但能实现自动化控制而且还能合理利用电能，实现资源的优化配制，且对我本人而言设计难易程度适中。从实际来说，路灯控制器在我们的生活中应用十分广泛，尤其在街道两旁，当我们远望去到处是灯火辉煌，在现代生活中随着人民生活水平的提高，路灯控制器的设计要求和技术含量也不断提高，所以选择控制器的设计与制作可以培养本人的设计思维，调动学习积极性，实践过程中可以起到练习故障查找、处里能力，练习焊接技术。1.4 设计目标和内容 Quartus 开发平台对时、分、秒、分频、计数、动态扫描显示各模块进行编程和仿真验证，路灯控制器的设计与制作分两个部分：采光控制部分和计数（包括路灯当前一次的连续开启时间和

8、路灯的开启次数的计数）显示输出部分。然后在将两部分整合在一起就完成路灯控制器的设计，通过采光、光电转换控制部分输入控制信号，计数显示输出部分就能正确显示当前的控制状态和输出状态。12 方案选择与论证2.1 方案一：模拟电路与数字电路组合模拟电路部分包括直流稳压电源、光电转换、小信号放大、三极管开关电路，直流稳压电源又包括降压、整流、滤波、稳压四部分，即可得到直流稳定12V电压；数字电路主要有秒肪冲、计数、译码七段数码管显示。利用模拟电路提供 12V 直流稳定电压，和使能信号；数字电路负责显示路灯当前一次的连续开启时间和统计路灯的开启次数。模拟电路部分用到的元件及作用：三极管 9013 用于小信

9、号放大和开关，光敏电阻完成光电轮换，普通碳膜电阻根据三极管需要提供适当的偏置电压和隔离、保护作用，继电器在开关三极管的控制下用于接通和断开路灯回路。数字部分用到的元件：555 定时器，74LS160 计数器、74LS48 译码器、七段显示数码管，其中 555 定时器产生秒脉冲，用于驱动 74LS161 计数，74LS48 负责译码将 74LS161 计数的 4 位二进数译码成 7位二进制以驱动七段数码管正常工作。模拟电路与数字电路组合总体看来具有设计思路清晰、价格成本低、稳定性高、易现实，但电路结构相对复杂，需要购买许多电子元件和集成块，整体电路调试困难，设计框图如图 2.1-1所示：220V

10、2.2 方案二：模拟电路与可编程逻辑器件（FPGA）组合方案二中模拟电路部分和方案一完全相同，在此不在赘述，重点介绍 FPGA 器件的设计部分，目前 FPGA 主要有 ALTERA 公司的 ACEX、MAX 系列、XILINX 的 Virtex_4 系列等，其中 ALTERA 公司的 ACEX 系列 FPGA 在教学中用得较多；FPGA 采用了逻辑单元阵列LCA 内部包括可配置逻辑模块 CLB、输出输入模块 IOB 和内部连线三个部分。FPGA 的编2程无须专用的FPGA FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可

11、靠性的最佳选择之一。在本次设计中FPGA采用的是ALTERA公司MAX II系列EPM240T100C5N开发板，开发板内部是人为将实际需要的电路功能用VHDL语言语法描述出来，然后能过下载线将和统计路灯的开启次数，完成这一功能将是由不同功能的程序模块组合在一起。在满足结果从芯片的输出端口输出，驱动后序电路工作。方案二除模拟电路和方案一相同外还具有自身的特点：此方案采用EPM240T100C5N际功能分析，将功能程序化和VHDL程序编写能力，对设计人员的技术要求比方案一的高，使电路具有比较好的稳定性和灵敏度，缺点是购EPM240T100C5N开发板成本较高，这样一来就使得整个设计的成本增加。方

12、案二的设计框图如图2.2-1所示：直压FPGA继电器源小信号放大三极管开关数码管路灯图 2.3 方案三：模拟电路与单片机组合方案三中模拟电路部分主要负责提供直流稳压电源，在此不在赘述。单片机是指集成在一个芯片上集成了一台微行计算机所需的CPU等，也被称为微控制器（Microcontroler），具有体积小、价格便宜、性能稳定、通用性好、易生产、抗干扰能力强，使用灵活等特点。单片机集成芯片常用的有 AT89系列、MCS-51系列等，其正常工作条件必须满足5V供电、时钟电路、复信电路正常，单片机主要应用于智能仪表、工业实时控3制、机电一体化、通信接口、家用电器等，单片机程序的编写采用 C 语言或汇

13、编语言编写，在外围电路接上所需的外部元件和设备在触发信号到来时开始工作。方案三的设计原理：电源电路、时钟电路、复位电路分别给单片机提供 5V电源、工作时钟脉冲、复位信号以满足单片机的正常工作条件，自然光的强弱经光敏电阻转换成电信号的大小，在经过 A/D 变换将模拟的电信号变为数字信号通过引脚加到单片机内部，单片机动作后输出电路包括路灯一次开启的时间，路灯总共开启的次数和路灯的通断，方案三总体来说具有整体电路简单、节约成本、稳定性高、对触发条件感应灵敏、所需要的外部元件少，但程序编写过程复杂难懂，方案三的设计框图如图 2.3-1所示：VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言，出现在80年代的后期

14、，最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的HighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言，因此它的应用主要是应用在数字电路的设计中。目前，它的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL 的语言形式和描述风格语句语法是十分类似于一般的计算机高级语块或一个系统）分成外部（或称可视部分4实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开

15、发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。VHDL述，从而大大简化了硬件设计任务，提高了设计效率和可靠性。同时还具有与具体硬件电路无关和与设计平台无关的特性，并且具有良好的电路行为描述为系统描述能力，并在语言易读性和层次化结构化设计方面，表现了强大的生命力和应用潜力。VHDL设计流程如下: 创建工程，使用New Project Wizard工具选项创建设计工程。 程序编辑编译，利用Quartus 工具的文本或图形编辑器将设计者的设计意图用文本或图形方式表达出来，完成设计描述后即可通过编译器进行排错编译，变成特定的文本格式。 仿真，利用产生的网表文件进行功能仿真，以便了解设计描述与设计意图的一

16、致性。 调试，在仿真过程中若程序出现语法上的错误，程序将不会通过仿真同时会有相就的错误提示，此时就需要人为的根据错误提示修改程序，使程序正确并通过仿真。 引脚邦定，引脚邦定是为了将程序下载到硬件电路并使电路正常工作得到我们希望的结果，此过程要依据集成芯片的内总引脚与外部电路实现配对。 下载，如果以上的所有过程都没有发现问题，就可以通过FPGA/CPLD下载电缆载入目标芯片中将程序下载到实际电路中。 硬件仿真与测试。2.4.2 Quartus 软件简介QuartusII 是Altera公司的综合性PLD以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多种设计输

17、入形式，内嵌自有PLDII除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。此外，Quartus II 通过和DSP Builder工具与Matlab/Simulink相结合，可以方便地实现各种DSP应用系统；支持Altera的片上可编程系统（SOPC）开发，集系统级Quartus软件完成VHDL程序设计的一般步骤： 建立工程：filenewproject wizard next(输入工程文件的路径、工5程文件名字、顶层文件名字)finish。 建立文件：filenewVHDL/block diagram。 acex1k

18、ep1k30tc144-3okprocessingstart compilation。 程序波形仿真：filenewotherfilevectorwaveform file(双击空白处)noderfinderfilteralllist(加入端口)okok设置输入信号processingstart simulation。 引脚绑定：assignmentassignment editorpin双击new输入引脚编号start compilation。 程序下载：toolprogammerhandware setupadd handwarebyteblasterMV or byteblaster c

19、losestart。2.5 数码管和EDA实验箱简介2.5.1 数码管简介1位、2位、4位等等数码管；数码管由8个发光二极管构成，可以用来显示数字、字符等。它在家电及工业控制中有着广泛的应用，例如用来显示温度、数量、重量、日期、时间等，具有显示醒目、直观的、成本低等优点，数码管实符号和引脚。其中7个发光二极管组成“8字形状，加上小数点总共8个二极管，这些段分别用a、b、c、d、e、f、g、dp来表示，COM引脚为公共端，用来控制数码管显示的打开或关闭，即起到使能作用，数码管内部结构。 到2.5.2 EDA实验箱简介ACEX1K30TC144-3实验箱采用贴片元件、插接、集成芯片等元件组成，接口

20、丰富，功能强大，不但具备一般开发板的普通接口如串口、按键、指示灯等，还设计了高级接口如接口等，并且专门设计了实验接口区，使用者可根据自己的需要向本系6采取了巧妙设计，为用户提供了实惠的价格完成了一些高级功能，是市面上性价比较高的产品。ACEX1K30TC144-3 FPGA实验箱结构3 总体方案设计和单元模块设计3.1 总体系统结构图根据本人对所学知识的理解、掌握、应用程度和本人现能提供的电子元件或设计中需要用到的器材，此次毕业设计我选择方案二完成此次设计的任务和要求，总体系统结构框图如图3.1-1所示：小信号大光电转换FPGA路灯开关控制计数显示顶层图图 3.2 单元模块设计3.2.1 直流

21、稳压电源模块直流稳压电源是一种将220V直流稳压电源由降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分构成，电路组成框图如图3.2-1所示：降压电路整流电路滤波电路稳压电路负载图 降压电路的作用是将220V的交流电压变成需要大小的交流电压，整流电路的用用7滤成平滑直流；稳压电路则完成输出平滑稳定的直流电压供给负载电路。特性将大小和方向随时间变化的低压交流电变成只有大小变化而无方向变化的脉动直纹波小等特点。滤波电路常用的有电容滤波、电感滤波和复合滤波电路，电容滤波是利的原理，而复合滤波电路则是将两者都包括进来，具有还好的滤波效果。稳压电路是不论电网电压或负载发生变化时能基本保持输出电压稳定不变。二极

22、管的平均电流为流过负载的总电流，因负载的阻值 不确定，所以 暂定。综上所推理直流稳压电路中各元件的取如下：T1用输出电流较大的E型电源变压器如DBIN4001IN4007C2选用耐压值量为1000uF或2200uF，C5选用耐压值2550V，容量为220 uF即可，C6、C7为滤除电流中高频成分选用瓷片电容或，独石电容，云母电容等均可。3.2.2 三端稳压器介绍三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器，在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应

23、用，固定三端稳压器的图形如右图所示。固定三端稳压器的通用产品有78系列（正电源）和79由具体型号中的后面两个数字代表，有等档次。输出电流以L表示表示1.5A，如78L05表求5V 0.1A，另外一般在三端稳压器的输入输出端接一个二极管， 用来防止输入端短路时,输出端存储的电荷通过稳压器,而损坏器件。的三个端子分别为输入端、输出端、调整端。应用特点是在调整端外接一个固定电阻和一个电位器，调节电位器就可实现输出电压调节，得到所需要的输出直流电压，一般输出电流不小于5mA，输入电压范围在340V之间，输出电压可调范围为1.2537V.3.2.3 三极管小信号放大电路模块电阻增大，从而改变加在光敏电阻

24、上的电压，完成光电转换过程。三极管小信号放大电由三极管和电阻构成，采用分压稳定偏置电路.8为使电路处于放大状态必须满足：必须使放大器件处于合适的直流工作状态，即就保证三极管的发射结正向偏置，集电极反向偏置。 必须保证放大电路有合适的交流工作条件，输入信号能够加到放大管的输入端，放大电路的电压或电流能够尽可能的送至负载。 必须合理选择放大电路元件的参数。因电路要工作在放大状态，根据使电路处于放大状态的3个条件可知三极管的UcUbUe,当光敏电阻自身的阻值为 14K 左右时电路处于放大状态，所以人为规定R2=100K，则放大电路中各元件的值可由以下公式算出：三极管处于放大时Ube 0.7V,R=R

25、5/R2=15K可得R1UbUe，当光敏电阻的阻值为14K左右时三极管放大电路触发，处于放大状态。3.2.4 三极管开关电路及控制电路模块从小信号放大电路输出的控制电压控制三极管Q2Q2工作在开关状态才能起到控制作用，所以要求小信号放大电路的输出电压、电流幅值较大，因为从IO1输出的电压和电流经过R4电阻加到三极管Q2的基极从而起到控制Q2导通和截止的作用。当Q2导通时继电器的线圈同时上电，根据电磁感应原理将电压转化成磁能吸合衔铁，继电器的常开触点吸合，常闭触点断开，使路灯供电电路形成回路，路灯发光起到照明作用，同时en和countclk输出5V控制电压，反之路灯熄灭，en和countclk输

26、出D3与K2与K1看作是一个电感线圈，当突然断开时线圈中的电流不能突变而线圈自身还会产生一个很大的电动势会击穿Q2等元件，因此在并上D3、D5后K1、K2断电瞬间产生的感应电动势经过D3、D5又重新加到K1、K2两端中和掉K1、K2自身产生的电动势，起到保护电路的作用。此模块中12V的直流电压先经过三端稳压器U1稳压后，再经过C8、C10滤波后得到5V的直流电压，考滤到电容的储能的作用会增大设计结果的误差，所以将5V直流电源放在控制回路之前。其中 en 作为统计路灯当前一次的连续开启时间的使能信号，countclk起保护三端稳压器的作用，以免电容充电电压过高形成灌电流损坏三端稳压器，三极管开关

27、电路及控制9电路如图 3.2.4-1 所示：3.2.5 电磁式继电器介绍电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触（常闭触点）点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电电磁式继电器主要参数： 额定工作电压：是指继电器正常工作时线圈所需要的电压，

28、也就是控制电路的控制电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。 直流电阻：是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 吸合电流：是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的 1.5 倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。 释放电流：是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 0，而常开触点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。 圈

29、是否存在着开路现象。 测量吸合电压和吸合电流：找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。 测量释放电压和释放电流：当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流即为释放电压和释放电流，继电器的电路符号、实物及接法如图 3.2.5-1 所示：4 结束语惑，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

30、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Quartus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

31、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，细节决定成败日月如梭，转眼就要告别我的大学生涯，闭上眼，3 年的大学生活历历在目。3 年前刚踏进校门的那一刻，我还是一个不知世故的懵懂少年，3 年的大学生活，让我收获知识，收获成绩，更让我懂得了如何做人。感谢我的父母，在我的成长和求学过程中，父母不仅在经济上承受着巨大的负担，时父母依依不舍的情形与嘱咐，皆使我刻苦铭心。我的父母，你们幸苦了。感谢我的指导老师 XX 老师，是你传授我知识，给我帮助和鼓励，教会我如何做人、如何做事，谢谢你，你们幸苦了。感谢所有的同学，三年我们一起

32、学习，平时各位同学的喜、怒、哀、乐都令我一生难忘，现在回想起来，认识各们同学都是我一生的荣幸，在未来的工作和生活中，我期望我们仍将一路同行。最后，就让我们把这充实而又充满意义的3 年放进回忆。眼前，一条新的道路已在12附录2：分频程序library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity fenpin isport(clk1k:in std_logic;clk20H:buffer std_logic;clk1H);:out std_logicend;architecture feature

33、of fenpin isSignal count:std_logic_vector(5 downto 0);signal count2:std_logic_vector(4 downto 0);beginprocess(clk1k,count)beginif clk1kevent and clk1k=1 thencount=count+1;if count=110010 thenclk20H=1;count=000000;process(clk20H)beginif clk20Hevent and clk20H=1 thencount2=count2+1;then clk1h=1; count2=00000;clk1h=0;if count2=10100else14end if;end if;end process;end;秒计数程序（分计数、时计数计数原理一样在此只以秒计数程序为例）library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity