数模电路灯控制器课程设计论文

在当今社会中，随着经济的快速发展，人们对能源的需求越来越大，而浪费也越来越严重，电力资源就是其中之一。现在的街道基本配有路灯，如何实现路灯的智能化控制来节省电力资源，路灯控制器可以很好的解决这个问题。

本课程设计的任务就是设计一个路灯的控制系统。采用74LS390、74LS00、74LS04、CD4511、NE555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）。当处于暗环境下（晚上）能够自动开灯（发光二极管亮），当处于亮环境下（白天）能够自动关灯（发光二极管灭）；能自动记录“路灯”的开灯次数（用1位数码管显示）；同时还能记录和锁存“路灯”开灯时间(使用3个1位数码管显示)。

针对电子线路课程要求，在熟悉基本原理的前提下，与实际应用相联系，设计自己的方案，并完善设计。通过实用型电子线路设计、安装、调试等各环节的综合性训练，培养我们运用课程中所学的理论与实践紧密结合，在独立又有机合作下解决实际问题的能力。路灯控制器主要是通过光敏电阻对外界的光线的强弱的感应来改变自身的电阻阻值，从而控制555定时电路构成的施密特触发器高、低电平输出，达到控制路灯的开和关。

2.1  方案比较

方案一：

此方案采用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，完成采光和小信号放大并产生控制信号控制继电器的吸合，三极管的开关产生脉冲信号和使能信号；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。设计框图如图2.1所示：

图2.1设计框图

方案二：

本设计主要是通过光敏电阻对外主要是通过光敏电阻对外界的光线的强弱的感应来改变自身的电阻阻值，从而控制555定时电路构成的施密特触发器高、低电平输出，达到控制路灯的开和关。

采用74LS390、74LS00、74LS04、CD4511、NE555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）。当处于暗环境下（晚上）能够自动开灯（发光二极管亮），当处于亮环境下（白天）能够自动关灯（发光二极管灭）；能自动记录“路灯”的开灯次数（用1位数码管显示）；同时还能记录和锁存“路灯”开灯时间(使用3个1位数码管显示)。设计框图如图2.2所示：

方案一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。

方案二主要是通过光敏电阻对外界的光线的强弱的感应来改变自身的电阻阻值，从而控制555定时电路构成的施密特触发器高、低电平输出，达到控制路灯的开和关。为了使计时与计数电路同步启动，计数电路的控制是通过NE555的输出端提供脉冲，使其计数；并通过NE555输出端来控制计时电路同步供电。计时电路脉冲的产生是用NE555接成一个频率为1HZ的多谐振荡器触发74LS390计时，再用CD4511驱动共阴极七段数码管做显示电路。

当光照减弱时，光敏电阻阻值增大，NE555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，当光照增强到一定强度时，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。

图3.1光敏电阻与555定时器构成的控制电路原理图

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3脚输出电平，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，Vi< 1/3Vcc；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，Vi> 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减小过程中达到值时2/3Vcc，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。

图3.2多谐震荡器原理图

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3-2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。

脉冲宽度计算公式：Tw≈0.7 (R1+RW+R2) C               （3-1）

振荡周期计算公式：T≈0.7 (R1+RW+2R2) C                          （3-2）

如图所示，C2=10nF、C3=10uF、R2=100KΩ，R3=20KΩ，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（R3+2R2）C1=1s。

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。

图3.3 74LS390管脚图

反馈清零法实现六十进制计数

图3.4 反馈清零法实现六十进制计数

六十进制计数原理图先将两片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U7B的Q1、Q2分别接至双与非门组合的输入端。工作时，在第60个脉冲计数脉冲作用后，计数器输出为0110 000（十进制数60），U7B的Q1、Q2同时为1，使双与非门组合输出高电平，U7B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。

图3.5锁定及自动清零单次计时电路原理图

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。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。

图3.6 驱动数码译码电路

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74ls04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。

图3.7 计数器原理图

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。

图3.8 555管脚图

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。其工作波形如图(D)所示。

图3.9 555多谐振荡器

设电容的初始电压＝0，t＝0时接通电源，由于电容电压不能突变，所以高、低触发端＝＝0<，比较器Ａ1输出为高电平，Ａ２输出为低电平，即，（1表示高电位，0表示低电位），RS触发器置1，定时器输出此时，定时器内部放电三极管截止，电源经，向电容Ｃ充电，逐渐升高。当上升到时，输出由0翻转为1，这时，RS触发顺保持状态不变。所以0<t<期间，定时器输出为高电平1。

时刻，上升到，比较器的输出由1变为0，这时，，RS触发器复0，定时器输出。

期间，，放电三极管Ｔ导通，电容Ｃ通过放电。按指数规律下降，当时比较器输出由0变为0，RS触发器的，Ｑ的状态不变，的状态仍为低电平。

时刻，下降到，比较器输出由1变为0，RS触发器的1，0，触发器处于1，定时器输出。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，电容放电时，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。为电容充电时间，为电容放电时间。

充电时间                  （3-3）         

放电时间                                （3-4）

矩形波的振荡周期   (3-5)

因此改变、和电容C的值，便可改变矩形波的周期和频率。

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和。

集成电路74LS390芯片为双10进制计数器，其具有时钟输入CLOCK A（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。

A、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。

CD4511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。

图3.12 CD4511引脚图

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ABCD 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时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

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。

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。在本设计中用CD4511译码驱动器进行驱动。

图3.13 共阴数码管封装和内部电路

其各单元模块图如图3.3.1所示：

图3.14各单元模块的联接图

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Vi<1/3Vcc，黑暗时Vi>2/3Vcc。

当光照减弱时，光敏电阻阻值增大，NE555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，当光照增强到一定强度时，光敏电阻阻值减小，3口出现低电平，小于1/3VCC，路灯熄灭。

计时器的清零

图4.1 计时器的清零电路图

如图所示，电路中的这个74LS00与非门的作用为使控制右数第二个数码管（即十秒位）的74LS390(U7B)计数芯片在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。控制计时器的另外两个数码管的74LS390(U6B和U7A)芯片部分会因为电平的改变自动清零。

而CD4511(U2、U3、U4)的5脚LE接到的信号是通过图中74LS04非门转变而来的。当LED亮时，U9B3脚为1，经74LS04后，LE为0，允许译码输出。当LED熄灭时，U9B3脚为0，经74LS04后，LE为1，允译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。

（1）当处于暗环境下（晚上）能够自动开灯（发光二极管亮），当处于亮环境下（白天）能够自动关灯（发光二极管灭）；

（2）能自动记录“路灯”的开灯次数（DS1位数码管显示）；

（3）能单次记录和锁存“路灯”开灯时间（用3个1位数码管显示），基本实现了本次设计的要求。

在Proteus软件的仿真中，我们发现光敏电阻和555构成的光控电路不能仿真，所有设计了一个开关来模拟白天和晚上，当开关闭和相当于白天；当开关断开相当于晚上。当仿真图如下：

图5.1开关断开（光线较暗）时的测试图

图5.2 开关闭合（光线较亮）时的测试图

当处于暗环境下（晚上）能够自动开灯（发光二极管亮），当处于亮环境下（白天）能够自动关灯（发光二极管灭）；能自动记录“路灯”的开灯次数（DS1位数码管显示）；能单次记录和锁存“路灯”开灯时间（用3个1位数码管显示），基本实现了本次设计的要求。

当光照减弱时，光敏电阻阻值增大，NE555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，当光照增强到一定强度时，光敏电阻阻值减小，3口出现低电平，小于1/3VCC，路灯熄灭。

电路整体功能正常，而且可以达到题目的基本和扩展功能，本次的设计中的数码管亮度不是很够，proteus软件不能准确的仿真光线强弱时发光二极管亮暗的情况，本设计能够自动记录开灯时间和开灯的次数，基本达到了本设计的设计目标。

“光控”容易受外部环境干扰，灵敏度低且可靠性较差。“钟控”不适应天气突变与季节变化等自然情况。二者均不能实现控制开关灯的合理化、科学化。从而会出现：开灯早，关灯晚；或者开灯晚，关灯早的现象。前者会造成巨大的电能浪费，后者会损害城市形象、影响社会治安和交通安全，从而影响城市的投资环境。所以应取长补短，设计出科学，合理的路灯控制器。

为期近两周的课程设计刷一下即将结束，回首这整个过程，仍感到些许紧张和满路，但是更多的是充实。从选课题开始我们就忙起来了，整天沉浸在思索之中，一起找资料，一起讨论，有不解的问题向老师请教……

近两周内我们查看了大量资料，通过仔细的研究和反复演算和实践，终于完成了我们团队的设计。

总体来说，理论和实际相差有些距离，真正的实践不是我们想象的那么简单，实践中会让我们发现许多现实的问题，同时也检验了我们的转变能力。

我的具体心得体会如下：

（1）选题：结合自身条件，选择难度符合自己和稍微带有挑战的题目。

（2）查阅资料：利用身边一切优良条件，从多渠道获取资料。

（3）确定设计思路：根据资料和团队讨论，结合题目和实际，设计确实可行的设计方案，并画出框图。

（4）分模块设计：根据设计要求对模块进独个设计和功能调试，最终实现系统功能。

（5）利用好计算机辅助工具：Proteus仿真软件,Microsoft Office visio等软件。如：Proteus仿真软件可以实现原理图的功能进行仿真，让我们设计的功能实现情况在计算机上一目了然。

（6）团队合作非常重要：人多力量大，通过默契的配合，可以让一些问题很好很快地的得到就到解决。

（7）最重要的是要有兴趣去实践和虚心向老师请教。

时间过得真快，近两周的课程设计即将结束，回首这整个过程，仍感到些许紧张和满路，但是更多的是充实。这虽然是短短的两周时间，但这不仅让我收获了知识，收获了成果，也收获了情谊，更让我懂得了团结协作的重要性和必要性。

感谢王波老师，我很荣幸能得到王波老师的精心指导，使得我的电子技术课程设计能按时、保质的完成，谢谢您，在这两周里对我辛苦耐心的指导。

感谢所有的老师，是您们传授我知识，让我具备完成课程设计的基本要求，感谢所有的同学，是你们的鼓励让我坚持下去，最后，还要感谢我们小组的成员，有你们的帮助和支持，我才能更好地完成这项任务。

就让我们把这充实而又充满意义的2周时间放进回忆，虽然时间很短，但我学到的东西却很多，我相信在以后的道路上不管遇到什么样的困难，我都不会放弃。

我再次深深感谢所有的帮助我的老师和同学，祝你们身体健康，工作顺利，生活愉快。

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