单片机设计实验.docx
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单片机设计实验
电子技术基础课程设计说明书
题目：
路灯照明控制器
学生姓名：
唐歆
学号：
200606080118
院（系）：
电信学院
专业：
计算机科学与技术（061）
指导教师：
侯勇严
2008年01月13日
1设计选题背景
随着社会的发展，人们的生活水平越来越高，因而追求生活的便利度与享受度也随之提高。
路灯自动照明就是体现公共设施人性化，更多地方便人们的一种具体方式。
本课题是为了解决路灯开与关的自动控制，一改以前的手动控制。
自动照明就是可以根据环境的某方面变化从而开启或关闭路灯。
本课题是采用光控电路实现路灯的自动控制，当环境的亮度较暗时路灯开启，当环境亮度较明亮时路灯关闭。
并在此基础上添加了自动计时和自动计数功能。
在此自动计时是指计一次灯亮的时间，自动计数是指计路灯亮的总次数。
本课题是根据光敏三极管的光敏特性（在亮度较亮时光敏三极管的电阻很小，在亮度较暗时电阻很大。
）来感受外界明暗程度变化从而实现路灯的自动开闭。
2方案论证
现在市场上主流的自动照明路灯由三种，声控灯、光控灯和声光控制灯。
顾名思义，声控灯是根据环境声音的变化来控制路灯的亮与灭，光控灯时根据环境的明暗程度来控制路灯的亮与灭，而声光控制灯时同时根据声音大小和光照明暗来控制路灯的亮与灭。
它们各有特点，也互为补充。
现在国家大力支持发展照明行业，而作为光信息科学与技术转业的我们，光源与照明是我们专业的一大方向，为了更好地往这方面发展，再加上兴趣爱好，路灯照明控制器设计这个题目成为了我的首选。
光控灯的原理是根据环境光照的明暗程度来控制路灯的开与灭。
根据需要的不同又可细分为：
光暗灯亮，光亮则灯灭；光暗灯灭，光亮则灯亮这两种。
对于日常用路灯是选择前一种类型。
它的主要特点是感光灵敏度好，易于实现，且设计成本较低。
3硬件选择与分析
本课题需要的主要硬件包括：
光敏三极管（PHOTO-NPN）、555定时计数器、单稳态触发器（74121）、继电器（TQ-2）、十进制计数器（74LS160）、七段数码管及驱动等。
3.1光敏三极管概述
光敏三极管工作原理光敏三极管和普通三极管的结构相类似。
不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感的PN结作为感光面，一般用集电结作为受光结，因此，光敏二极管实质上是一种相当于在基极和集电极之间接有光敏二极管的普通二极管.光敏三极管具有两个PN结，其基本原理与二极管相同；但它把光信号变成电信号的同时，还放大了信号电流，因此具有更高的灵敏度。
一般光敏三极管的基极已在管内连接，只有C和E两根引出线（也有将基极引出的）。
光敏三极管也分有硅管和锗管，如：
2AU（二极管）、3AU等是锗管；2CU、2DU、3CU、3DU等是硅管。
在使用光敏管石，不能从外形来区别是二极管还是三极管，只能由型号来判定。
3.1.1光敏三极管符号及管脚
本课题用的是3DU5B（NPN）型光敏三极管。
其符号和管脚如图3-1-1所示
图3-1-1光敏三极管的符号及管引脚图
3.2555电路的应用
3.2.1555定时计数器概述
555定时计数器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路，利用它能极方便地构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。
由于它灵活、方便，所以555定时计数器在波形的产生与变换、策略与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到了应用。
在本课题中，555定时计数器用来产生1S的方波，作为74LS160的时钟信号。
3.2.2555定时计数器引脚
图3-2-2555引脚图
3.374121的应用
3.3.174121概述
74121是一种单稳态触发器，它被广泛应用于脉冲整形、延时（产生滞后于触发脉冲的输出脉冲）以及定时（产生固定时间宽度的脉冲信号）等。
本课题是用74121产生固定时间宽度的负脉冲信号，以对74LS160进行清零。
3.3.274121引脚
图3-3-274121引脚图
3.474LS160应用
3.4.174LS160概述
74LS160是十进制计数器。
但是，在本课题的设计中，它除了用来计数外，还用来计时，它之所以可以用来计时是根据CLK为1S，每来一个CLK就记一次数，所以所计的数便反映了多少秒，因而可以实现计时功能。
3.4.274LS160引脚图
图3-4-174LS160引脚图
4系统过程设计论述
4.1光控电路
本课题是采用光控电路来实现路灯自动照明控制。
整个控制电路有五大部分组成，分别是光控电路、计时电路、计数电路、脉冲发生电路和清零电路。
光控电路的是整个系统的核心部分，它的作用是根据环境明暗程度来是执行路灯的开闭。
其具体实现原理如图4-1所示。
图4-1暗控式光控电路
在图中，无光照时，由于光敏三极管BG1的暗阻很大，BG2管基极处高电位导通，继电器J吸合，路灯亮。
有光照时由于光敏三极管BG1的电阻很小，BG2基极处于低电位截止，继电器J断开，路灯灭。
4.2计时电路
本系统采用74LS160作计时电路，并采用七段数码管来显示。
用它来计路灯一次所亮的时间。
其具体原理是，利用74LS160的计数功能，通过给一个T=1S的时钟脉冲，也就是每隔一秒计一次数，因此数码管上显示的数即为时间秒数。
具体实现原理是：
将用来计时的三片级联74LS160的CLK端接T=1S的时钟脉冲（由555定时计数器产生），由光敏三极管驱动的三极管BG2的集电极通过一反相器接到作为个位的那片74LS160的EP和ET端。
74LS160的其余各端口按正常工作方式连接。
这样当BG2导通时（外界无光照的时候）BG2的集电极处于低电平，通过反相器后变成高电平接到作为个位片的74LS160的EP和ET上，计数器开始计数。
当BG2截止时（外界有光照时）BG2的集电极处于高电平，通过反相器后变成低电平接到上述那片74LS160的EP和ET上，计数器停止计数。
计数用七段数码管显示。
4.3计数电路
系统的计数部分用于记录路灯总共亮的次数。
采用两片74LS160级联成100进制的计数器实现。
具体原理是：
将作为个位的那片74LS160的CLK接到反相器的输出端，其余各端按正常工作方式连接。
当BG2的集电极处于低电平时（外界无光照时）通过反相器后变成高电平加在该片74LS160的CLK上，当BG2的集电极由低电平变成高电平时，CLK端由高电平变成低电平，此时计数器不计数。
当BG2再由高电平变成低电平时，CLK端由低电平变成高电平，此时计数器开始计数。
通过这两片计数器的计数可记录路灯总共亮的次数。
其中计数仍用七段数码管显示。
4.4脉冲发生电路
系统所需脉冲由555定时计数器产生。
由555定时计数器产生脉冲的电路如图4-4所示。
图4-4555脉冲产生电路
上述电路中，R1=R2=48KΩ，C=10μF。
这是根据555定时计数器产生T=1S占空比q=2/3的公式算出的。
其公式如（4-4）：
T=（R1+2R2）Cln2（4-4）
4.5清零电路
本系统清零部分采用74121单稳态触发器。
由于需要记录上一次路灯亮的时间，并且要将此次记录保留到下一次灯亮，因此需要利用74121单稳态触发器产生固定时间宽度的负脉冲来清零计时电路。
4.6系统电路原理图
下转第6页。
4.7系统框图
图4-7
图4-7的功能说明：
当外界没有光照时，路灯自动开启，同时计时电路和计数电路工作；当外界有光照时，路灯自动熄灭，同时计时电路和计数电路停止计工作，计时电路显示当前的读数直到下一次外界无光照，技术电路保持原来的读数，直到下一次灯亮时再加一。
在下一次灯亮的时候74121清零电路给一个负脉冲对上一次的计时读数清零。
这样就实现了自动控制路灯开关和对一次灯亮的时间进行记录。
5组装与调试
5.1系统组装与调试概述
将各元器件按照系统原理图进行组装。
组装步骤如下：
1.先布局。
按照原理图，同时结合元器件的尺寸和整个电路板美观等布局电路。
2.各个功能电路逐步组装，组装完一个就测试一个，看该部分电路是否工作正常。
若不正常，则继续调式，直到工作正常为止。
同时在调试时注意工作电压和电流。
3.在各部分功能电路都组装完成后，将各个部分按原理图连接起来。
连接好后检查有无短接、漏接、断路等情况，在初步检查无误后上电进行总测试。
5.2具体调试方法
5.2.1光控电路的调试
在组装完光控电路，并检查无短接、漏接、断路等情况后，对光控电路进行带电测试。
具体的测试方法是:
①给光控电路接5V直流电源。
②在有光照条件下，用万用表的电压当测量三极管（BG2）集电极的电压，记录测量节结果V1。
③在黑暗条件下，用万用表的电压当测量三极管（BG2）得集电极，记录测量结果V2。
④在测量BG2集电极的电压的同时听继电器是否有吸合的声音和观察LED亮灭，并记录。
根据记录的结果，若②的测量结果V1在高电平范围内，③的测量结果是V2在低电平范围内，则说明光敏三极管工作正常。
在上述结果正确的前提下，若在④中观察到LED亮和听到继电器吸合的声音，则可以说明继电器、LED工作正常。
在本次测试中，测试的结果均符合理论要求，光控电路工作正常。
5.2.2555脉冲发生电路的调试
在检查确认电路连接完全争取后，①给555脉冲发生电路接5V的直流电源。
②将555定时计数器的3端口接到示波器的CH1（或CH2），观察波形并记录。
理论上，3端口的输出波形应该是一个周期为1S方波。
在此次测试中得到的波形却是一条直线，显然555定时技术器工作不正常。
在得到错误的结果后，首先检查了555电路的各引脚连接，结果发现是555定时技术器芯片没有接地。
经改正后3端口输出正确的方波。
5.2.3计时电路的调试
在完成555定时计数器的调试后，利用555定时计数器输出的方波对定时电路进行调试。
具体的步骤是：
①将555电路的3端口接到三片级联的74LS160的CLK端，同时将74LS160的EP和ET引脚接高电平并观察74LS160的其它端口是否正确连接。
②在检查后给555电路和计时电路接5V的直流电源，观察对应七段数码管的数值变化。
若数码管每隔一秒数值加一，则定时电路工作正常。
在本次调试过程中，刚开始数码管不仅不计数而且数码管不亮。
为此先检查了74LS160和CD4511的各引脚连接情况，结果发现CD4511的5和8引脚没有接地，而本来应该接地的。
这已经是第二次由于芯片没有接地而导致功能电路不能正常工作了，因此在连线的时候必须仔细。
在补连完线后电路正常工作。
计时电路调试完成。
5.2.4计数电路的调试
将两片74LS160的CLK端接到555定时计数器的3端口，其余各引脚按要求连接。
连接好并检查后上电。
观察数码管的计数情况，若每隔一秒计一次数，则表明计数电路工作正常。
在本次调试中计数电路正确计数。
5.2.5清零电路的调试
本系统的清零电路由74121单稳态触发器构成。
将74121的3端口接到555芯片的3端，4和5接高电平，其余各引脚按要求连接。
在将74121的1端口接入示波器的CH2（或CH2）后，上电。
观察示波器上显示波形的情况。
理论的结果应是每隔一秒出现一个T=20ns负脉冲。
在检测时，将示波器的扫描频率调低一些，因为所要观测的波形的周期较小，若扫描频率过高可能观察不到正确的波形。
在本次测试中观测的波形与理论符合，清零电路工作正常。
5.2.6系统总测试
在完成各功能电路的调试后，将各个功能电路按电路原理图连接起来。
对整个系统上电检测。
观察测试结果按先整体后局部的顺序进行。
在无光有光和的情况下，观察路灯开闭，计时和计数电路中七段数码管显示的数值是否正确。
在测试中，发现计数电路始终是乱码。
排查原因，①在无光情况下用万用表测反相器的输入和输出的电平，稳定后反相器的输入端为的低电平，输出端为高电平，工作正常；②在有光的情况下，再用万用表测反相器的输入和输出端，稳定后输入端为高电平，输出端为低电平，也正常工作。
③然后又对计数电路的各引脚检查了一遍，没有短接、漏接和断接，说明计数电路本身没有问题。
④分别在有光和无光情况下，将反相器的输入端和输出端接入示波器，观察其波形后发现，在刚出现电平跃变得时候，波形出现非常大的抖动，而且输入和输出有延迟。
由第④步的观测结果可以说明，将BG2的输出端经过反相器接到两片级联的74LS160的CLK端，其上升沿不准确，因此造成对于需要较准确的时钟脉冲的74LS160计数不正确，从而引起用于显示计数的数码管出现乱码。
鉴于此，在反相器的输出端接一个施密特后在接到计数电路的CLK上。
再测试，计数电路正常计数。
到此，整个系统测试进行完毕，系统工作正常，符合设计要求。
5.2.7调试总结
经过本次系统的调试，发现系统调试应按照由局部到整体，即先调试各功能电路，在将所有的功能电路按照原理图连接起来后再对整个系统进行调试。
在调试过程中，难免出现问题，在出现问题后，不要着急，也不要盲目检查，而应按照以下步骤进行问题检查：
1、先检查电源是否接好；2、再检查各引脚连线是否有短接、断接和漏接等情况；3、最后再检测元件的好坏。
6方案的优点与缺点及展望
特点。
首先，电路能够实现设计需要的所有的要求并且可以根据需要进行必要的改进。
再者，电路的又一大特点就是设计方案新颖又比较简单，比如，新颖之处在于它的自动控制系统，简单之处在于它并不需要太多的器件。
最后，基于以上两个特点后还有一大特点就是，经过计算机仿真之后发现其可靠性比较强，电路设计所需要的电压源也能够比较方便的在生活中找到。
同时，现将电路系统的优缺点作以简单介绍。
对于整个电路的设计思路来说大体上有以下几个对于整个方案的设计思路我们也做了以下总结。
优点有以下几个方面，第一，该方案的设计很有实用价值，在生活中人们可以在多种地方使用该产品，大街小巷都可以。
第二，该方案的设计成本较低，所需要的器件价格都比较低廉，确保了大多数个人和单位都能够用的起。
第三，基于是集成电路的模式，所以可以直接进行以集成块的形式进行大批量的生产。
因此本人认为该设计还是有一的市场潜力的。
尽管有以上所提到的种种优点但是我们的设计方案还是有一些不足之处，该方案是路灯控制系统完成了路灯控制的总体要求，但是在显示路灯亮和灭的次数有一点困难，还有就是，我们并没有充分的考虑其成品的使用环境，比如在潮湿的气候时怎样确保系统不受干扰。
再者，该系统如果用门电路来实现全天候的记时的话电路就会稍微有点复杂，如果采用单片机编程来实现记时的话电路就会比较方便并且记时准确，但是这样有难以避免成本增加的危险，因此两者之间各有利弊。
该课题的核心内容就是用光控电路来实现路灯的自动控制，让马路旁边的路灯在天变黑的情况实现灯亮和天气变亮的时候实现路灯开启的功能。
其目的就是在没有人工控制的情况下根据情况的需要实现路灯的自动控制。
其实用价值还是非常之大的，我有以下几个方面的建议。
首先，毫无疑问它就是路灯控制系统，通过光对光敏三极管的照射实现电路的导通与截止的功能，所以在动物饲养室里面也完全可以使用这种产品，在白天由于天亮所以光控电路自动断开路灯电源，在晚上路灯开启，饲养员可以方便管理。
在这里还有以下几个该进意见，可以给该方案增加一个手动开关，以免在系统出现故障时很容易断开电源，还有，可以将产品和其他的一些产品结合使用完成一些特定的更为强大的功能。
对该产品的展望，经过改进后其很可能会有很大的市场潜力，因为这是一种与人们生活息息相关的产品，其使用的意义很大。
对这次设计的收获和体会。
在学习了这么长的时间之后，我们第一次使用自己所掌握的知识完成了整个设计过程并且做成了成品，收获真的是多方面的，第一，我们切实的将知识转化成了样品，这样就成功的把理论应用到了实践当中。
第二，设计和制作的整个过程中是一个不断发现错误又不断改正错误的过程。
再者，在实际的各项操作过程中进行了前所未有的理论分析以及参数计算。
所以，收获真的是非常之大。
通过这一系列的工作之后，使得我的动手能力有了大大的提高，还有就是，我发现在理论上能够实现的设想在实际中还是存在一些差异的，关键在于，理论上所受的约束条件比较少，而在实际的操作中往往会遇到很多的问题，例如延时问题，尖峰脉冲问题与竞争冒险问题这些都需要在实际的制作中一一解决掉。
而在仿真的过程中就会遇到这样的问题，所以必须添加相应的修改措施与辅助措施来解决这些问题。
最终要的一点收获就是，通过亲手做这些东西让我们真正的增强发现问题与解决问题的能力。
然而，还有很多不足之处，因为基础知识的薄弱，让我的参数计算进行的非常困难，对仿真软件的不熟悉也延长了整个设计的时间，我需要更加的努力使自己的基础知识有一个质的飞跃。
7元器件清单
表7-1元器件清单
类型
参数
数量
类型
参数
数量
74121
1
反向器
1
555记时器
1
三极管
9018H（NPN）
1
电源
5V
1
R1
47K
2
发光二极管
5V
1
R2
330Ω
1
光敏三极管
3DU5B（NPN）
1
R3
10K
1
74LS160
5
R4
2k
1
CD4511
5
稳压二极管
5V
1
七段数码管
5
C1
103
1
继电器
TQ-2
1
C2
10PF
1
参考文献
[1]阎石.数字电子技术基础.高等教育出版社.2006年5月第5版。
[2]康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社.2006年11月第5版。
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