自动开关灯控制系统三等奖.docx
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自动开关灯控制系统三等奖
北京化工大学
信息科学与技术学院
参赛类别B
系别自动化
班级自控0904
小组名称P&E
组长齐鹏飞
小组成员王晓金震曹文慧姚鹏飞（按姓氏笔画）
指导教师韩雪岩
职称 讲师
自动控制开关灯系统设计
中文摘要
围绕自动开关灯开展设计，首先是选取传感器，经过资料分析，我们小组选择能耗低，廉价，市面上常见的红外线发射接收装置。
如果没有人员进入，发射的光线没有被遮挡时，接收电路输出低电平；而当有人员进入时，光线被遮挡，接收电路就输出高电平。
如此就由传感器输出了一个脉冲。
现在要解决的是如何区分人员进入产生的脉冲和人员出去产生的脉冲。
我组设置了两组红外线发射接收装置，通过对这两组装置输入到下面装置脉冲的先后顺序进行信号处理，进而实现加一还是减一。
在此问题上，我组在图书馆查阅相关的开关控制和电子设计电路书籍，得到启发，最终利用两个JK触发器组成的一个控制电路来控制可逆计数器的计数。
接下来是驱动部分和显示部分，可逆计数器的输出电平输入7448驱动器来驱动共阴极显示器。
最后是将此装置安装到220V电路上，我组利用继电器，可逆计数器的输出电平作为继电器的动力，实现弱电向强电的转化。
我组经过讨论，在220V电路中加入了应急开关，即如果设备出现故障可以手动开启电灯，不会影响正常的学习和办公。
关键字：
自动开关灯红外线接收仪可逆计数器
第2节各部分电路设计思路分析··························４
2.1传感器到可逆加法器········································5
2.2人员计数电路和译码显示电路······················7
2.3与强电结合········································9
2.4应急开关··········································10
第3节仿真图样············································11
第4节总结·················································12
4.1选材··················································12
4.2定向··················································12
4.3定体··················································12
4.4仿真与试验············································12
第5节参考文献··············································13
第6节元器件功能及其介绍··································13
6.1元器件清单·········································13
6.2主要元器件介绍·······································14
6.2.1十进制可逆计数器74192····························15
6.2.2八输入与非门7430··································16
6.2.4有置位和复位正边沿触发的双J-K触发器74HCT109······18
6.2.5继电器·············································１9
第1节设计思路
1.1设计思路模块图
第2节各部分电路设计思路分析
本次设计以节能为首要原则，以实用为核心宗旨，所以采取低耗能的红外线发射接收仪，LED显示屏，小功率的继电器。
在此设计中实现传感器到可逆计数器的控制和与强电的结合是主要难点部分。
2.1传感器到可逆计数器的控制
在确定课题之后，我们从传感器入手。
根据人的进出引起的物理量的改变，设定备选方案中有：
温度传感器，光敏传感器，声音传感器和压力传感器。
综合考虑红外线发射接收仪具有小巧﹑易安装﹑价格低廉﹑接收距离远等优点。
所以锁定传感器为红外线发射接收仪。
选定传感器后，需要当人员进入和出去时传感器输出不同的电平信号。
经过小组讨论，在门的内、外两侧分别安装红外线发射接收仪A、B（如图）。
A接收仪先出现高电平B再出现高电平判定为有人员进入，B接收仪先出现高电平A再出现高电平判定为有人员出去。
但是如何将这种语言的陈述转化为信号的输出呢？
这曾是一个困扰我们组时间最长的一个问题，我们先后在设计中用到了比较器，555定时器，还有传输门等电子器件，但是都没能的解决这一问题，即让输出信号单独的控制可逆计数器的加法CPu端和减法CPd端。
最终解决办法：
图2.1-1
用两个开关代替红外线传感器，如图2.1-1，正常状态下，红外线发射光线没有被拦截，输出端电压为低电位；当有人进或出使会经过传感器挡住二极管，这时输出端为高电位。
两个JK触发器是这段电路的主体，其触发器1的CP和触发器2的J是由传感器A控制.触发器1的J和触发器2的CP是由传感器B控制。
其传感器A、B的输出端常态下为低电平，Q1端接往计数器加法CP端。
1与R1连接，Q2端接往出计数器减法的CP端，
2与R2连接。
由于R1和R2的置零作用使得电路在没有人进入的时候Q1与Q2的稳态是零。
现以人员分别顺序经过AB和BA时的波形分析来说明以上观点：
顺序经过AB
图2.1-2
在CP1的下降沿J、K不同Q1瞬间翻转后，再由R1置零。
CP2下降沿是J=K=0，Q2不变始终为零。
顺序经过BA时Q2有翻转，Q1保持为零。
顺序经过BA:
图2.1-3
道理同上，Q2出现反转，而Q1没有变化。
并且从以上波形图可知当人在顺序经过AB时，触发器A、B能发出有效CP波形与J脉冲，且此时若人员只是多次重复经过传感器A而未经过传感器B，Q就不会产生CP1，自然也就不会有
的输出波形。
可以避免人员只是站在门口，而没有进入的情况。
2.2人员计数电路和译码显示电路
考虑到房间的大小，我们选定了两个十进制可逆计数器７４１９２，显示屏为2片LED显示器。
见图2.2-1。
图2.2-1
在整个的过程中，我们始终无法解决多人进入出去的情况，所以，为了弥补这一缺点，我组在计数器的置数端加入异步置数。
当教室里人员较少时，可由室内人员手动置数，确保无人是电灯可以自动熄灭。
见图2.2-2。
图2.2-2
2.3与强电结合
在前面的基础设计都完成之后，又面临一个问题。
我们所用的芯片都是在低电平下工作，而我们要控制的电路是一个在220V电压下运作的电灯。
如何解决弱点到强电的转化？
我们先后考虑采用变压器，空气开关，传输门，继电器。
如果采用变压器就要用到两个，先将220V变压到5V，连接到传输门，可逆计数器的输出连接传输门的输入端，传输门的输出端连接另一个变压器，将5V变压到220V，此办法可行但整体较为繁琐。
如用空气开关，在断电之后需要人手工的推起，此时不符合自动两字。
而最后一种方案利用继电器，不需要多次强电与弱电转换，同样实现了自动开关的功能。
见图2.4-1。
图2.3.1
2.4应急开关
当设备出现问题时，我们给出了相应的应急方案。
如果是在有人在教室里但此时灯自动熄灭或者可能出现没人时灯并未自动熄灭的情况。
这里，我们应用了楼梯上下都可控制灯的开关原理。
即发生此类情况时，电路绕过自动控制开关装置，进行人为控制。
电路图如下：
图2.4-1
第3节仿真图样
第4节总结
4.1选材
在一学期的数电和电路的学习之后，我们心潮澎湃的想开始设计一些自创的小东西，于是报名参加了萌芽杯。
我们最初的设想仅仅是想把所学所想整合，总结，联接实际应用到现实中去。
做一些比较简单且实用的小电器可以为生活带来便利或为起到些环保节能作用的产品。
但随着深入的了解和查阅，我们渐渐明白仅是靠书本上的知识是远远不够的，需要大量的课外知识来填充与丰富。
4.2定向
首先，我们从身边的事物想起，有个同学提出在厕所设置两个开关，通过对放水时间的控制来实现节约水资源的功能，但最后因已有实物且实施性不强而被否。
还有同学提出设计个教室人数探测器，想用噪音大小或多媒体是否被打开作为变量作为参考信息，提早告诉想要自习的学生哪个教室在上课或有活动。
这个想法的确很棒，如果能成功必然受到自习人士的热烈欢迎。
但是操作起来比较困难，材料比较难找，且涉及到远程现实及控制技术，所以也终止计划了。
最终我们定下来，找个以节能环保为目标，主要以电路元器件为主的相对简易的系统。
在经过几天的搜寻与讨论，我们确定下来了此次课题。
4.3定体
瞄准以教室人数为变量的自动灭灯系统，我们开始理论制图。
关于类似功能的系统，网上已有些比较成熟的设计，我们参考了一些信息，根据我们的需要进行一定的删减和增补，对已知电路进行扩充与拓展，最终使理论有了雏形。
4.4仿真与试验
回到学校后，我们先后找了我们的学科指导老师和专业辅导老师请教进行一定的修改，又找到仿真老师进行模拟，理论无误后开始去实验室进行实践，测试系统的功能并检查可能发生的不良情况。
前后真正的投入时间大约两周左右，在这段时间里我们有过技术上的问题也有过人员之间的问题。
但可喜的是我们都跨越了过去，一步步的把困难短路，把失败的开关闭合。
第一次用我们自己的双手创造，整合，连接，使人生的这条电路正如我们的队名一样，永远的PowerandEnergetic!
第5节参考文献
《电子技术基础》作者.康华光【M】第五版高等教育出版社P226-P230
《开关电源》
《沈阳工程学院课设》作者.沈阳工程学院P5-P10
第6节元器件功能及其介绍
6.1元器件清单
元器件清单
元器件
型号
数量
备注
共阴极显示器
11
四位十进制可逆计数器
74LS192
3
4线-七段译码/驱动器
7448
11
双J-K触发器
74HCT109
2
上升沿触发
三极管
3
两输入与非门
7400
1
八输入与非门
74LS30
1
两输入与门
74LS08
1
继电器
1
控制开关
红外线发射仪
1
电阻
电容
4
电源
接地
1
6.2主要元器件介绍
6.2.1十进制可逆计数器74192
74192可逆计数器的功能表
输入
输出
CR
LD
CPu
CPD
D3
D2
D1
D0
Q3
Q2
Q1
Q0
1
×
×
×
×
×
×
×
0
0
0
0
0
0
×
×
D
c
b
a
d
c
b
a
0
1
上升沿
1
×
×
×
×
加计数
0
1
1
下降沿
×
×
×
×
减计数
•D0、D1、D2、D3——置数并行数据输入；
•Q0、Q1、Q2、Q3——计数数据输出；
•
•CR——清零端；LD——置数端；
•CPU——加法计数CP输入；
•CPD——减法计数CP输入；
此计数器为一十进制可逆计数器，其中CPU为进位输出端，CPD为借位输出端，当CP脉冲分别与CPU、CPD相连时就实现了计数器的加、减计数。
6.2.2八输入与非门7430
八输入与非门功能表
输入
输出
输入
输出
A
B
C
D
E
F
G
H
A
B
C
D
E
F
G
H
L
X
X
X
X
X
X
X
H
X
X
X
X
X
L
X
X
H
X
L
X
X
X
X
X
X
H
X
X
X
X
X
X
L
X
H
X
X
L
X
X
X
X
X
H
X
X
X
X
X
X
X
L
H
X
X
X
L
X
X
X
X
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
X
X
X
X
X
L
X
X
H
6.2.3译码器及数字显示器
7448译码器也称七段显示译码器.它与BS201数字显示器直接相连成为数字显示电路,构成输入8431BCD码输出数字图形的功能
7448的功能表如图所示,可以看出7448的书粗高电平有效,用以驱动共阴极显示器.它有多个辅助控制端,用以增强器件功能.功能端有：
LT，RBI，BI/RBO简要说明如下：
1，灭灯输入BI/RBO：
BI/RBO是特殊控制端，有时做为输入，有时做为输出。
当BI/RBO作为输入使用且得到低电平时，无论其他输入端、是什么电平，所有各段输出都为空
2，试灯输入LT：
当得到低电平，且BI/RBO为高电平时，无论输入端是什么信号各输出电子管都被驱动发光。
动态灭灯输入RBI：
当LT=1，RBI=0且输入代码为0000时，各段电子管都熄灭。
这样就可以实现高位无信号时的“消隐”。
功能表
6.2.4有置位和复位正边沿触发的双J-K触发器74HCT109
功能表
输入
输出
输入
输出
S
R
CP
J
K
Q
Q
S
R
CP
J
K
Q
Q
L
H
X
X
X
H
L
H
H
H
L
触发
H
L
X
X
X
L
H
H
H
L
H
不变
L
L
X
X
X
H
H
H
H
H
H
H
L
H
H
L
L
不变
H
H
H
X
X
不变
6.2.5继电器
继电器控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
电磁继电器的工作原理和特性:
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（常闭触点）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。
二、继电器主要产品技术参数
1、额定工作电压 5v
是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。
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。
2、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。
3、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。
4、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。
5、触点切换电压和电流
是指继电器允许加载的电压和电流。
它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点.
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