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1、路灯开关模拟电路设计报告 学 号： 姓 名： 院 系： 测试与光电工程学院 专 业： 测控技术与仪器 指导教师： 中文摘要：路灯开关模拟电路 摘要：NE555触发器、CD4011、三极管与继电器是实践中常用的几个元件。本次课设实验是关于路灯的开关模拟，其核心是由继电器、光敏元件、放大器组成，外加电源、发光管组构成模拟电路。其间运用到了触发器NE555、模拟电子技术中三极管与芯片CD4011组成的多级放大电路。主要用于安装在公共场所或道路两旁的路灯，因通常希望路灯随日照光强度的变化而自动开启和关断，这样既满足行人的需要，又能节电。关键词：NE555 CD4011 三极管 继电器 英文摘要：Lig
2、hts Switch Analog Circuits Student name : Ziqi Zhang Class : 10081437 Supervisor : Xinhong JinAbstract:NE555 triggers, CD4011, a transistor and a relay is one of several components commonly used in practice. This course is designed to switch on the lights of the simulation, its core is composed of t
3、he relay, a photosensitive element, amplifier, external power supply, a luminous tube group composed of analog circuit. It used to trigger NE555, simulation of multistage amplifier transistor and chip electronic technology CD4011. It is mainly used for installation in a public place or the road on b
4、oth sides of the street lamp, street lamp because we often want to change with the sunshine light intensity automatically turned on and off, so as to meet the needs of pedestrian, but also can save power.Keywords: NE555 CD4011 transistor relay目 录前言11 设计任务与要求1.1 设计任务11.2 设计要求12 方案设计与论证2.1 系统原理框图22. 2
5、 主要电路设计与参数32.2.1 元件明细32.2.2 主要元件介绍32.3 总体电路图72.4 仿真实验72.4.1 Proteus软件介绍72.4.2 利用Proteus仿真82.4.3 仿真调试102.4.4 仿真结果103 电路的安装调试与故障分析3.1 电路安装103.2 调试过程113.3 故障分析124 实验结果125 心得体会136 致谢137 参考文献14附录14前言 随着能源问题越来越引起人们的重视，节能已经成为生产应用中不可忽视的一方面。了解常用路灯控制的各种方法，及各自的优缺点，通过互相的比较，确定设计方案，并对所用传感器进行选型，同时加以电路的设计与分析，完成设计任务
6、。下面分别对路灯控制器的原理，路灯控制器中用到的主要元件以及在电路中的作用分析。1 设计任务与要求1.1设计任务 （1）学习运放放大电路的识别与测试与偏置技术； （2）研究秒脉冲信号发生电路、稳压电流源特性和设计方法； （3）掌握路灯开关电路的结构、原理与设计方法； （4）培养良好的职业道德、组织与协调和善于与他人合作共事的能力。 （5）锻炼勇于创新和抗挫折的能力。1.2设计要求采用分立元件设计一路灯自动控制开关模拟电路，用光敏传感器实现自控。要求： （1）在天黑时自动点亮路灯，红绿两组灯都亮。 （2）后半夜行人稀少，路灯关掉一半。红色发光管灭，剩下绿色发光管亮。 （3）第二天清早路灯全部关闭
7、。红绿两组灯都灭。2 方案设计与论证2.1系统原理框图原理框图：亮暗RG大RG小继电器常开继电器闭合灯不亮灯亮NE555控制半夜红灭绿亮图2.1.1 系统原理图原理介绍：（1） 白天RG受光照，阻值很小，VRG电位很低，既CD4011的1、2脚为低电平，3脚为高电平，4脚为低电平，10脚为高电平，因此，11脚为低电平，三极管9013截止，继电器K1的线圈无电流流过，常开触点处于断开状态，绿色发光二极管无电处于关闭状态。10脚突变为高电平的同时，有一正脉冲输入555时基集成电路的2脚，3脚则输出低电平，K2处于释放状态，红色发光二极管没有电源电压处于关闭状态。（2） 晚上天色渐暗，RG阻值变大，
8、VRG电压升高，CD4011的1、2脚为高电平，3脚为低电平，4脚为高电平，10脚为低电平，11脚为高电平，三极管9013导通，继电器K1的线圈有电流流过，吸合，常开触点闭合，绿色发光二极管亮。10脚突变为低电平的同时，有一负脉冲输入555时基集成电路的2脚，3脚则输出高电平，K2得电吸合状态，红色发光二极管电源接通，开始工作。（3） 后半夜：当555的2脚获得负脉冲，红色发光二极管开始发光的同时，555的6、7脚上连接的充电电容C4开始充电，约为6秒（模拟6小时）VC4的充电电压大于VDD，则555三脚变为低电平，K2线圈失电，其常开触点断开使红色发光二极管失电灭（模拟后半夜隔盏关灯）。（4
9、） 早晨：白天的亮度使得光敏电阻阻值减小，VRG变为低电平三极管9013截止，绿色发光二极管失电不亮，与此同时555脚获得正脉冲，其3脚依然维持低电平，K2继续失电，处于释放状态，红色发光二极管依然处于灭状态，即所有灯在白天都是灭的。2.2主要电路设计与参数2.2.1元件明细：市电交流220V经熔断丝（F）给电源变压器（B）供电，B为降压变压器，其次级的交流电压约为15V，再经VD1VDA4组成的桥式整流电路整流、电容器C1滤波，7812稳压给电路提供12V直流电压。R1，VD5组成12V输出指示器，RG为光敏电阻，调节R2的阻值能改变RG的取样电压。四运放LM324分别接成四个反向9(放大)
10、器，9013推动电池继电器K1，K1的常开触点接绿色发光二极管（模拟高压汞灯）。IC555电路组成定时电路，定时时间长短由R4、C4定时元件决定，C3为触发信号的耦合电容器，电磁继电器K2的常开触点接红色发光二极管（模拟高压钠灯）。VD25是稳压管稳压值约3V，R5的为VD25的降压，限流电阻。C6、C7分别为电磁继电器K2、K1线圈的保护电容器。2.2.2主要元件介绍：（1） NE555触发器NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计
11、时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。由NE555构成的多谐振振荡器，接通电源后，电容C1被充电，VC上升。当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，此时V0为低电平。电容C通过R2和T放电，使VC下降，当下降至1/3 VCC时，触发器又被置位，V0翻转为高电平。当C放电结束时，VCC将通过R2和R3向电容器充电，VC由1/3VCC上升到2/3VCC。当VC上升到2/3VCC时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为：f=1.43/(R3+2R2)C。按理论这里我们应选择R2=68K，C=10uf，R3=7K。然而实际电路
12、中却无法输出频率为1Hz的秒脉冲，只能如图取R3=100，R2=1.8K，C1=100n，C2=10u达到要求。图2.2.2.1 NE555内部功能图及引脚图图2.2.2.2秒脉冲发生电路（2） 电磁继电器图2.2.2.3电磁继电器工作原理图电磁继电器一般由 电磁铁,衔铁,弹簧片，触点 等组成的，其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。电磁继电器还可以实现远距离控制和自动化控制。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
13、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）释放。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：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。（3） CD4011 图2.2.2.4 CD4001的工作原理图或非逻辑的真值表ABY001010100110 图2.2.2.5 真值表图2.3总体电路图RG图2.3.1 总体电路图元件型号、参数：NE555，绿色发光灯，红色发光灯，4个2K电阻，1个3K电阻，2个50K的变阻器，电解电容4个，参数为470uF、22
14、0uF、10uF（2个），CD4011，2个T73（12VDC）继电器，光敏电阻RG，电容0.01uF，9012型PNP管，9013型NPN管，导线若干。2.4仿真实验：2.4.1Proteus软件介绍：Proteus ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析(SPICE)各种模拟器件和集成电路。该软件的特点是： 1.实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如
15、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 2.支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列、ARM7系列以及各种外围芯片。 3.提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。 4.具有强大的原理图绘制功能。 5.PCB设计以及自动布线。2.4.2利用Proteus仿真：一、 打开Proteus的集成
16、环境，点击文件，新建设计，根据元件明细表（参见附录）中的元件，点击P，版面出现如下图所示。在keywords中输入所找的元件名单，然后点击右下角的OK，元件被添加了。图2.4.2.1二、依次放好元件，使元件摆放美观。三、连接电路：在需要连接的元件接线处，点击左键，移动鼠标，可看到导线的出现，再在导线的另一端在另一个元件的端点处点击，从而连接了电路。如下图所示：图2.4.2.2四、设置元件参数：1、ALTERNATOR：设置Amplitude为313V，Frequency为50Hz。2、TRAN-2P2S： 设置Secondary Inductance为0.0047H，其他不变。3、C1：设置C
17、apacitance为1000uF。4、C2：设置Capacitance为470uF。5、C3：设置Capacitance为10uF。6、C4：设置Capacitance为220uF。7、C5：设置Capacitance为0.01uF。8、C6：设置Capacitance为10uF。9、R1：设置Resistance为3K。10、RV1，RV2：设置Resistance为50K。11、R3，R5，R6，R7：设置Resistance为2K。12、VCC：设置Amplitude为313V，Frequency为50Hz。2.4.3仿真调试：在Proteus环境版面中点击左下角，如图所示 点击，系统
18、开始运行，如有出错，则系统将报错，点击报错处，查找出错原因，予以改正，当蜂鸣器响时，此时调试已经成功。2.4.4仿真结果： 将RG调至2.1，即此时光照强度大约为傍晚，全部灯亮起。调节滑动变阻器，使红灯全部熄灭，绿灯仍亮，即此时为深夜，关掉一半的灯。然后调节RG增大，即变为白天状态，全部灯熄灭，亦满足条件。3 电路的安装调试与故障分析3.1电路安装由老师分完组，每组下发一套工具，经分工后，大家按电路原理图组装电路，并尽量布局合理，连接美观。当在Proteus集成环境调试成功时，接下来，只需利用实物，按上述的实验原理在电路板上摆放好每个元件的位置，把每个元件焊接接起来。焊接完成后，在实物板的电源
19、正极和负极接入稳压器中，调节好合适的电压，观察发光二极管是否会亮，调节光敏电阻观察红灯是否灭，调节实物中的滑动变阻器，控制发光二级管的全部熄灭。安装好的电路板如下图：图3.1.1图3.1.23.2调试过程 光敏电阻的测试：用指针式万用表两表笔分别接光敏管的两极，凸面朝向阳光，应为低电阻，若为高阻，对调两表笔为低阻说明此管是好的。 二极管测试：二极管主要分为三种：整流二极管、稳压二极管、发光二极管；此外，还有开关二极管。先打磨引脚，再用指针表测试，因二极管具有单相导电性，所以，在测试时，红笔接负极，黑笔接正极，若是导通，且红笔接正极，黑笔接负极，为截止，则表明二极管是正常的，若不是则表明二极管是
20、坏的。 电解电容器的极性检测：电解电容的正负极性不允许接错，当极性接反时，可能因电解液的反向极化，引起电解电容器的爆裂。当极性标记无法辨认时，可根据正向连接时漏电电阻大、反向连接时漏电电阻相对小的特点判断极性。交换表笔前后两次测量漏电电阻，阻值大的一次，黑表笔接触的是正极，因为黑表笔与万用表内电池正极相接（采用数字万用表时，红表笔接电池正极）。但用这种办法有时并不能明显地区分正、负向电阻，所以使用电解电容时，要注意保护极性标记。检查电路在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路图按照一定顺序逐级检测，特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管是否接反，轻轻拨一拨元器件，观察
21、焊点是否牢固。调试先用万用表测量电路有关点电位是否正常。检查发光二极管是否正常工作。发现不正常现象时，及时找出原因进行修改，注意接线不得有误，接入电源。在光电二极管有光与无光的情况下看总体电路的工作情况。观察灯泡是否按要求进行变化。如不能顺利完成以上功能，则应认真检查电路的连接及功能设计是否有误并作出相应调整。 由于二只发光二极管和光敏电阻直接伸出外壳，因此在安装这几只元件时，全部在线路板的焊接面，对于光敏电阻直接将元件焊接于线路板的焊接面上，两只发光二极管先折弯，发光面从线路板上的二只孔出伸出。3.3故障分析 用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值，粗查是否有短路、断路或元器件错焊等情况。用万用
22、表测量电路中各点对地的电阻以及元器件的阻值，以此来判断故障部位测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住，将ab分别接在电灯的开关位上，用手轻拍驻极体，这时灯应亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体，这时灯不亮，说明光敏电阻完好，这时即告本套件制作成功。4 实验结果连接电源，对电路板通电。此时为模拟白天状态，只有一盏灯LED常亮。然后使用较厚黑布对光敏电阻进行遮光处理，即模拟傍晚及黑夜状态，此时所有红灯绿灯均亮起。接着模拟后半夜，即通过调节电路板上右边的一个滑动变阻器使
23、得红灯全部熄灭，绿灯仍亮。最后模拟第二天白天，即撤去光敏电阻上的黑布，此时全部受控灯熄灭，只有常亮灯LED亮。实验成功。5 心得体会通过完成本次课程设计，我明白了做好课程设计需要的是活学活用所涉及的知识。在两周与小组同学的交流中，我认识到合作的重要性。在本次的课程设计中通过我们自己选题，找材料，分析、设计等，掌握了一些具体实物的制作方法和相关软件的操作方法，这为以后的学习工作做了铺垫。整个设计实现了从单一的理论学习到解决实际问题的转变。通过本次的课程设计，我最大的收获就是提高了自身的动手能力，培养了我的寻求问题、解决问题的能力和团队精神，同时也增强了其它相关方面的知识与能力，总体收获很大。6
24、致谢 致谢 本次课程设计是在金信鸿老师的悉心指导下完成的。老师渊博的知识，严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风，平易近人的性格都是我学习的楷模。在电路仿真和论文整理上，都离不开老师的指导和帮助。在此谨向金信鸿老师致以忠心的感谢和崇高的敬意。 同时感谢实验室的老师，他们给我们提供了必要的实验器材，为电路板的制作提供了很大的帮助；为我们讲解了一些制作注意事项，使我们收获很多。 然后还要感谢给予我们帮助的研究生。在电路板焊接时遇到的问题，他们为我耐心地讲解，帮助很大。最后要感谢同组的余焱强、李亚坤同学。整个课程设计的完成，都是在我们这个团队通力合作下完成的，同时我们互相也学到了很多东西。在此，对他们致
25、以真诚的谢意。7 参考文献参考文献1. 康华光. 电子技术基础 数字部分（第五版）. 高等教育出版社，20062. 康华光. 电子技术基础 模拟部分（第五版）. 高等教育出版社，20063. 朱清慧等. Proteus教程（第2版）. 清华大学出版社，20114. 王港元. 电工电子实践指导. 江西科学技术出版，20055. 黄继昌. 常用电子元器件手册. 人民邮电出版社，2006附录：Proteus仿真元件明细表元件名数量ALTERNATOR1TRAN-2P2S12W005G178121CAP-ELEC540114CAP1LDR1LED-GREEN6LED-RED5NE5551NPN1PNP1POT-HG2RES5T73S5D3-24V2
