路燈控制器日勺設(shè)計(jì)與制作

學(xué)生：XXX指導(dǎo)教師：XXX

內(nèi)容寺商要：本次重要簡介模擬電路與現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA組合完畢路燈控制器設(shè)計(jì)

與制作的思緒和詳細(xì)措施，還簡要簡介路燈控制器目前的發(fā)展現(xiàn)實(shí)狀況.、功能及其應(yīng)用場所,

附帶簡介路燈控制器設(shè)計(jì)與制作的其他兩種方案即模擬電路與數(shù)字電路組合、模擬電路與單

片機(jī)組合。但本文側(cè)重于簡介各單元電路的設(shè)計(jì)和各程序模塊的編寫以及設(shè)計(jì)中所使用到依J

特殊器件口勺簡介和使用措施。其中程序編輯編譯和波形仿真是借助QuarlusII軟件完畢，單

元電路仿真。\1ultisim7仿真軟件完畢，本次設(shè)計(jì)采用模斗電路與現(xiàn)場可編程邏輯器件FPGA

組合具有簡化整體設(shè)計(jì)，提高整體電路的穩(wěn)定性和可靠性，易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)規(guī)定等長處，缺陷是

購置開發(fā)板日勺成本較高。

關(guān)鍵詞：模擬電路FPGAQuartusII路燈控制器

Streetlightcontrollerdesignandproduction

Abstract；Thispapermainlyintroducestheanalogcircuitsandfieldpi'ogramriablc

logicdevicesFPGAcombinationcompletestreetlightcontrollerdesignand

mcinufactureoftheideasandspecificmethods,abriefintroductiontothecurrent

situationofthedevelopmentofthestreetlightcontroller,functionandits

applications,introducestreetlightcontrollerwithdesignandproductionoftho

othertwoschemesthatanaloganddigitalcircuitcombination,analogcircuitsand

single-chipmicrocomputercombination.Buithisarticlefocusontheintroduction

ofeachunitcircuitdesignandeachprogrammoduleanddesignofthewritingo:the

useofthespecialdeviceisintroducedandusingmethod.Oneprogrameditscompile

andwaveformsimulationisQuartusbyIIsoftware,unitcircuitsimulation.

Multisim7simulationsoftware,thisdesignUSEStheanalogcircuitsandfield

programmablelogicdevicesFPGAcombinationhassimplifiedtheoveralldesign,

improvethestabilityandreliabilityofthewholecircuit,easytorealizethedesign

requirementsandotheradvantages,disadvantagesistobuyhighcostdevelopment

board.

Keywords*analogcircuitsFPGAQuartusIIstreetlightcontroller

目錄

序言................................................................1

1選題及前期調(diào)研..................................................1

1.1路燈控制器簡介..............................................1

1.2路燈控制器特點(diǎn)及應(yīng)用........................................1

1.3選題根據(jù)....................................................1

1.4設(shè)計(jì)目的和內(nèi)容..............................................1

2方案選擇與論證..................................................1

2.1方案一：模擬電路與數(shù)字電路組合.............................1

2.2方案二：模擬電路與可編程邏輯器件組合.......................2

2.3方案三：模擬電路與單片機(jī)組合...............................3

2.4VHDL語言及QuartusII軟件簡介.............................4

2.4.1VHDL語言簡介...........................................4

2.4.2QuartusII軟件簡介....................................5

2.5數(shù)碼管和EDA試驗(yàn)箱簡介......................................6

2.5.1數(shù)碼管簡介.............................................6

2.5.2EDA試驗(yàn)箱簡介..........................................6

3總體方案設(shè)計(jì)和單元模塊設(shè)計(jì)......................................6

3.1總體系統(tǒng)構(gòu)造圖..............................................6

3.2單元模塊設(shè)計(jì)................................................7

3.2.1直流穩(wěn)壓電源模塊.........................................7

3.2.2三端穩(wěn)壓器簡介...........................................8

3.2.3三極管小信號放大電路模塊................................8

3.2.4三極管開關(guān)電路及控制電路模塊............................9

3.2.5電磁式繼電器簡介........................................10

4結(jié)束語.........................................................12

附錄...........................................................13

參照文獻(xiàn)...........................................................14

路燈控制器設(shè)計(jì)制作

序百

伴伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會H勺進(jìn)步。越來越多的電子產(chǎn)品不停涌現(xiàn)，

并且電子產(chǎn)品的體積越來越小。并且功能大，效率高，能耗低。我們設(shè)計(jì)的產(chǎn)品

充足體現(xiàn)了這個(gè)特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中我們運(yùn)用了專業(yè)知識，內(nèi)置AD轉(zhuǎn)化，并且可以輸出

PWM信號，使外部電路簡樸；運(yùn)用DS1302時(shí)鐘芯片保證了時(shí)間歐|實(shí)時(shí)顯示，還運(yùn)

用了NE555構(gòu)成的多諧振蕩器與紅外發(fā)射二極管外設(shè)電路；顯示電路我們采用

1602液晶顯示屏，是我的設(shè)計(jì)愈加人性化。并且在我們MJ設(shè)計(jì)制作中充足考慮了

環(huán)境保護(hù)的問題，我們運(yùn)用口勺輔助器件就是剩余日勺廢料。

1選題及前期調(diào)研

1.1路燈控制器簡介

伴隨社會的發(fā)展，都市人口日勺不停增長，都市建設(shè)規(guī)模日勺擴(kuò)大化。為完善都

市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)友好、安全的都市人居環(huán)境、美化都市，路燈控制器H勺設(shè)計(jì)規(guī)

定不停提高。目前市場上生產(chǎn)路燈控制器的生產(chǎn)廠家眾多，控制器功能齊全，智

能化程度比較高，路燈控制器的類型也層也不窮。例如，路燈太陽能控制器、智

能路燈節(jié)能控制柜、路燈節(jié)電控制柜、路燈節(jié)能電器等一系列的路燈控制器。路

燈控制器集電磁技術(shù)、智能化控制技術(shù)、數(shù)據(jù)控制技術(shù)于一體，在可控和平緩口勺

方式下智能調(diào)整，路燈控制器實(shí)現(xiàn)公共照明系統(tǒng)的工作電流與亮度需求的理想結(jié)

合，到達(dá)節(jié)電和優(yōu)化供電目日勺，路燈控制器節(jié)能率可高達(dá)20%-40%,對用電系統(tǒng)

的保護(hù)作用可使其壽命延長3-4倍。路燈控制器重要采用優(yōu)質(zhì)、高性能亓器件,

且很少運(yùn)用活動日勺元器件，保證了極高日勺產(chǎn)品工作安全性，因而保證為顧客單位

提供更安全、可靠和更優(yōu)性能的產(chǎn)品服務(wù)。路燈控制器既有兩種類型，室內(nèi)型：

安裝在室內(nèi)照明控制柜下端；戶外型：可按照顧客規(guī)定進(jìn)行安裝，放置在不銹鋼

的機(jī)柜里。其中光控型路燈控制器廣泛應(yīng)用于都市建設(shè)，光控型路燈控制器都啟

動和關(guān)閉都是通過采集自然光強(qiáng)弱的變化轉(zhuǎn)化成電壓電流的變化控制路燈的亮

滅，具有自動控制的功能，能最大效率日勺節(jié)省電能并且在恰當(dāng)時(shí)候啟動，給行人

提供以便。

1.2路燈控制器特點(diǎn)及應(yīng)用

現(xiàn)代路燈控制器具有的特點(diǎn)：采用先進(jìn)H勺微處埋芯片，高可靠性、誤差小、

低成本、穩(wěn)定性強(qiáng)，具有斷電數(shù)據(jù)保留，時(shí)鐘不間斷工作，無需更換電

池，維持時(shí)鐘運(yùn)行十年以上；采用數(shù)碼管精確顯示路燈一次持續(xù)啟動日勺時(shí)間和路

燈總共歐I啟動次數(shù)；抗干擾能力強(qiáng)，能抵御從電網(wǎng)直接輸入幅值達(dá)250伏日勺干擾

脈沖：大功率繼電器輸出，可接220伏或380伏接觸器,控制穩(wěn)定，使用壽命長，

體積小，安裝簡樸。

路燈控制器廣泛應(yīng)用于市政道路、高速公路、橋梁、隧道、園林、碼頭、觀

光景燈、體育廣場、游樂場所、廣告燈箱等公共照明環(huán)境；路燈控制器合用的燈

具類型：高壓鈉燈、低壓鈉燈、金屬鹵化物燈、高

熒光燈等所有氣體放電式照明燈具。

1.3選題根據(jù)

路燈控制器日勺設(shè)計(jì)與制作從理論意義來說可以將本人所學(xué)日勺知識系統(tǒng)日勺聯(lián)絡(luò)起來

形成一條主線，選擇此題目可以復(fù)習(xí)模擬電子技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)、EDA技術(shù)、單片機(jī)

技術(shù)、可編程邏輯器件等后關(guān)知識的作用；本次設(shè)計(jì)我采用模擬電路和軟件編程相結(jié)合

的措施完畢本次設(shè)計(jì)的任務(wù)和規(guī)定，我們牛.活當(dāng)中的消費(fèi)類電子產(chǎn)品目前諸多都是半智

能或全智能化，并且實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品智能化諸多都是在程序?yàn)橹匾獙?shí)現(xiàn)措施，例如，采用

匯編程序，C程序，VHDL語言等編寫程序，可以在很大程度上節(jié)省成本，提高產(chǎn)品的智

能化程度。設(shè)計(jì)規(guī)定采集自然光照控制路燈日勺啟動和停I匕這不僅能實(shí)現(xiàn)自動化控制并

且還能合理運(yùn)用電能，實(shí)現(xiàn)資源H勺優(yōu)化配制，且對我本人而言設(shè)計(jì)難易程度適中。

從實(shí)際來說，路燈控制器在我們的生活中應(yīng)用十分廣泛，尤其在街道兩旁，當(dāng)我們

在夜晚狂街時(shí)路燈發(fā)揮著具大的作用，為行人提供以便，同步也使都市口勺夜景別具特色,

遠(yuǎn)望去到處是燈火輝煌，在現(xiàn)代生活中伴隨人民生活水平的提高，路燈控制器的設(shè)計(jì)規(guī)

定和技術(shù)含量也不停提高，因此選擇控制器日勺設(shè)計(jì)與制作可以培養(yǎng)本人的設(shè)計(jì)思維，調(diào)

動學(xué)習(xí)積極性，實(shí)踐過程中可以起到練習(xí)故障杳找、處里能力，練習(xí)焊接技術(shù)。

1.4設(shè)計(jì)目的I和內(nèi)容

運(yùn)用模擬電路和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）設(shè)計(jì)制作路燈控制器，并使用QuartusII

開發(fā)平臺對時(shí)、分、秒、分頻、計(jì)數(shù)、動態(tài)掃描顯示各模塊進(jìn)行編程和仿真驗(yàn)證，路燈

控制器的設(shè)計(jì)與制作分兩個(gè)部分：采光控制部分和計(jì)數(shù)（包括路燈目前一次的持續(xù)啟動

時(shí)間和路燈日勺啟動次數(shù)的計(jì)數(shù)）顯示輸出部分。然后在將兩部分整合在一起就完畢路燈

控制器口勺設(shè)計(jì)，通過采光、光電轉(zhuǎn)換控制部分輸入控制信號，計(jì)數(shù)顯示輸出部分就能對

的顯示目前日勺控制狀態(tài)和輸出狀態(tài)。

2方案選擇與論證

2.1方案一：模擬電路與數(shù)字電路組合

模擬電路部分包括直流穩(wěn)壓電源、光電轉(zhuǎn)換、小信號放大、三極管開關(guān)電路，直流

穩(wěn)壓電源又包括降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四部分，即可得到直流穩(wěn)定12V電壓；數(shù)字電

路重要有秒肪沖、計(jì)數(shù)、譯碼七段數(shù)碼管顯示。運(yùn)用模擬電路提供12V直流穩(wěn)定電壓,

完畢采光和小信號放大并產(chǎn)生控制信號控制繼電器的吸合，三極管的開關(guān)產(chǎn)生脈沖信號

和使能信號；數(shù)字電路負(fù)責(zé)顯示路燈目前一次的持續(xù)啟動時(shí)間和記錄路燈日勺啟動次數(shù)。

模擬電路部分用到H勺元件及作用：三極管9013用于小信號放大和開關(guān)，光敏電阻

完畢光電輪換，一般碳膜電阻根據(jù)二極管需要提供合適的偏置電壓和隔離、保護(hù)作用，

繼電器在開關(guān)三極管的控制下用于接通和斷開路燈回路。數(shù)字部分用到的元件：555定

期器，74LS160計(jì)數(shù)器、74LS48譯碼器、七段顯示數(shù)碼管，其中555定期器產(chǎn)生秒脈

沖，用于驅(qū)動74LS161計(jì)數(shù)，74LS48負(fù)責(zé)譯碼將74LS161計(jì)數(shù)日勺4位二進(jìn)數(shù)譯碼成7

位二進(jìn)制以驅(qū)動七段數(shù)碼管正常工作。

模擬電路與數(shù)字電路組合總體看來具有設(shè)計(jì)思緒清晰、價(jià)格成本低、穩(wěn)定性高、易

現(xiàn)實(shí)，但電路構(gòu)造相對復(fù)雜，需要購置許多電子元件和集成塊，，整體電路調(diào)試?yán)щy,

設(shè)計(jì)框圖如圖2.1-1所示：

圖2.17設(shè)計(jì)框圖

2.2方案二：模擬電路與可編程邏輯器件(FPGA)組合

方案二中模擬電路部分和方案一完全相似，在此不在贅述，重點(diǎn)簡介FPGA器件H勺

設(shè)計(jì)部分，目前FPGA重要有ALTERA企業(yè)日勺ACEX>MAX系列、XILINX日勺Virtex_4系列

等，其中ALTERA企業(yè)的ACEX系列FPGA在教學(xué)中用得較多；FPGA采用了邏輯單元陣列

LCA內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線三個(gè)部分。FPGA的編

程不必專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA,

不一樣的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不一樣的電路功能。因此，F(xiàn)PGA口勺使用非常靈活，F(xiàn)PGA

芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性日勺最佳選擇之一。

在本次設(shè)計(jì)中FPGA采用H勺是ALTERA企業(yè)MAXII系列EPM240T100C5N開發(fā)板，開

發(fā)板內(nèi)部是人為將實(shí)際需要日勺電路功能用VHDL語言語法描述出來，然后能過下載線將

程療下載到芯片內(nèi)部，程序日勺重要任務(wù)是負(fù)責(zé)完畢路燈目前一次日勺持續(xù)啟動時(shí)間日勺記錄

和記錄路燈的啟動次數(shù)，完畢這?功能將是由不?樣功能的程序模塊組合在?起。在滿

足芯片正常T作的外部件后，當(dāng)控制端日勺使能信號來時(shí)芯片執(zhí)行內(nèi)部程序并將執(zhí)行程序

的成果從芯片的輸出端口輸出，驅(qū)動后序電路工作。

方案二除模擬電路和方案一相似外還具有自身的I特點(diǎn)：此方案采用EPM240T100C5N

開發(fā)板替代方案一中時(shí)數(shù)電路部分使整體設(shè)計(jì)簡樸化，同步規(guī)定設(shè)計(jì)人員要有一定的實(shí)

際功能分析，將功能程序化和VHDL程序編寫能力，對設(shè)計(jì)人員FI勺技術(shù)規(guī)定比方案一的

高，使電路具有比很好日勺穩(wěn)定性和敏捷度，缺陷是購EPM240T100C5N開發(fā)板成本較高，

這樣一來就使得整個(gè)設(shè)計(jì)的成本增長。方案二的設(shè)計(jì)框圖如圖2.2T所示：

圖2,2-1設(shè)計(jì)框圖

2.3方案三：模擬電路與單片機(jī)組合

方案三中模擬電路部分重要負(fù)責(zé)提供直流穩(wěn)壓電源，在此不在贅述。單片機(jī)是指集

成在一種芯片上集成了一臺微行計(jì)算機(jī)所需的CPU、存儲器、輸入輸出端口和時(shí)鐘電路

等，也被稱為微控制器(Microcontroler),具有體積小、價(jià)格廉價(jià)、性能穩(wěn)定、通用

性好、易生產(chǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)。

單片機(jī)集成芯片常用的有AT89系列、MCS-51系列等，其正常工作條件必須滿

足5V供電、時(shí)鐘電路、復(fù)信電路正常，單片機(jī)重要應(yīng)用于智能儀表、工業(yè)實(shí)時(shí)控

制、機(jī)電一體化、通信接口、家用電器等，單片機(jī)程序的編寫采用C語言或匯編

語言編寫，在外圍電路接上所需日勺外部元件和設(shè)備在觸發(fā)信號到來時(shí)開始工作。

方案三時(shí)設(shè)計(jì)原理：電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路分別給單片機(jī)提供5V電

源、工作時(shí)鐘脈沖、復(fù)位信號以滿足單片機(jī)時(shí)正常工作條件，自然光日勺強(qiáng)弱經(jīng)光

敏電阻轉(zhuǎn)換成電信號的大小，在通過A/D變換將模擬日勺電信號變?yōu)閿?shù)字信號通過

引腳加到單片機(jī)內(nèi)部，單片機(jī)動作后輸出電路包括路燈一次啟動日勺時(shí)間，路燈總

共啟動的次數(shù)和路燈的通斷，方案三總體來說具有整體電路簡樸、節(jié)省成本、穩(wěn)

定性高、對觸發(fā)條件感應(yīng)敏捷、所需要的外部元件少，但程序編寫過程夏雜難懂,

方案三日勺設(shè)計(jì)框圖如圖2.3-1所示：

七

段

電源電路

顯

示

時(shí)鐘電路數(shù)

碼

復(fù)位電踣管

光電

轉(zhuǎn)換繼電器

圖2.3-1設(shè)計(jì)框圖

2.4VHDL語言及QuartusII軟件簡介

2.4.1VHDL語言簡介

VHDL語言是一種用于電路設(shè)計(jì)日勺高級語言，出目前80年代的后期，最初是由美國

國防部開發(fā)出來供美軍用來提高設(shè)訂的可靠性和縮減開發(fā)周期的種使用范圍較小日勺

設(shè)計(jì)語言。VHDL的英文全寫是：VI1S1C(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardware

DescriptionLanguage）翻譯成中文就是超高速集成電路硬件描述語言，因比它日勺應(yīng)用

重要是應(yīng)用在數(shù)字電路口勺設(shè)計(jì)中。目前，它日勺應(yīng)用多數(shù)是用在FPGA/CPLD/EPLD日勺設(shè)計(jì)

中，VHDL重要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的構(gòu)造、行為、功能和接口。除了具有許多具有硬件特

性向語句外，VHDL的語言形式和描述風(fēng)格語句語法是十分類似于一般IKJ計(jì)算機(jī)高級語

言。VHDL的程序構(gòu)造特點(diǎn)是將一項(xiàng)工程設(shè)計(jì)稱設(shè)計(jì)實(shí)體（可以是一種元件，一種電路模

塊或一種系統(tǒng)）提成外部（或稱可視部分，及端口）和內(nèi)部（或稱不可視部分），既波及

實(shí)體的內(nèi)部功能和算法完畢部分。在對一種設(shè)計(jì)實(shí)體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開

發(fā)完畢后，其他日勺設(shè)計(jì)就可以直接調(diào)用這個(gè)實(shí)體。

VHDL語言具有很強(qiáng)的I電路描述和建模能力，能從多種層次對數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行建模和描

述，從而大大簡化了硬，‘牛設(shè)計(jì)任務(wù)，提高了設(shè)計(jì)效率和可靠性。同步還具有與詳細(xì)硬件

電路無關(guān)和與設(shè)計(jì)平臺無關(guān)的特性，并且具有良好的）電路行為描述為系統(tǒng)描述能力，并

在語言易讀性和層次化構(gòu)造化設(shè)計(jì)方面，體現(xiàn)了強(qiáng)大的生命力和應(yīng)用潛力。

VHDL設(shè)計(jì)流程如下：

★創(chuàng)立工程，使用NewProjectWizard工具選項(xiàng)創(chuàng)立設(shè)計(jì)工程。

★程序編輯編譯，運(yùn)用QuartusII工具的文本或圖形編輯器將設(shè)計(jì)者日勺設(shè)計(jì)

意圖用文本或圖形方式體現(xiàn)出來，完畢設(shè)計(jì)描述后即可通過編譯器進(jìn)行排錯(cuò)編譯，變成

特定日勺文本格式。

★仿真，運(yùn)用產(chǎn)生的網(wǎng)表文獻(xiàn)進(jìn)行功能仿真，以便理解設(shè)計(jì)描述與設(shè)計(jì)意圖

的一致性。

★調(diào)試，在仿真過程中若程序出現(xiàn)語法上H勺錯(cuò)誤，程序?qū)⒉粫ㄟ^仿真同步

會有相就的錯(cuò)誤提醒，此時(shí)就需要人為日勺根據(jù)錯(cuò)誤提醒修改程序，使程序?qū)?nèi)并通過仿

真。

★引腳邦定，引腳邦定是為了將程序下載到硬件電路并使電路正常工作得到

我們但愿的成果，此過程要根據(jù)集成芯片的內(nèi)總引腳與外部電路實(shí)現(xiàn)配對。

★下載，假如以上的所有過程都沒有發(fā)現(xiàn)問題，就可以通過EPGA/CPLD下載

電纜載入目的芯片中將程序下載到實(shí)際電路中。

★硬件仿真與測試。

2.4.2QuartusII軟件簡介

QuartusTT是Altera企業(yè)【付綜合性PLD開發(fā)軟件,支持原理圖、VHDL、VerilogHDL

以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多種設(shè)計(jì)輸入形式，內(nèi)嵌自

的綜合器以及仿真器，可以完畢從設(shè)計(jì)輸入到硬件配置日勺完整PLD設(shè)計(jì)流程,Quartus11

除了可以使用Tel腳本完畢設(shè)計(jì)流程外，提供了完善日勺顧客圖形界面設(shè)計(jì)方式。具有運(yùn)

行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點(diǎn)。

此外，QuartusII通過和DSPBuilder工具與Matlab/Simulink相結(jié)合,可以以

便地實(shí)現(xiàn)多種DSP應(yīng)用系統(tǒng)；支持Altera的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）開發(fā)，集系統(tǒng)級

設(shè)計(jì)、嵌入式軟件開發(fā)、可編程邏輯設(shè)計(jì)于一體，是一種綜合性W、J開發(fā)平臺，使用Quartus

II軟件完畢VHDL程序設(shè)計(jì)H勺一般環(huán)節(jié)：

★建立工程：file-*newprojectwizard-*next（輸入工程文獻(xiàn)的途徑、工

程文獻(xiàn)名字、頂層文獻(xiàn)名字）ffinish。

★建立文獻(xiàn):file-*new-*VHDL/blockdiagram。

★源程序編輯、器件參數(shù)設(shè)置、編譯：assignment-*sctting-*dcviceacexlk

一eplk30tcl44-3->ok-processing-startcompilation<>

★程序波形仿真：file-new-*otherfile->vectorwaveformfile一（雙擊

空白處）-*noderfinder-*fiIter-*all->list（加入端口）一ok—ok—設(shè)置輸入信號一

processing-*startsimulation。

★引腳綁定：assignment-*assignmenteditor—pin->雙擊new輸入引腳編

號fstartcompilatioHo

★程序下載：tool—progammer—handwaresetup—addhandware-

byteblasterMVorbytcblasterII-*close-*starto

2.5數(shù)碼管和EDA試驗(yàn)箱簡介

2.5.1數(shù)碼管簡介

數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一種發(fā)光

二極管單元(多一種小數(shù)點(diǎn)顯示)；按能顯示多少個(gè)“8”可分為1位、2位、4位等等

數(shù)碼管；數(shù)碼管由8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，可以用來顯示數(shù)字、字符等。它在家電及工業(yè)

控制中有著廣泛日勺應(yīng)用，例如用來顯示溫度、數(shù)量、重量、日期、時(shí)間等，具有顯示醒

目、直觀的、成本低等長處，數(shù)碼管實(shí)符號和引腳。

其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成“8字形狀，加上小數(shù)點(diǎn)總共8個(gè)二極管，這些段分別用

a、b、c>d、e、f、g、dp來表達(dá)，COM引腳為公共端，用來控制數(shù)碼管顯示/、J打開或

關(guān)閉，即起到使能作用，數(shù)碼管內(nèi)部構(gòu)造。

按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二

極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到高

電平，數(shù)字電路中所謂的高電平是指該點(diǎn)對地日勺電壓高于4.5V而不不小于或等于5V,低電平則為

0V到2.5V之間。當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，對應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極

為高電平時(shí)，對應(yīng)字段就不亮。。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管U勺陰極接到一起形成公共陰極

(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND匕當(dāng)某?字段發(fā)光二極管

的陽極為高電平時(shí)，對應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段口勺陽極為低電平時(shí)，對應(yīng)字段就不亮。

2.5.2EDA試驗(yàn)箱簡介

ACEX1K30TC144-3試驗(yàn)箱采用貼片元件、插接、集成芯片等元件構(gòu)成，接口豐富，

功能強(qiáng)大，不僅具有一般開發(fā)板口勺一般接口如串口、按鍵、指示燈等，還設(shè)計(jì)了高級接

口如PS/2、VGA接口等.并且專門設(shè)計(jì)了試驗(yàn)接口區(qū)，使用者可根據(jù)自己日勺需要向本系

統(tǒng)添加電路，以便了顧客的試驗(yàn)。最為重要日勺是，比試驗(yàn)箱考慮到初學(xué)者的經(jīng)濟(jì)承受力,

采用了巧妙設(shè)計(jì)，為顧客提供了實(shí)惠日勺價(jià)格完畢了某些高級功能，是市面上性價(jià)比較高

時(shí)產(chǎn)品。ACEX1K30TC144-3FPGA試驗(yàn)箱構(gòu)造

3總體方案設(shè)計(jì)和單元模塊設(shè)計(jì)

3.1總體系統(tǒng)構(gòu)造圖

根據(jù)本人對所學(xué)知識的理解、掌握、應(yīng)用程度和本人現(xiàn)能提供的電子元件或設(shè)計(jì)中

需要用到的器材，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我選擇方案二完畢本次設(shè)計(jì)日勺任務(wù)和規(guī)定，總體系統(tǒng)構(gòu)

造框圖如圖3.1T所示：

圖3.17總體系統(tǒng)構(gòu)造框圖

3.2單元模塊設(shè)計(jì)

3.2.1直流穩(wěn)壓電源模塊

直流穩(wěn)壓電源是一種將220V交流電壓變成所需要口勺、穩(wěn)定的直流電壓輸出的電路。

直流穩(wěn)壓電源由降壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路四部分構(gòu)成，電路構(gòu)成框圖

如圖3.2-1所示:

一4

AA---------------?

降整濾穩(wěn)負(fù)

220V

■4

壓A流A波A壓

圖3.2-1電路構(gòu)成框圖

降壓電路的作用是將220V的交流電壓變成需要大小的交流電壓，整流電路日勺用用

是將低壓的交流電壓經(jīng)整流變成脈動的直流電壓；濾波電路H勺作用是將脈動內(nèi)直流電壓

濾成平滑直流；穩(wěn)壓電路則完畢輸出平滑穩(wěn)定的直流電壓供應(yīng)負(fù)載電路。

在本次設(shè)計(jì)中降壓采用變壓器進(jìn)行降壓，整流電路的原理是運(yùn)用二極管內(nèi)單向?qū)щ?/p>

特性將大小和方向隨時(shí)間變化的I低壓交流電變成只有大小變化而無方向變化日勺脈動直

流，實(shí)際運(yùn)用中選用四支二極管構(gòu)成橋式整流器或集成口勺橋堆進(jìn)行整流，具有運(yùn)用率高、

紋波小等特點(diǎn)。濾波電路常用的有電容濾波、電感濾波和復(fù)合濾波電路，電容濾波是運(yùn)

用電容器兩端的電壓不能突變和存儲電能的作用，電感濾波是運(yùn)用電感中電流不能突變

的原理，而復(fù)合濾波申路則是將兩者都包括進(jìn)來，具有還好日勺濾波效果。穩(wěn)壓電路是不

管電網(wǎng)電壓或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)能基本保持輸出電壓穩(wěn)定不變。

二極管的平均電流為流過負(fù)載的總電流，因負(fù)載的阻值不確定，因此暫定。綜

上所推理直流穩(wěn)壓電路中各元件時(shí)取如下：T1用輸出電流較大的IE型電源變壓器如DB

—20—2,整流二極管選用IN4001?IN4007均可，濾波電容C2選用耐壓值25?50V,容

量為1000uF或2200uF,C5選用耐壓值25?50V,容量為220uF即可，C6、C7為濾除

電流中高頻成分選用瓷片電容或，獨(dú)石電容，云母電容等均可。

3.2.2三端穩(wěn)壓器簡介

三端穩(wěn)壓器，重要有兩種，一種輸出電壓是固定H勺，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器，另

一種輸出電壓是可調(diào)時(shí)，稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器，在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)

壓器只有三個(gè)引出端子，具有外接元件少，使用以便，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉等長處，因

而得到廣泛應(yīng)用，固定三端穩(wěn)壓器的圖形如右圖所示。

固定三端穩(wěn)壓器的通用產(chǎn)品有78系列（正電源）和79系列（負(fù)電源），輸出電壓

由詳細(xì)型號中的背面兩個(gè)數(shù)字代表，有5V,6V,8V,9V,12V,15V,18V,24v等檔次。

輸出電流以78（或79）背面加字母來辨別L表達(dá)QI；AM表達(dá)0.5A,無字母表達(dá)1.5A,

如78L05表求5V0.1A,此外一般在三端穩(wěn)壓器的輸入輸出端接一種二極管，用來防

止輸入端短路時(shí),輸出端存儲H勺電荷通過穩(wěn)壓器,而損壞器件。

可調(diào)三端穩(wěn)壓器也分為輸出正電壓（CW317）和輸出負(fù)電壓（CW337）兩個(gè)系列，它

的三個(gè)端子分別為輸入瑞、輸出端、調(diào)整端。應(yīng)用特點(diǎn)是在調(diào)整端外接一種固定電阻和

一種電位器，調(diào)整電位器就可實(shí)現(xiàn)輸出電壓調(diào)整，得到所需要的輸出直流電壓，一般輸

出電流不不不小于5mA,輸入電壓范圍在3?40V之間，輸出電壓可調(diào)范圍為1.25?37V.

3.2.3三極管小信號放大電路模塊

光電轉(zhuǎn)換選用光敏電阻為關(guān)鍵元件，其特點(diǎn)是光照增強(qiáng)時(shí)，電阻減小，光照減弱時(shí),

電阻增大，從而變化加在光敏電阻上的電壓，完畢光電轉(zhuǎn)換過程。三極管小信號放大電

由三極管和電阻構(gòu)成，采用分壓穩(wěn)定偏置電路.

為使電路處在放大狀態(tài)必須滿足：

必須使放大器件處在合適的直流工作狀態(tài)，即就保證三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集

電極反向偏置。

★必須保證放大電路有合適的交流工作條件，輸入信號可以加到放大管的輸

入端，放大電路的電壓或電流可以盡量日勺送至負(fù)載。

★必須合理選擇放大電路元件的參數(shù)。

因電路要工作在放大狀態(tài)，根據(jù)使電路處在放大狀態(tài)的3個(gè)條件可知三極管日勺

Uc>Ub>Ue,當(dāng)光敏電阻自身的阻值為14K左右時(shí)電路處在放大狀態(tài)，因化人為規(guī)定

R2=100K,則放大電路中各亓件時(shí)值可由如下公式算出：

三極管處在放大時(shí)Ube0.7V,R=R5//R2=15K

可得Rl<240K,實(shí)際應(yīng)用中R1=36K。

當(dāng)R1=36K時(shí):

由以上公式計(jì)算出Ub=3.54V,Uc=5V,Ue=2.8V滿足Uc>Ub>Ue,當(dāng)光敏電阻的阻值為

14K左右時(shí)三極管放大電路觸發(fā)，處在放大狀態(tài)。

3.2.4三極管開關(guān)電路及控制電路模塊

從小信號放大電路輸出日勺控制電壓控制三極管Q2日勺工作狀態(tài)，因規(guī)定Q2工作在開

關(guān)狀態(tài)才能起到控制作用，因此規(guī)定小信號放大電路日勺輸出電壓、電流幅值較大，由于

設(shè)計(jì)中使用的小信號放大電路是經(jīng)典的共集電極放大電路（又叫電壓跟隨器或射隨器）,

從101輸出的電壓和電流通過R4電阻加到三極管Q2的基極從而起到控制Q2導(dǎo)通和截

止的作用。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)繼電器KI、K2的線圈同步上電，根據(jù)電磁感應(yīng)原理將電壓轉(zhuǎn)化

成磁能吸合銜鐵，繼電器時(shí)常開觸點(diǎn)吸合，常閉觸點(diǎn)斷開，使路燈供電電路形成回路，

路燈發(fā)光起到照明作用，同步en和countclk輸出5V控制電壓，反之路燈燭滅，en和

countclk輸出OVo二極管D3與K2線圈并聯(lián)，D5與K1線圈并聯(lián)，因繼電器中的）線圈可

看作是一種電感線圈，當(dāng)KI、K2忽然斷開時(shí)線圈中日勺電流不能突變而KI、K2線圈自身

還會產(chǎn)生一種很大的電動勢會擊穿Q2等元件，因此在并上D3、D5后KI、K2斷電瞬間

產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過D3、D5又重新加到KI、K2兩端中和掉KI、K2自身產(chǎn)生日勺電動

勢，起到保護(hù)電路的作用。

此模塊中12VH勺直流電壓先通過三端穩(wěn)壓器U1穩(wěn)壓后，再通過C8、C10濾波后得

到5VH勺直流電壓，考濾到電容的儲能H勺作用會增大設(shè)計(jì)成果的誤差，因此將5V直流電

源放在控制回路之前。其中en作為記錄路燈目前一次的持續(xù)啟動時(shí)間日勺使能信號，

countclk作為記錄路燈日勺啟動次數(shù)的J脈沖（countclk、en可互換）。D4起保護(hù)三端穩(wěn)壓

器日勺作用，以免電容充電電壓過高形成灌電流損壞三端穩(wěn)壓器，三極管開關(guān)電路及控制

電路如圖3.2.4-1所示：

-1三極管開關(guān)電路及控制電路圖

3.2.5電磁式繼電器簡介

電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等構(gòu)成的。只要在線圈兩端加上

一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引

的作用卜.克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸（常閉觸點(diǎn)）點(diǎn)

（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用

力返回本來的位置，使動觸點(diǎn)與本來的靜觸點(diǎn)吸合。這樣吸合、釋放，從而到達(dá)了在電

路中的導(dǎo)通、切斷的目日勺。對于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來辨別：繼電

器線圈未通電時(shí)處在斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”：處在接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱

為“常閉觸點(diǎn)二

電磁式繼電器重要參數(shù)：

★額定工作電壓：是指繼電器正常工作時(shí)線圈所需要的電壓，也就是控制電

路啊控制電壓。根據(jù)繼電器的型號不一樣，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。

★直流電阻：是指繼電器中線圈日勺直流電阻，可以通過萬能表測量。

★吸合電流：是指繼電器可以產(chǎn)生吸合動作的最小電流。在正常使用時(shí)，給

定H勺電流必須略不小于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對于線圈所加口勺工作

電壓，一般不要超過額定工作電壓的1.5倍，否則會產(chǎn)生較大的電流而把線圈燒毀。

★釋放電流：是指繼電器產(chǎn)生釋放動作日勺最大電流。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電

流減小到一定程度時(shí)，繼電器就會恢復(fù)到未通電H勺釋放狀態(tài)。這時(shí)的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不不小于

吸合電流。

繼電器測試：

★測觸點(diǎn)電阻：用萬能表W、J電阻檔，測量常閉觸點(diǎn)與動點(diǎn)電阻，其阻值應(yīng)為0,

而常開觸點(diǎn)與動點(diǎn)H勺阻值就為無窮大。由此可以區(qū)別出那個(gè)是常閉觸點(diǎn)，那個(gè)是常開觸

點(diǎn)。

★測線圈電阻：可用萬能表RX10Q檔測量繼電器線圈的阻值，從而判斷該線

圈與否存在著開路現(xiàn)象，

★測量吸合電壓和吸合電流：找來可調(diào)穩(wěn)壓電源和電流表，給繼電器輸入一

組電壓，且在供電回路中串入電流表進(jìn)行監(jiān)測。慢慢調(diào)高電源電壓，聽到繼電器吸合聲

時(shí)，記下該吸合電壓和吸合電流。

★測量釋放電壓和釋放電流：當(dāng)繼電器發(fā)生吸合后，再逐漸減少供電電壓，

當(dāng)聽到繼電器再次發(fā)生釋放聲音時(shí)，記下此時(shí)的電壓和電流即為釋放電壓和釋放電流,

繼電器日勺電路符號、實(shí)物及接法如圖所示:

K2

圖3.2.5T實(shí)物連接圖

4結(jié)束語

在本次課程設(shè)計(jì)中我的設(shè)計(jì)題FI是路燈控制器的設(shè)計(jì)與制作，我選擇方案一即模擬

電路與可編程邏輯器件組合完畢本次設(shè)計(jì)的任務(wù)和規(guī)定，設(shè)計(jì)中也碰到不少向困難和疑

惑，尤其是在電路仿真和程序仿真。在此本人舉兩例加以闡明：第一，在分頻程序波形

仿真時(shí)碰到很大困難，先首是在符合VHDL語言語法之下按照本人邏輯思維編寫出程序

并通過編譯，本認(rèn)為就萬事大吉了，可在波形仿真結(jié)束后卻不見波形出來，通過反復(fù)檢

查程序語法，改善設(shè)計(jì)思維，查找有關(guān)資料，修改Quartus軟件參數(shù)等，歷盡千幸萬苦

終于有了波形。第二，在三極管小信號放大電路設(shè)計(jì)中各元器件參數(shù)的計(jì)算，先首用論

理公試按照設(shè)計(jì)規(guī)定計(jì)算出各元件的值，然后在Multisim7仿真軟件中仿真，其仿真成

果與理論計(jì)算值存在很大差異，通過調(diào)整軟件參數(shù)，尋問老師等，最終使得仿真成果與

理論值近似，在處理困難和疑惑中歐I艱苦難以用語言體現(xiàn)出來。

通過本次設(shè)計(jì)，我深深地感觸到基礎(chǔ)知識的重要性，仟何細(xì)節(jié)都離不開基礎(chǔ)知識H勺

指導(dǎo)，設(shè)計(jì)中任何細(xì)節(jié)都不能忽視，它很也許就是導(dǎo)致你設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)需要有

有關(guān)扎實(shí)的基礎(chǔ)知識了，還要有一定日勺實(shí)際動手能力。此外，通過本次設(shè)計(jì)鞏固和拓展

我此前所學(xué)的知識，明白自己有許多方面的缺陷和局限性。這次設(shè)計(jì)給我最大歐J啟示：

態(tài)度決定高度，細(xì)節(jié)決定成敗

日月如梭，轉(zhuǎn)眼就要辭別我日勺大學(xué)生涯，閉上眼，3年口勺大學(xué)生活歷歷在目。3年

前剛踏進(jìn)校門的那一刻，我還是一種不知世故的懵懂少年，3年的大學(xué)生活，讓我收獲

知識，收獲成績，更讓我懂得了怎樣做人。

感謝我日勺父母，在我的成長和求學(xué)過程中，父母不僅在經(jīng)濟(jì)上承受著巨大的承擔(dān)，

心里更有思子之情的I煎熬與望子成龍日勺期待，每次回到家時(shí)父母日勺欣喜之情和每次離家

時(shí)父母依依不舍的情形與叮囑，皆使我刻苦銘心。我H勺父母，你們幸苦了。

感謝我日勺指導(dǎo)老師XX老師，是你傳授我知識，給我協(xié)助和鼓勵(lì)，教會我怎樣做人、

怎樣做事，謝謝你，你們幸苦了。

感謝所有的同學(xué)，三年我們一起學(xué)習(xí)，平時(shí)各位同學(xué)的喜、怒、哀、樂都令我畢生

難忘，目前回憶起來，認(rèn)識各們同學(xué)都是我畢生日勺榮幸，在未來日勺工作和生活中，我期

望我們?nèi)詫⒁宦吠小?/p>

最終，就讓我們把這充實(shí)而又充斥意義的3年放進(jìn)回憶。眼前，一條新的道路已在

腳下，抓住機(jī)會，放眼未來，讓我們在社會的大浪中去磨練自己，實(shí)現(xiàn)自己的人生理想。

我再次深深感謝所有的人，祝你們身體健康，生活快樂。

附錄1:FPGA頂層文獻(xiàn)原理圖

頂層文獻(xiàn)原理圖

附錄2：分頻程序

libraryieee;

useieee.std_logic_l164.all;

useieee.std_logic_unsigned.all:

entityfenpinis

port(

clklk:instd_logic;

clk20H:bufferstd_logic;

clklH:outstdlogic

)；

end;

architecture