光控灯电路设计

光控灯电路设计 本科生课程设计(论文) 目录 第1章 绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1国内外发展情况 ..............................................................................................1 1.2 本设计达到预期目标 ......................................................................................2 第2章 总体设计 ................................................................................................................. 3 第3章 电路设计 ................................................................................................................. 4 3.1感光元件设计 ..................................................................................................4 3.2光控电路设计 ..................................................................................................4 3.2.1 MJ20516型号光敏电阻的技术指标 ........................................................4 3.2.2 光控电路 ..................................................................................................4 3.3继电器驱动及灯泡照明电路 ...........................................................................6 3.3.1 发射极接地型开关电路 ...........................................................................6 3.3.2 继电器驱动电路 ......................................................................................6 3.3.3 5VSPDT型号继电器的技术参数 .............................................................8 第4章 仿真............................................................................................................................ 9 4.1 软件仿真 .........................................................................................................9 4.2 调试与性能分析............................................................................................ 10 第5章 总结.......................................................................................................................... 11 参考文献................................................................................................................................. 12 附录? 总体电路图 ......................................................................................................... 13 附录? 器件清单 .............................................................................................................. 14 III 本科生课程设计(论文) 第1章 绪论 1.1国内外发展情况 随着国内外电子产业的飞速发展，近十年来，我国电子信息产品制造业以3倍于GDP增长的速度高速发展，保持国民第一支柱产业的地位。随即越来越多的科技产品应用到了生活的方方面面。本篇论文研究有关电子产品中光控灯电路的设计。现如今光控灯电路已经成为人们日常生活中广泛应用的必需品。它广泛应用于走廊、楼道、公路、马路、招待所、厂房车间等公共场所，给人们的工作生活带来极大方便。尤其在当今能源紧缺的大前景下，光控电路所能实现的环保、节能优势大大显现出来。光控电路具有节能、体积小、发热量低、寿命长、耗电量小、反应速度快、容易控制等诸多优点，极大地满足了人们日常生活的需要，由此光控灯的诸多优点在现在正逐渐取代传统的照明设备，是照明产品的新兴光源，有“绿色照明”光源之称，未来将光芒照耀，发展潜力无限。因此十分被灯饰业者看好。所以说，国内外光控灯电路的应用方面广泛，实用性强，对人们的日常生活具有十分重要的意义。尤其是今年来，国家大力提倡节能减耗，而传统的路灯控制方式多数是集中定时控制其开关状态。其线路铺设、维护需要大量的人力和财力，同时对于路灯是否正常也只能同人工方式进行检查，这些对路灯的管理极为不便也容易造成电能损耗，因此有必要对路灯等控制系统进行改进。目前，很多城市路灯控制系统处于人工管理的状态，使路灯管理和维护成本加大。随着社会不断发展，人们的生活也日益智能化相对于其他类型路灯，光控路灯系统不仅可以给行人带来更的方便，还不需要人工操控，能自动切换路灯的开关状态。体现了现代科技的智能化，同时有效降低了路灯管理和维护的费用。随着城市的发展，作为城市公用设施的城市路灯照明系统对人民生活和交通安全起着重要作用。近些年，随着科学科技的迅猛发展，光控电路更是作为了很多新兴电路的一部分，以光控电路为基础的例如声光控电路等渐渐占据了大量市场，成为了市场的主流。由于近年来我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已成为电光源产品的主要输出国之一。照明器材行业属一般性竞争行业，是我国轻工业对外开放较早的行业之一。自从我国加入WTO以来，国际上一些知名品牌大企业相继进入国内产销领域，使得国内竞争国际化。努力增加节能光源和不同档次、花样、不同用途的1器具的开发，加快绿色节能光源产品的开发推广和应用是我国目前照明器材行业结构调整的重点。我国照明器材行业面临着前所未有的机遇和挑战，而由此带来的巨大商机利益也成为一些企业瞩目的焦点。生产企业适应新 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ，为各类照明场所提供相应的产品。从国际市场分析，虽然我们的出口逐年大幅度增长，但我国大部分产品在国际市场仍属 1 本科生课程设计(论文) 于中低档水平，去过法兰克福的人都有体会，我们的产品与国际先进水平相比还存在着较大差距。另外，如果大量劣质低价产品出口，还会遭遇反倾销诉讼，从而影响全行业出口，因此人们仍要大声疾呼，质量是企业的生命。我国目前已成为世界照明电器产品大国，我国的目标是要成为照明电器产品生产强国，我国与发达国家在照明电器产品的质量、档次、生产工艺、设备、 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 以及新产品开发能力等方面均存在明显差距。据中国照明学会调查资料显示:中国目前使用节能灯的家庭有一亿户，使用节能灯的酒店及公共场所更是多得难以统计;全国每年单节能灯市场的总额在120亿以上，同时每年城市化的进程在以6,的速度增长。据国家电光源质量监督检验中心介绍，我国已成为世界醉的节能灯生产国和出口国，生产的节能灯质量逐年怎不提高。 以上。消费者使用节能灯及节能由2005年以来节能灯质量抽查产量合格率达到80, 省钱。美国、法国、荷兰、英国、意大利等国家从上世纪90年代起，纷纷制定出相关的扶持政策，用于推广节能灯等产品。仅美国环保局从1991年开始实施绿色照明 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 以来，就投资了10多亿美元用于推广高效照明产品。美国能源部研究认为，节能灯的新科技也能令公司雇员提供生产效率，只是因为雇员能把光效调校到他们觉得舒服的等级。研究指出，节能灯减少雇员眼部疲劳和头疼的发生率。这也构成商业机构乐于更新换代照明系统的另一个原因。可见节能灯在国内外都有着重大的发展和重要的作用。 1.2 本设计达到预期目标 本设计用光控灯电路实现灯的自动发亮和关闭。白天或光线较强时，开关电路为为自锁状态，灯不亮。当光暗到一定程度时，开关电路自动打开，灯亮。例如，将光控灯电路安装在楼房走廊，当阴雨天或者晚上楼道里光线较暗时，它会自动开启，照亮楼道，方便居民的出行，提高居民晚上出行的安全性，系统运行成本低，而且本设计通过采用继电器实现了弱电对强电的控制，大大提高了使用的安全性、稳定性。 2 本科生课程设计(论文) 第2章 总体设计 感光电路 光控电路 照明电路 继电器驱动电路 图2.1 总体框图 本设计主要包括4个模块:感光电路、光控电路、继电器驱动电路和照明电路模块。 (1)感光电路模块主要通过光敏电阻检测光照强度。 本设计所选用的感光元件为MJ20516型号的光敏电阻，其阻值的变化范围为1KΩ,10KΩ,即在有光照射时电阻阻值下降，无光照时阻值上升，; (2)光控电路模块主要通过光敏电阻阻值的大小控制NPN硅管的导通与截止。 三极管有NPN型、PNP型两种，按材料又分为硅管和锗管两种。本设计选用的是9014型NPN型硅管; (3)继电器驱动电路模块主要通过NPN硅管的导通与截止控制继电器触点的开启与闭合，实现弱电对强电的控制。 本设计选用的是5VSPDT型号的继电器，该继电器具有用途广泛、价格低廉、实用性高等特点; (4)照明电路模块是整个电路的终端，实现整个电路的最终目的即控制220V的灯泡的点亮及熄灭。 3 本科生课程设计(论文) 第3章 电路设计 3.1感光元件设计 本设计中选用的感光元件是光敏电阻。光敏电阻又称为光导管，是利用半导体材料的光电效应制成的一种光电器件。常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下(光敏电阻器对光的敏感性即光谱特性)与人眼对可见光的反应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。无光照时，光敏电阻值很大，电路中电流(暗电流)很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，他的阻值(亮电阻)将急剧减小，电路电流迅速增大。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可以加直流电压，也可以加交流电压。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度较高。 光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。光敏电阻一般应用于光的测量、 光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合。常用作开关式光电信号的传感元件。 3.2光控电路设计 3.2.1 MJ20516型号光敏电阻的技术指标 (1)最大电压(VDC):250V; (2)最大功耗:500mW; (3)环境温度:,30?,+70?; (4)光谱峰值:560nm; (5)亮电阻:1KΩ; (6)暗电阻:10KΩ; 3.2.2 光控电路 光控电路由光敏电阻R，限流电阻R，滑动变阻器R和NPN硅管组成，如Q3574图所示: 4 123456 VCC=5V DD 本科生课程设计(论文) R7R522K POT2 Q4 NPNU1 R3 CC 光敏电阻 图3.1 光控电路 当光敏电阻受到光照射时，电阻阻值减小;当光照射较弱时，其阻值增大。电路图中的集电极电阻作为限流电阻，保护三极管，防止其被击穿;调节滑动变阻器RR57能够改变基极电流，从而控制发射极和集电极电流，进而控制整个光控电路对光信号的灵敏度。 将基极电流设为0.1mA，当有光照射时，，，，与光敏电R,V,VI,50,7CCCEBVCC阻此时的阻值(约1KΩ,10KΩ)相比，光敏电阻则可以忽略不计。选择100KΩ的滑动变阻器来代替50KΩ的滑动变阻器，让基极电流可调，从而控制射极电流和控制 BB光控电路的灵敏度。集电极电阻R为限流电阻，这里取值为22KΩ。这里使用的三极5 管是一种控制元件，主要用来控制电流的大小。其工作状态分为放大、截止、和饱和。当工作在放大区时，发射极正偏，集电极反偏;当工作在截止区时，发射极和集电极均反偏;当工作在饱和状态时，发射极和集电极均正偏。同时三极管通常由两种材料做成，一种为硅管，其正偏发射结导通电压为0.7V;另一种为锗管，其正偏发射结导通电压为0.3V。以共发射极法为例(信号从基极输入，从集电极输出，发射极接地)。当基极电压有一个微小的变化时，基极电流也会随之有微小的变化，受其控制的集电极电流便会有一个很大的变化，基极电流越大，集电极电流就越大。但是集电极电流的变化比基极电流的变化大得多，这就是三极管的放大作用。集电极电流的变化量与基极电流的变化量之比叫作三极管的放大倍数，其一般在几十到几百倍。三极管在放大信号时，首先要进入导通状态，叫建立偏置，否则就会放大失真。在三极管 AA的集电极与电源之间接一个电阻，可将电流放大装换成电压放大;当基极电压升高时， Title基极电流变大，集电极电流也变大，集电极电流在集电极电阻上的压降也越大，所以三极管集电极电压会降低，且越高，就越低，且集电极电压变化量与基极电压UUBCSizeNumberRevision B 5 Date:7-Jul-2011 Sheet of File:C:\Documents and Settings\Administrator\桌面Drawn By:\我的课设\信号\BA7959~11.DDB 123456 本科生课程设计(论文) 变化量相等。光敏电阻接收信号后电阻值发生变化，将其转换为电信号加到的三极管的基极，经处理后从集电极输出，输出电压随光照强度的减弱的增加，通过继电器实现灯泡的自动转换。当光照强度很大时，光敏电阻阻值很小，三极管分得的电压较小，三极管截止，继电器不工作，灯泡熄灭。当光照强度很小时，光敏电阻阻值很大，桑拿机关分得的电压较大，三极管导通，灯泡点亮。通过调节滑动变阻器，可调节亮度触发点。 3.3继电器驱动及灯泡照明电路 3.3.1 发射极接地型开关电路 ，负载及NPN管构成，VCC为5V直流发射极接地型开关电路由限流电阻RQ11 电源，NPN的发射极接地。如下图所示: VCC R2 Q1R1Vi NPN 图3.2开关电路 当输入端为0V(即低电平)，三极管NPN的基极没有合适的偏置电压(?0.7V)，故三极管处于截至状态;当输入端为5V(即高电平)，使基极的偏置电压?0.7V，基极、发射极处于导通，即三极管处于导通状态。如果这里不加限流电阻，则会有R1非常大的基极电流通过，三极管很有可能会被击穿，那么为了保护三极管，防止其被击穿，必须加上限流电阻。 R1 3.3.2 继电器驱动电路 将开关电路的负载改为继电器，即变成继电器驱动电路。如图所示: 6 123456 DD CC VCC=5V 220VF1 本科生课程设计(论文) D1DS1 K1 Q3V1R6U1 4.7K BB 图3.3 继电器驱动及照明电路 该部分电路由三极管、继电器、电阻，二极管组成。在这部分电路中，继电Q3 器和三极管都相当于一个开关，可开通或关断灯泡连接的5V直流电源。当开关的负 载为电动机或者继电器等感性负载时，在截断流过的负载的电流时(晶体管进入截止 状态时)，会产生感应电动势(根据楞次定律)。此时产生的电压非常大。当这种电 压超过晶体管的发射极、基极之间的反向击穿电压时，晶体管将会被击穿，因此给需 要给继电器并上一个二极管，以防止三极管被击穿。 继电器选择5V电压供电，触电电流为1A，吸合电流设为50mA，将积极电流控制 在0.5mA，故选择三极管的β=100，所以三极管的集电极电流(负载电流)额定值要 AA大于50mA，三极管的集电极、发射极之间和集电极、基极之间的最大额定值、UCBO Title都需要大于5V，即集电极电流?50mA，β=100，集电极-发射极击穿电压?5V，集UCEO 电极-基极击穿电压?5V，三极管NPN完全满足要求，集电极-基极击穿电压为30V，SizeNumberRevision 集电极-发射极击穿电压为25V，集电极电流为500mA，基极电流为50mA，放大倍数B满足要求。继电器驱动电路的输入端为5V，由图可知，以5V减去基极与发射极的结Date:11-Jul-2011Sheet of File:C:\Documents and Settings\Administrator\桌面Drawn By:\我的课设\信号end\BACKUP~1.DDB电压0.7V，得到限流电阻的分压为4.3V，然后带入R=U/I=4.3V/0.5mA=8.6KΩ。所以123456 使用8.6KΩ的限流电阻。但是8.6KΩ不在四环电阻的系列值里，所以这里选择用 8.2KΩ的电阻代替。这里使用的继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为 输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。继电器是一种电子控 制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应 用于自动控制电路中，它实际上使用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。 故在电路中起着自动调节安全保护转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁心、线圈、 触电簧片等组成的。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， 7 本科生课程设计(论文) 从而带动衔铁的动触点和静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后，电磁的吸引、力也随之消失，衔铁就会在弹簧的发作用力返回原来的位置，是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。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样分: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”。固态继电器按照负载电源类型可分为电流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。该固态继电器是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片，采用混合工艺组装来实现控制回路(输入电路)与负载回路(输出回路)的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，内部无任何可动部件。主要由输入(控制)电路，驱动电路和输出(负载)电路三部分组成。当三极管处于饱和状态时，集电极电Q3 流驱动继电器动作，开关闭合，灯泡回路导通，此时在灯泡回路中，电流从直流电源沿电阻继电器中的开关，最后流进直流电源，就这样灯泡点亮。当三极管处于截Q3至状态，继电器中无电流通过，故而继电器开关无法动作，导致灯泡回路开路，无电流通过，灯泡熄灭。继电器中开关动作受三极管控制，当三极管处于饱和状态时，其集电极里有电流通过，从而驱动继电器中的开关动作，灯泡回路导通，其开关无法动作，灯泡回路关断。三极管是处于饱和导通还是截止断开，则有其基极控制。当基极电压高于高点平时，其值高于集电极的电压，而且大于三极管的开启电压，三极管处于饱和导通状态，集电极上的继电器中有电流通过;当基极处于电平状态时，其数值小于三极管开启电压，三极管处于截至状态，其集电极中无电流，此时是二极管相D6当于开路，对电路无影响;当三极管在转换到截止状态的瞬间，由于继电器中含有电感元件，那么必然会在此刻产生极大地电流，如果不加二极管，电路可能会因电D6 流过大而损坏，而加上二极管后，电流改变流向，通过二极管和继电器的电感组成的回路完成放电过程，不会损坏电路。 3.3.3 5VSPDT型号继电器的技术参数 (1)外形尺寸:19.0×15.5×15.0?(L×M×H); (2)重量:10g; ,(3)阻抗:50mΩ; (4)额定电流:10A; (5)工作温度:-40?,+85?; ,(6)绝缘电阻:100MΩ; (7)线圈参数:线圈功耗:360mW; 8 本科生课程设计(论文) 第4章 仿真 4.1 软件仿真 打开PROTEl软件，在元件库里查找到电路图中所需要的元器件，添加至当前页面。按照所设计的原理图进行画图。画完之后，认真检查。确定没有错误后，运行，查看是否符合设计要求。并对电阻进行参数的调节，以达到与其设计的要求。下图是用PROTEl软件所画的设计图: VCC5V V1 VCC5VX2XMM1 FUSER7220 Vrms 50 Hz J1D1R51mV 0mV 0? 50kΩ1BH6222kΩ70% Key=A X1R6LAMP V44.7kΩXMM3Q2Q31 Vpk XMM21kHz 0? L12N17112N1711 XMM410mH70% Key=A 图4.1仿真电路 图4.2 仿真数据举例 9 本科生课程设计(论文) 4.2 调试与性能分析 仿真时假设光照强时的光敏电阻阻值为10KΩ，此时三极管截止,继电器常开Q1 触点断开，因为SIM软件库中无灯泡，故使用阻值为5KΩ的代替。此时两端电RR55压为0V。假设当光照弱时阻值为100KΩ，此时为1.5V，1.5V大于0.7V，故RUQ4BE1导通，随即也导通，故继电器常开触点闭合，测得电压为220V。 Q2 仿真调试及各数据记录如下 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf : 表4.1仿真数据 继电器 QQ32阻值M, I LAMP UUUUbebece 70 0.79 0.88 0.09 11.9 0.04 点亮 20 0.78 0.88 0.11 11.8 0.04 点亮 10 0.76 0.87 0.47 11.5 0.04 点亮 10 本科生课程设计(论文) 第5章 总结 以上光控电路主要是利用了光敏电阻检测光照强度，用三极管作为照明灯的控制开关并驱动继电器以控制220V照明灯，实现了弱电对强电的控制。当光照强度达到一定程度时自动关闭照明灯，光暗到一定程度时照明灯又自动开启，实现自动控制。 在调试过程中遇到了这样的问题: 第一个问题是电路的感光灵敏度不高，在很暗的时候灯才能亮。解决方案是在光敏电阻处串联一个阻值适当的滑动变阻器，以达到对光敏电阻的灵敏度的调节。 第二个问题是由于继电器有延时，当光照强时，继电器常开触点一瞬间又闭合。故导致测得电压不准确。 第三个问题是灯泡一直亮着，经分析得是由于三极管被击穿，造成继电器中一直有电流通过，从而灯泡回路一直处于导通状态。 11 本科生课程设计(论文) 参考文献 [1] 杨宝清，宋文贵.实用电路手册[M].北京:机械工业出版社，2002. [2] 龚华声，宋文贵.实用电路[M].北京:电子工业出版社，2006. [3] 周志敏，周继海.电工电子实用电路[M].北京:电子工业出版社，2005. [4] 康树林.光控延时开关性能分析[J].科技资讯，2009，1. 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