光控節(jié)能路燈的電路設(shè)計

1、光電檢測技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計題 目: 光控節(jié)能路燈的電路設(shè)計 組 長: 張影 組 員: 夏飛鳳、彭歡、趙楠楠 專 業(yè): 電子科學(xué)與技術(shù) 班 級: 112班 指導(dǎo)教師: 何恩杰 2014 年 4 月 19 日安徽科技學(xué)院數(shù)理學(xué)院目錄第1章 概述 1.1光電檢測技術(shù)前景、1 1.2課題作用、實(shí)用價值、1 1.3關(guān)于對該作品的發(fā)展前景的看法、2第二章 主要器件基本原理 2.1光電二極管的基本原理、2 2.2光電三級管的基本原理、3第3章 光控節(jié)能路燈電路的設(shè)計 3.1主要內(nèi)容、4 3.2基本要求、4 3.3設(shè)計方案及框圖、4 3.4總體電路圖、53.5電路功能介紹、6 3.5.1白天電路顯示、6 3.

2、5.2夜晚電路顯示、7 3.5.3光強(qiáng)控制顯示、7 3.5.4報警顯示、8 3.5.5太陽能電池供電電路設(shè)想、8 3.5.6電路實(shí)際應(yīng)用、93.6電路各器件參數(shù)與功能、9 3.6.1繼電器、9 3.6.2與門74LS08、10第4章 課題總結(jié) 4.1實(shí)驗(yàn)不足之處、10 4.2實(shí)驗(yàn)總結(jié)與心得、11第一章概述1.1光電檢測技術(shù)前景光電檢測技術(shù)是一種非接觸測量的高新技術(shù)。它主要利用電子技術(shù)對光學(xué)信號進(jìn)行檢測，并進(jìn)一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示。光電檢測技術(shù)通過光學(xué)系統(tǒng)把待檢測的非電量信息變換成為便于接受的光學(xué)信息，然后用光電檢測器件將光學(xué)信息量變換成電量，并進(jìn)一步經(jīng)過電路放大、處理，已達(dá)到電信號輸

3、出的目的。光敏二極管作為一種光電器件在光電檢測技術(shù)中有著非常重要的作用。在光電檢測電路中，光電轉(zhuǎn)換元件一般采用光敏二極管，通過對它微弱光電流的檢測，來獲取光信息或其它信息，其原理是把調(diào)制到光載波上的有用信號解調(diào)出來，實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。1.2課題作用、實(shí)用價值所謂光控節(jié)能路燈，就是能夠在黃昏時自動接通路燈的電源，在黎明時自動關(guān)閉路燈，實(shí)現(xiàn)對路燈的自動控制，而且更重要的是要求節(jié)能。關(guān)于對路燈的自動控制的電路，基本原理是相同的，即利用自動控制理論如何實(shí)現(xiàn)自動控制。實(shí)現(xiàn)方式可謂各式各樣，五花八門，這也是由于具體的實(shí)用要求和環(huán)境的差異所決定的。常見的控制方式有聲控，光控以及聲光結(jié)合的控制，當(dāng)然還

4、可以利用單片機(jī)，DSP等微控制器來實(shí)現(xiàn)。在保證足夠可靠性的基礎(chǔ)上，為了盡量節(jié)約成本，利用簡易的分立元件來實(shí)現(xiàn)，顯得既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，在提倡節(jié)約型社會的今天無疑值得推廣。1.3關(guān)于對該作品的發(fā)展前景的看法無論大小城市都一定會有路燈，有路燈就一定要用電，而現(xiàn)在各個城市經(jīng)濟(jì)都飛速發(fā)展，許多城市都會出現(xiàn)用電緊張。除去一些家庭的不合理造成的浪費(fèi)，城市里許許多多的路燈所耗的電能也不是各小數(shù)目。例如：四川省成都市內(nèi)目前共有盞路燈，平均每盞耗電250瓦每小時，每天耗電量很大，照這樣計算每天將消耗瓦的電能，一個月下來會是瓦，一年下來會是瓦，那么在過幾十年將會多么可怕啊！而如果我們使用光控太陽能電路，這一切將會大大的

5、改變。因?yàn)槊恳惶於加嘘柟?，那么假如每盞燈都安上3塊太陽能電池板，并且每塊的供電量為100瓦每小時，那么每天就產(chǎn)生3600瓦電能，足夠讓一盞路燈工作14.4小時。并且光控太陽能路燈的造價也不貴，這樣，節(jié)約下來的電能就很可觀了。除此之外，我們還可以進(jìn)一步改造，將路燈改小變成各個家庭所必備的日光燈，那么，我們很有必要利用太陽能。光控太陽能路燈很有必要代替?zhèn)鹘y(tǒng)的路燈。第2章 主要器件基本原理2.1光電二極管的基本原理 光電二極管時將光信息變成電信號的半導(dǎo)體器件。它的核心部分是一個PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結(jié)面積盡量的大一點(diǎn)，電極面積盡量小一點(diǎn)，而且PN結(jié)的結(jié)

6、深很淺，一般小于1微米。它們在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有光照時，攜帶能量的光子進(jìn)入PN結(jié)后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對，稱微光生載流子。它們在反向電壓作用下參加漂移運(yùn)動，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流越大，這種特性稱為“光電導(dǎo)”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接個負(fù)載，負(fù)載上就獲得電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應(yīng)的變化。 光電二極管作為一種光伏探測器可以在光伏型（即物外加偏壓）和光導(dǎo)型（即物外加反向電壓）兩種工作模式工作。在光導(dǎo)模

7、式下，施加反向偏壓后，可以增加光電二極管PN結(jié)的耗盡層寬度好和結(jié)電場，在耗盡層中產(chǎn)生的電子空穴對由于復(fù)合較少，在結(jié)區(qū)強(qiáng)電場的作用下，不必經(jīng)過引起復(fù)合的擴(kuò)散過程，就可以對電流作出貢獻(xiàn)，顯然提高了光電二極管的光電靈敏度。但在這種模式下，由于給光電二極管施加了反向偏置電壓，必然存在較大的暗電流由此會產(chǎn)生較大的噪聲電流，通常在光通信等快速應(yīng)用中應(yīng)該使用該模式；而在光伏模式下，光電二極管處于零偏狀態(tài)，不存在等效二極管的反偏電流，有較低的噪聲，線性好，適合于比較精確的測量。2.2光電三級管的基本原理光電三極管的原理分為兩個部分：一是光電轉(zhuǎn)換；二是光電流放大。光電轉(zhuǎn)換過程與一般光電二極管相同。在集基區(qū)進(jìn)行。

8、光激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對，在反向偏置的PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，電子流向集電極被集電極所收集，而空穴流向基區(qū)與正向偏置的發(fā)射結(jié)發(fā)射的電子復(fù)合，形成基極電流，基極電流將被集電極放大，這與一般半導(dǎo)體三極管的放大原理相同。不同的是一般三極管的是由基極向發(fā)射結(jié)注入空穴載流子，控制發(fā)射極的擴(kuò)散電流，而光電三極管的是由注入到發(fā)射結(jié)的光生電流控制的。第三章 光控節(jié)能路燈電路的設(shè)計3.1主要內(nèi)容 研究光敏二極管、光敏二極管、與門、非門、繼電器等，設(shè)計一光控節(jié)能電路，實(shí)現(xiàn)節(jié)能路燈控制。3.2基本要求1、研究光敏二極管、光敏二極管、與門、非門、繼電器等器件的功能特性，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。2、設(shè)計光控節(jié)能路燈電路的功能框圖。 3、設(shè)

9、計光控節(jié)能路燈電路的實(shí)際電路圖，要求功能仿真成功。4、完成課程設(shè)計總報告。3.3設(shè)計方案 電路中，光控觸發(fā)器電路由光電三極管、三極管、電阻器、電位器、發(fā)光二極管、與門、非門等組成，電源電路由電阻器、發(fā)光二極管、電位器組成，報警電路由電阻器、三極管、與門、報警器（用燈泡表示）組成。 在白天，光電三極管受光導(dǎo)通，7408N輸出高電平，經(jīng)過非門繼電器獲得低電平，發(fā)光二極管LED1不導(dǎo)通； 當(dāng)黃昏來臨時，光照度逐漸減弱，光電三極管截止，7408N輸出低電平，經(jīng)過非門繼電器獲得高電平，LED1導(dǎo)通，發(fā)光； 直到第二天黎明來臨時，光照度逐漸增強(qiáng)，光電三極管導(dǎo)通，繼電器獲得低電平，于是LED1熄滅。 為了防

10、止電路出現(xiàn)故障，在白天路燈也亮，在電路中添加了一個報警電路，以便工作人員及時知道出故障的電路。電路框圖如下：3.4總體電路圖3.5電路功能介紹3.5.1白天電路顯示在白天，光電三極管受光導(dǎo)通，7408N輸出高電平，經(jīng)過非門繼電器獲得低電平，發(fā)光二極管LED1（路燈）不導(dǎo)通。3.5.2晚上電路顯示 當(dāng)黃昏來臨時，光照度逐漸減弱，光電三極管截止，7408N輸出低電平，經(jīng)過非門繼電器獲得高電平，LED1（路燈）導(dǎo)通，發(fā)光； 直到第二天黎明來臨時，光照度逐漸增強(qiáng)，光電三極管導(dǎo)通，繼電器獲得低電平，于是LED1（路燈）熄滅。3.5.3光強(qiáng)控制顯示傍晚光線不強(qiáng)時，光電三極管仍導(dǎo)通，LED1（路燈）保持熄滅

11、狀態(tài)，這時可以通過調(diào)節(jié)滑動變阻器使路燈亮起來。3.5.4報警顯示當(dāng)白天時如果LED1（路燈）亮，光電三極管導(dǎo)通，則7408N兩個輸入端都是高電平，輸出為高電平，再經(jīng)過三極管放大后使LED4（報警器）工作。當(dāng)工作人員發(fā)現(xiàn)后，在同時斷開開關(guān)2和C使報警器和路燈停止工作，在進(jìn)行合適的檢查和修理。3.5.5太陽能電池供電電路設(shè)想在電路中，用V1、V3、V4表示太陽能電池板，其中V4為接收太陽光的地方。當(dāng)白天時D1光電二極管導(dǎo)通，即J7閉合，給蓄電池V3、V4充電，此時電磁繼電器不導(dǎo)通，LED3（路燈）不亮。當(dāng)夜晚時，D1光電二極管截止，停止充電，此時繼電器導(dǎo)通，使蓄電池放電，給LED3（路燈）提供電能

12、，使路燈亮起來。這樣便不需要外部交流電供能，節(jié)約電能，保護(hù)環(huán)境。但這個部分我們無法，仿真，只能簡單說出思想，但我們相信會成功的。3.5.6電路實(shí)際應(yīng)用在電路中，當(dāng)光電三極管損壞時，可以通過應(yīng)急開關(guān)B（斷開）使電路工作。此電路可以不同的情況。如果用在學(xué)校中，可以在晚上十二點(diǎn)通過斷開開關(guān)C使路燈熄滅。因?yàn)樵趯W(xué)校一般在晚上十二點(diǎn)以后就使用不到路燈了，這樣在合適的時間通過復(fù)位開關(guān)使路燈熄滅可以節(jié)約電能。如果在城市中，那就用不到復(fù)位開關(guān)了。因?yàn)檫@時要求路燈整晚都打開來使道路通行。3.6電路各器件參數(shù)與功能3.6.1繼電器電磁繼電器由線圈繞上鐵芯，形成電磁鐵，當(dāng)線圈導(dǎo)通時，電流使得鐵芯暫時磁化，吸引鐵樞使

13、得觸點(diǎn)吸合。參數(shù)：額定工作電壓是指繼電器正常工作時線圈所需要的電壓。根據(jù)繼電器的型號不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。吸合電壓是使繼電器觸點(diǎn)吸合的最小線圈電壓（從小到大測試）。釋放電壓是保證繼電器觸點(diǎn)釋放的最大線圈電壓（從大到小測試）。吸合電流是指繼電器能夠產(chǎn)生吸合動作的最小電流。在正常使用時，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對于線圈所加的工作電壓，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。3.6.2與門74LS0874LS08是2輸入四與門集成電路芯片,常用在各種功能的數(shù)字電路系統(tǒng)中.74LS08引腳功能圖如下圖所示:第四章 實(shí)驗(yàn)總

14、結(jié)4.1實(shí)驗(yàn)不足之處在實(shí)驗(yàn)中，電路設(shè)計雖說較為簡單，但我們把基本的功能都實(shí)現(xiàn)了。唯一讓我們有遺憾的地方就是太陽能電池供電部分，這部分電路無法仿真，且要實(shí)現(xiàn)其功能要求較為精細(xì)，憑我們現(xiàn)有的知識無法完全設(shè)計出來，只能提供我們的設(shè)想。我們設(shè)想是在夜晚太陽能電池為路燈供電時，把多余的電能用在工業(yè)用電上，使路燈用電和工業(yè)用電一體化，最終使它們共同使用太陽能這種清潔能源，這樣同時會給環(huán)境帶來更大的改善，會更好的保護(hù)地球母親。4.2實(shí)驗(yàn)總結(jié)與心得 這次實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖抢秒娮蛹夹g(shù)對光學(xué)元件進(jìn)行檢測和控制，通過光學(xué)元件對光的感應(yīng)，再利用電路控制必要時燈的亮暗，以此達(dá)到節(jié)約能源的目的。 在本次實(shí)驗(yàn)中，我們看到題目后，先上網(wǎng)查找了相關(guān)資料，了解了光控節(jié)能電路的前景和意義，然后一起討論課程設(shè)計方案和思想。確定好需要用到的元器件來實(shí)現(xiàn)各自的功能，接下來畫電路圖，仿真，對不合理的地方加以改進(jìn)，以完善電路的功能。軟件中沒有的的元器件我們設(shè)法用其他元件來代替，達(dá)到相同的目的。該實(shí)驗(yàn)中的電路圖可以很好的實(shí)現(xiàn)其功能，白天