傳感器課程設計之簡易光控燈的設計

1、傳感器課程設計之簡易光控燈的設計一、設 計目的與要求1、 設計要求（ 1） 初步掌握一般電子電路分析和設計的基本方法。 包括： 根據設計任務和指標，確定電路方案，通過設計計算選擇元器件，然后安裝電路，進行調試，對結果進行分析，提出改進意見，寫出設計總結報告。（ 2） 培養(yǎng)學生自學能力和獨立分析、 解決問題的能力。 包括： 查閱參考資料、工具書，掌握電路調試的一般規(guī)律。（ 3）掌握電子電路的安裝、布線等基本技能。（ 4）更加熟練地掌握常用電子儀器的正確使用方法。2、設計目的利用光敏電阻設計一個簡易光控燈， 當用不透光的物體罩住光敏電阻時， LED 燈亮；移去遮光物體時，紅色LED發(fā)光二極管不會亮

2、。二 、 設計任務（ 1）傳感器的選型（ 2）電路設計（ 3）電路元器件的選擇（ 4）利用 Protel 繪制電路圖（ 5）焊接電路板（ 6）撰寫說明書三、 編寫設計報告寫出設計的全過程，附上有關資料和圖紙，有總結體會。摘要光控燈是一種能根據環(huán)境自動實現開燈關燈等功能的裝置。 它是居家照明系統(tǒng)的主要組成部分， 能夠給我們的生活帶來許多的方便。 光控燈的應用范圍很廣，例如安裝在樓道的走廊燈、 安裝在街道外的路燈等。 同時也達到了省電節(jié)能和延長燈泡使用壽命的效果。 在本次設計中， 我們做到如下功能要求： 當傍晚光強減弱到一定程度的時候， 光敏電阻阻值增大， 由 555 定時器接成的施密特觸發(fā)器輸出

3、高電平， 電路就會自動點亮路燈； 當早上光強增大到一定強度的時候， 光敏電阻阻值減小，施密特觸發(fā)器輸出低電平，從而實現燈自動熄滅的功能。關 鍵 詞： 光敏電阻； 555 芯片；施密特觸發(fā)器；光控燈目錄1光控燈原理 41.1 光控燈的意義與背景 41.2 設計思路與原42光控燈電路的設計方案 42.1 方案的選擇和確定 52.2 元器件的選擇 62.3 主要原器件的介紹 62.3.1 光敏電阻的介紹 62.3.2 555芯片的介紹72.3.3 發(fā)光二極管的介紹 83總電路設計 81.1 電路功能模塊圖 81.2 電源模塊原理91.3 光控開關原理模塊 91.4 電路仿真和分析 104 電路板的制

4、作及調試 104.1 電路板的制作 104.2 測試結果 115 結束語 116 參考文獻 121、光控燈原理1.1 光控燈的意義與背景站在新世紀的門檻上， 我們感受到的是高速發(fā)展的現代科技。 降低能耗， 節(jié)約能源、注重環(huán)保，簡潔方便是當今家居生活的主題。也因如此，照明燈的需求也在不斷的發(fā)展， 人類有意識的采用各種方法改進它， 以適應我們日常生活的各種需要。 用光控開關來代替路燈開關、 住宅小區(qū)的樓道上的開關， 只有在光線不足時燈會自動點亮， 白天光線充足時不會亮， 可以達到節(jié)能的目的。 同時光控電路具有電路簡單， 制作容易， 工作可靠的特點， 可廣泛應用于各種樓房走廊的照明設備。1.2 設計

5、思路與原理采用光敏電阻來感受外界光的強弱并利用電路將其轉化為電信號， 由電信號的變化利用 555 定時器接成的施密特觸發(fā)器改變輸出電壓， 從而改變發(fā)光二極管兩端的電壓， 進而控制了燈的亮滅。 此設計也可以看做是一個用發(fā)光二極管指示的光控開關。要求電路在日光照射下，接通+5V 電源后，發(fā)光二極管是熄滅的，沒有光照的時候，發(fā)光二極管是亮的。接通 +5V 電壓，在光線充足的情況下光敏電阻的阻值很小，分壓很小，則輸入555芯片的TH和TR端為高電平，此時555芯片的輸出端為低電平，不能提供足夠的電壓給發(fā)光二極管，則燈不亮；在光線不足時，光敏電阻的阻值很大，分壓很大，輸入555芯片的TH和TR端為低電平

6、，則555芯片的輸出為高電平，此 時可以提供足夠的電壓給發(fā)光二極管，燈就發(fā)光。2、光控燈電路的設計方案1.1.1 方案的選擇方案一：采用BJT光控開關模塊及LED顯示模塊如圖 1 所示， 光控模塊包括檢測電路， BJT 光控開關模塊及LED 顯示模塊。檢測電路通過電路中的光敏電阻，從而使BJT 光控開關處于要求的狀態(tài)，從而使電路能夠通過照明燈開關對光線強弱的感應控制照明燈的亮滅： 光控照明燈白天自動關閉照明燈；當黃昏光線變暗時，點亮照明燈。此處用 LED 燈實現燈亮滅的自動控制。方案二：采用三極管和繼電器控制開關模塊RL為光敏電阻器,在外界照明度強時光敏電阻呈低電阻,電流通過R1使VT1 飽和

7、導通，這樣使VT2截止,VT3導通，VT4截止，這樣以來繼電器K不動作，燈 EL不亮.當外界照明昏暗時，RL的阻值開始變大,使彳# VT1截止,VT2導通,VT3截 止,VT4導通,K得電吸合,其常開觸點K1閉合，燈EL點亮發(fā)光.圖2光控電路方案三：采用555集成電路的簡易光電控制器當光照到光敏電阻時，其電阻變小，使 6腳和2腳的電壓變大，經過555 芯片，由555的原理可知，從輸出管腳3輸出低電平，此時發(fā)光二極管不能導通， 是滅的；當沒有光照時，其電阻變大，使得 6腳和2腳的電壓變小，經過 555 芯片，由555的原理可知，從輸出管腳3輸出高電平，此時發(fā)光二極管導通，燈 亮。如下電路圖3:圖

8、3光控電路1.1.2 方案的確定考慮到設計的難度、實現的難度、成本以及調試的難度，我們選擇方案三。又由于我們已經學了數字電路和模擬電子電路， 而且這個方法比較簡單，又實用， 能充分體現出我們對所學知識的掌握程度。 所以我利用所學的數字電路方法，力 求從簡單的基礎知識中學到更多的東西，為今后的學習做好準備，采取一種最簡 單的方式實現光控電路的設計一一即采用 555集成電路的簡易光電控制器。2.2 元器件的選擇 發(fā)光二極管1只；555 芯片（NE555P 1 只；電容 1 只（0.01uF）;光敏電阻（5576） 1只；可調電阻10K 1只；電阻（四只）4.7K、1K、15.5K、10K各一只;2

9、.3.1光敏電阻的介紹2.3 主要原器件的介紹光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘， 另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鈿等材料。這 些制作材料具有在特定波長的光照射下，具阻值迅 速減小的特性。這是由于光照產生的載流子都參與圖2T光敏電阻導電，在外加電場的作用下作漂移運動，負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而 改變的電阻器；在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達 1-10M歐，在強光條件（100LK下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數千歐姆。光敏電阻的伏安特性曲線如下：光敏電阻電壓A2.3.2 555

10、芯片的介紹圖2-3 555芯片555定時電路是一種雙極型的時基集成電路， 工作電源為4.5V 18V,輸出電 流為200mA工作可靠。它含有兩個電壓比較器，一個基本RS觸發(fā)器，一個放電開關T,比較器的參考電壓由三只5KQ的電阻器構成分壓，它們分別使高電平 比較器C1同相比較端和低電平比較器 C2的反相輸入端的參考電平為 2/3Vcc 和1 / 3Vcc。C1和C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關狀態(tài)。當輸入信號輸入并超過了 2/3Vcc時，觸發(fā)器復位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時 放電，開關管導通；當輸入信號自2腳輸入并低于1/3Vcc時，觸發(fā)器置位，555 的3腳輸出高電平，同時

11、放電，開關管截止。Rd是復位端，當其為0時，555輸出低電平。平時該端開路或接 Vcc。Vco是控制電壓端（5腳），平時輸出2/3Vcc作為比較器A1的參考電平， 當5腳接一個輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實現對輸出的另一種 控制，在不接外加電壓時，通常接一個 0.01 口的電容器到地，起濾波作用，以 消除外來的干擾，確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當T導通時，將給于腳7的電容器提供低阻放電電路。2.3.3 發(fā)光二極管的介紹圖2-4發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱為LED由錢（Gaj）與 神（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管， 當電子與空穴復合時能輻射出可見光， 因而 可以用來制成發(fā)光二

12、極管。它是半導體二極管的一種，可以把電能 轉化成光能；發(fā)光二極管與普通二極管一樣 是由一個PN結組成，也具有單向導電性。 當給發(fā)光二極管加上正向電壓后， 從P區(qū)注 入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子， 在PN結附近數微米內分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合，產生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能 量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多， 則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。3、總電路設計3.1 電路功能模塊圖如下圖所示，總體設計是通過電源電路為檢測電路提供合適的工作電壓。根 據不同的光線強弱，作用于檢測電路的光敏電阻中，從

13、而實現555集成電路一施 密特觸發(fā)器光控開關，最終通過 LED燈顯示出相應的結果。圖1電路功能框圖3.2 電源模塊原理選用電腦USB口 4.5-5.5V電源作為整個電路的供電電源，USB接口共有4根線路如圖3.2圖3.2 USB接口電路其中1、4線為電源的VCCf口 GND 2、3為數據傳輸線，可直接引出1、4作為電源的VCCf口 GND®用。3.3 光控開關原理模塊通過以上方案的比較和選擇，我們最終選擇方案三作為我們的電路設計圖 （見圖3）。其中我們將555定時器的TH和TR引腳接在一起作為輸入，便搭成 了施密特觸發(fā)器構成開關控制的模塊。具體連接圖如下：Vo下面具體來看：-1 一，

14、1）當 0 Vi Vcc 時，由上表，Vci 1,Vc2 0,Vo 1；3,122）當Vcc Vi2Vcc 時，V- 1,Vc2 1,V。保持不變332 .3）當 Vi Vcc 時，Vci 0,Vc2 1,V。 0；2Vcc再看從3下降的過程。121）當VCC V 7VCC 時，VC1 1VC 2 1,VO 0； 33 W1.2）當 0 V 3Vcc 時，VC1 1,VC2 0,VO 1；由上面的分析，可以畫出如下輸入輸出特性曲線：圖5 施密特觸發(fā)器輸出特性可見，這是典型的斯密特觸發(fā)器工作狀態(tài)圖。它的回差電壓2VCC 1VCC 1VCC。利用這點，我們可以很好的實現光控的回差特性。3 333.

15、4電路仿真和分析我們利用proteus畫出圖3仿真電路圖。當光源靠近光敏電阻時，燈不亮；當光源遠離光敏電阻時，燈亮。電路板的制作及調試電路板的制作44.1上圖為我們焊接制作的電路板。4.2 測試結果電路板制作完成后要進行測試， 使其滿足要求。 我們測得光敏電阻的亮電阻阻值約為0.3K,最小暗電阻約為4K。根據施密特觸發(fā)器的特性，我們取R R 2 （R2RV1）；其中RV1為滑動變阻器，R為光敏電阻的阻值。調節(jié)滑動變阻器的阻值可以調節(jié)光控燈的靈敏度。當用手捂著光敏電阻時（即光強變暗） ，光敏電阻阻值增大，施密特觸發(fā)器輸出高電平，燈亮；松開手時（即光強變亮）光敏電阻阻值減小，施密特觸發(fā)器輸出低電平

16、，燈熄滅。這跟我們所期望的現象很相符。5 結束語在本次傳感器課程設計中，我們的課題是“簡易光控燈設計” 。這是一種光照控制照明燈。采用光敏電阻來感受外界光的強弱并利用電路將其轉化為電信號， 由電信號的變化利用 555 定時器接成的施密特觸發(fā)器改變輸出電壓， 從而改變發(fā)光二極管兩端的電壓， 進而控制了燈的亮滅。 即實現了如下功能： 當光線較強時，在光敏電阻檢測下，施密特觸發(fā)器輸出低電平，燈泡不亮；當光照強度較暗時，經光敏電阻調節(jié)，施密特觸發(fā)器輸出高電平，燈泡自動發(fā)亮。此次的課程設計使我對光控燈控制器的工作原理及工作特點都有了進一步的了解， 并對有關的知識有了更進一步的掌握， 對它的性能和特點也有

17、了更全面的把握， 明白了很多關于它的很多理論和實踐知識， 其電路結構簡單， 工作性能穩(wěn)定，功能容易實現，其可由常用的電子元器件構成，因此成本較低。在此基礎上也確實存在著一些問題與不足， 比如負載的性能穩(wěn)定問題， 光敏電阻的敏感性問 題。本次的光控自動照明燈的設計將我們所學知識應用于實踐，深化了對數字電路設計、 和模擬電子設計的認識， 使我們在設計的實踐中獲得新知。 通過兩周的理論知識的復習和課設的實踐操作，使我對本專業(yè)的應用領域有了更全面的認知。 在老師耐心指導和同學的幫助下， 讓我學會了分析電路、 設計電路的步驟以 及計算機輔助作圖等。 在此設計中利用 555 定時器原理和光敏效應， 讓我們

18、進一 步鞏固和掌握前面所學的基礎知識， 加深對模擬電路、 數字電路的理解， 對元器 件的使用更加清楚。通過兩周的設計， 我們學會了更多的專業(yè)知識， 而且在遇到困難時， 我們都積極地看教材，去圖書館查閱資料，去網上搜索相關信息，直至把每一個細節(jié)，每一個原理都搞清楚弄明白為止， 大大增強了我們的自學能力以及團隊的合作能力。 同時我也要感謝老師在課程設計上給予我們的指導、 支持和幫助， 這是我們能順利完成這次課設的主要原因， 尤其是老師對于技術上的指導， 讓我們能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我學到了許多新的知識，而且也開闊了視野，提高了自己的設計能力。 我也要感謝幫助過我的同學們， 他們也為我解決了不少設計 上的難題。同時也感謝學院為我提供良好的做課程設計的環(huán)境。6 參考文獻1 梁福平 . 傳感器原理及檢測技術. 武漢 : 華中科技大學出版社,