光電電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告(光控窗簾)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程 光電電路課程設(shè)計(jì) 題目 光控窗簾 系 別 物理與電子工程學(xué)院 年 級 10級 專 業(yè) 班 級 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 職 稱 講師 設(shè)計(jì)時(shí)間 2013.4.152013.4.25 目 錄 TOC o 1-3 h z u 一 題目要求與方案論證1.1光控窗簾1.1.1題目要求光控自動窗簾是利用自然光線自動控制窗簾開閉的家用自動控制裝置。具體要求如下：白天室內(nèi)需要陽光照明，窗簾自動拉開；晚上窗簾自動拉合。設(shè)置兩個(gè)手動開關(guān)，打到一個(gè)開關(guān)時(shí)窗簾拉開，打到另

2、一個(gè)開關(guān)時(shí)窗簾拉合。電路由光控電路和直流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動與延時(shí)控制電路組成。光控電路由光敏三極管構(gòu)成，受光線的照射，光敏三極管內(nèi)阻降低，無光照時(shí)，光敏三極管內(nèi)阻增大。電動機(jī)正轉(zhuǎn)將窗簾打開，反轉(zhuǎn)將窗簾閉合。1.1.2 方案論證1、系統(tǒng)框圖系統(tǒng)組成如圖1所示。系統(tǒng)分為輸入端和控制器兩部分。電壓輸出電路555定時(shí)電路555反相定時(shí)電路電動機(jī)工作方式電壓控制電路 圖1 系統(tǒng)組成框圖2、設(shè)計(jì)思想采用555時(shí)基集成電路來實(shí)現(xiàn)光控自動窗簾電路和延時(shí)控制電路，環(huán)境光線的照射來實(shí)現(xiàn)窗簾的自動開合（窗簾在清晨能自動拉開，在傍晚能自動關(guān)閉）。利用單刀雙擲開關(guān)，阻值1k和2M的兩個(gè)電阻來組合實(shí)現(xiàn)光敏三極管的功能。當(dāng)白

3、天有光照的時(shí)候，光敏三極管內(nèi)阻降低，相當(dāng)于單刀雙擲開關(guān)接1k的電阻；無光照時(shí)，光敏三極管內(nèi)阻增大，相當(dāng)于單刀雙擲開關(guān)接2M的電阻。直流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)驅(qū)動則通過兩個(gè)接向相反的發(fā)光二極管的發(fā)光情況來體現(xiàn)。3、555芯片介紹555定時(shí)器由3個(gè)阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電三極管TD和緩沖反相器G4組成。虛線邊沿標(biāo)注的數(shù)字為管腳號。其中，1腳為接地端；2腳為低電平觸發(fā)端，由此輸入低電平觸發(fā)脈沖；6腳為高電平觸發(fā)端，由此輸入高電平觸發(fā)脈沖；4腳為復(fù)位端，輸入負(fù)脈沖（或使其電壓低于0.7V）可使555定時(shí)器直接復(fù)位；5腳為電壓控制端，在此端外加電壓可以改變比較器

4、的參考電壓，不用時(shí)，經(jīng)0.01uF的電容接地，以防止引入干擾；7腳為放電端，555定時(shí)器輸出低電平時(shí)，放電晶體管TD導(dǎo)通，外接電容元件通過TD放電；3腳為輸出端，輸出高電壓約低于電源電壓1V3V，輸出電流可達(dá)200mA，因此可直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、指示燈等；8腳為電源端，可在5V18V范圍內(nèi)使用。如下圖2所示。圖2 555定時(shí)器內(nèi)部框圖及腳排列555定時(shí)器工作時(shí)過程分析如下：5腳經(jīng)0.01uF電容接地，比較器C1和C2的比較電壓為：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時(shí)，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器置0，G3輸

5、出高電平，放電三極管TD導(dǎo)通，定時(shí)器輸出低電平。當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時(shí)，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，555定時(shí)器輸出狀態(tài)保持不來。當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時(shí)，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器兩端都被置1，G3輸出低電平，放電三極管TD截止，定時(shí)器輸出高電平。當(dāng)VI12/3VCC，VI21/3VCC時(shí)，比較器C1輸出高電平，比較器C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器置1，G3輸出低電平，放電三極管TD截止，定時(shí)器輸出高電平。4、三極管功能的介紹三極管是電流放大器件，有三個(gè)極，分別叫做集電極C，基

6、極B，發(fā)射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。 圖3 NPN三極管 圖4 三極管來作開關(guān)使用的原理圖(1)電流放大 下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如圖3所示，我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流 Ic。這兩個(gè)電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個(gè)箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設(shè)電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電流的

7、變化量是基極電流變化量的倍，即電流變化被放大了倍，所以我們把叫做三極管的放大倍數(shù)（一般遠(yuǎn)大于1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個(gè)變化的小信號加到基極跟發(fā)射極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導(dǎo)致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個(gè)電阻R的，那么根據(jù)電壓計(jì)算公式U=R*I 可以算得，這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個(gè)電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。(2)偏置電路三極管在實(shí)際的放大電路中使用時(shí)，還需要加合適的偏置電路。這有幾個(gè)原因。首先是由于三極管BE結(jié)的非線性（相當(dāng)于一個(gè)二極管），基極電流必須在輸入電壓大到一定程度后才能產(chǎn)生（對于硅管，常取

8、0.7V）。當(dāng)基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時(shí)，基極電流就可以認(rèn)為是0。但實(shí)際中要放大的信號往往遠(yuǎn)比0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因?yàn)樾∮?.7V時(shí)，基極電流都是0）。如果我們事先在三極管的基極上加上一個(gè)合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個(gè)電阻Rb就是用來提供這個(gè)電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當(dāng)一個(gè)小信號跟這個(gè)偏置電流疊加在一起時(shí)，小信號就會導(dǎo)致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個(gè)原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增加的信號放大，而對減小的信號無效（因?yàn)闆]有偏置時(shí)集電極電流為0，不能

9、再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當(dāng)輸入的基極電流變小時(shí)，集電極電流就可以減??；當(dāng)輸入的基極電流增大時(shí)，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。(3)開關(guān)作用下面說說三極管的飽和情況。像面5那樣的圖，因?yàn)槭艿诫娮鑂c的限制（Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓），集電極電流是不能無限增加下去的。當(dāng)基極電流的增大，不能使集電極電流繼續(xù)增大時(shí)，三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是：Ib*Ic。進(jìn)入飽和狀態(tài)之后，三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為一個(gè)開關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當(dāng)作開關(guān)使用：當(dāng)基極電流為0

10、時(shí)，三極管集電極電流為0（這叫做三極管截止），相當(dāng)于開關(guān)斷開；當(dāng)基極電流很大，以至于三極管飽和時(shí)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關(guān)管。二 電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1光控自動窗簾的設(shè)計(jì)圖5 光控窗簾仿真圖光控自動窗簾是利用自然光線自動控制窗簾開閉的家用自動控制裝置。白天室內(nèi)需要陽光照明，窗簾自動拉開；晚上窗簾自動拉合。仿真實(shí)現(xiàn)部分圖如圖6所示。當(dāng)電路開關(guān)D閉合時(shí)，光控電路作用，當(dāng)開關(guān)space打到電阻1k時(shí)相當(dāng)于白天光敏三極管阻值較小時(shí)的情況，而開關(guān)space打到2M時(shí)相當(dāng)于晚上光敏三極管阻值較大的情況。圖6 光控電路實(shí)現(xiàn)部分除此以外，還設(shè)置

11、了兩個(gè)手動開關(guān)，手動控制的前提是將開關(guān)D打開，當(dāng)開關(guān)B閉合且開關(guān)C斷開時(shí)窗簾拉開，當(dāng)開關(guān)B斷開且開關(guān)C閉合時(shí)窗簾閉合。圖7 手動電路控制部分 三 結(jié)果與分析3.1 光控自動窗簾的實(shí)現(xiàn)開關(guān)打到電阻1k相當(dāng)于清晨光敏晶體管在自然光線的照射下導(dǎo)通，此時(shí)555的2腳和三極管的基極為低電平，三極管截止，使第一個(gè)555內(nèi)部的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器動作（變?yōu)闀簯B(tài)），其3腳輸出高電平，第二個(gè)555的2腳為高電平，3腳為低電平，使電動機(jī)M正轉(zhuǎn)，將窗簾拉開。當(dāng)窗簾拉開到位后，第一個(gè)555 又由暫態(tài)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)，其3腳恢復(fù)為低電平，使電動機(jī)M停轉(zhuǎn)。當(dāng)開關(guān)打到電阻2M時(shí)相當(dāng)于傍晚光線暗淡時(shí)，光敏晶體管截止，第一個(gè)555因2腳為高電

12、平而不能被觸發(fā)，其3腳為低電平。三極管因基極變?yōu)楦唠娖蕉鴮?dǎo)通，其集電極電壓下降，使第二個(gè)555的2腳產(chǎn)生低電平觸發(fā)電壓，555內(nèi)部的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，由穩(wěn)態(tài)變?yōu)闀簯B(tài)，3腳輸出高電平，使電動機(jī)M反轉(zhuǎn)，窗簾開始閉合。窗簾閉合到位后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器恢復(fù)為穩(wěn)態(tài)，第二個(gè)555的3腳變?yōu)榈碗娖?，電動機(jī) M停轉(zhuǎn)。采用手動控制時(shí)，應(yīng)將開關(guān)D關(guān)斷，使光控電路失效。閉合開關(guān)B且打開開關(guān)C時(shí)，第一個(gè)555觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，電動機(jī)M正轉(zhuǎn)，將窗簾拉開；閉合開關(guān)C且打開開關(guān)B時(shí)，第二個(gè)555觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，電動機(jī)M反轉(zhuǎn)，將窗簾閉合。調(diào)節(jié)電位器R1和R3，可以改變電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。3.1.1光控實(shí)現(xiàn)窗簾的拉合利用單刀雙擲開關(guān)，阻值1k和2

13、M的兩個(gè)電阻來組合實(shí)現(xiàn)光敏三極管的功能。當(dāng)白天有光照的時(shí)候，光敏三極管內(nèi)阻降低，相當(dāng)于單刀雙擲開關(guān)接1k的電阻（如圖8）；正向發(fā)光二極管亮，表示直流電動機(jī)正轉(zhuǎn)。圖8 有光照時(shí)的光控模擬結(jié)果傍晚無光照時(shí)，光敏三極管內(nèi)阻增大，相當(dāng)于單刀雙擲開關(guān)接2M的電阻（如圖9）。反向二極管發(fā)光，說明直流電動機(jī)反轉(zhuǎn)。圖9 無光照時(shí)的光控模擬結(jié)果3.1.2手動實(shí)現(xiàn)窗簾的拉合手動實(shí)現(xiàn)窗簾的拉合,其過程與光控的一樣。首先斷開所有的開關(guān)，開關(guān)D的斷開是使光控系統(tǒng)無法工作。如果使開關(guān)B閉合，開關(guān)D斷開（如圖10）。其功能和有光照射時(shí)電路實(shí)現(xiàn)的功能一樣，可以直流電動機(jī)正轉(zhuǎn)，窗簾打開。圖10 手動控制窗簾打開仿真模擬如果使開

14、關(guān)B斷開，開關(guān)C閉合（如圖11）。其功能和沒有光照射時(shí)電路實(shí)現(xiàn)的功能一樣，可使直流電動機(jī)反轉(zhuǎn)，窗簾閉合。圖11 手動控制窗簾閉合仿真模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合課題的要求。在光敏三極管功能實(shí)現(xiàn)方面,本來是想用滑動變阻器來實(shí)現(xiàn)的,但是由于滑動變阻器接入電路的不穩(wěn)定性,使得電路的功能實(shí)現(xiàn)不穩(wěn)定。所以使用利用單刀雙擲開關(guān)和兩個(gè)電阻的組合來實(shí)現(xiàn)光敏三極管的功能，而且在阻值選擇方面需要考慮到實(shí)際情況。 四 總結(jié)與體會近兩周的光電子課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多。這次的課程設(shè)計(jì)完全由自己摸索完成，當(dāng)然我們也找了很多的資料。我們的課題為“光控自動窗簾”，這個(gè)課題與我們生活緊密相連。開始的時(shí)候我們小組的成員頭腦一片空白，不知道從哪邊下手。后來，我們上網(wǎng)查了一些資料，連了一些電路，但是仿真不起來，我們都有一些茫然。之后發(fā)現(xiàn)我們連接的電路只是依葫蘆畫瓢，并沒有理解其中的道理，所以到網(wǎng)上、去圖書館找相關(guān)元器件的性能，在了解了器件性能的基礎(chǔ)上我們重新連接并研究了電路。我們發(fā)現(xiàn)其實(shí)要實(shí)現(xiàn)光控自動窗簾還是比較簡單的，只需要兩個(gè)555芯片、三極管、光敏三極管和相關(guān)的配件就可以完成的。光敏電阻的實(shí)現(xiàn)我們就采用單刀雙擲開關(guān)的電阻來模擬。開始的時(shí)候我們用導(dǎo)線模擬有光照的時(shí)候，后來想想這一點(diǎn)不符合實(shí)際，因?yàn)楣饷羧龢O管在有光照的時(shí)候組織不可能達(dá)到0，查閱資料后發(fā)現(xiàn)有