傳感器課程設(shè)計(jì)之簡(jiǎn)易光控?zé)舻脑O(shè)計(jì).doc

傳感器課程設(shè)計(jì)之簡(jiǎn)易光控?zé)舻脑O(shè)計(jì)一、 設(shè)計(jì)目的與要求 1、 設(shè)計(jì)要求（1）初步掌握一般電子電路分析和設(shè)計(jì)的基本方法。包括：根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和指標(biāo)，確定電路方案，通過設(shè)計(jì)計(jì)算選擇元器件，然后安裝電路，進(jìn)行調(diào)試，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，提出改進(jìn)意見，寫出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。 （2）培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和獨(dú)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(diào)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(shè)計(jì)目的利用光敏電阻設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易光控?zé)簦?dāng)用不透光的物體罩住光敏電阻時(shí)，LED燈亮；移去遮光物體時(shí)，紅色LED發(fā)光二極管不會(huì)亮。二、設(shè)計(jì)任務(wù)（1）傳感器的選型（2）電路設(shè)計(jì)（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(shè)計(jì)報(bào)告 寫出設(shè)計(jì)的全過程，附上有關(guān)資料和圖紙，有總結(jié)體會(huì)。 摘 要光控?zé)羰且环N能根據(jù)環(huán)境自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開燈關(guān)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?zé)舻膽?yīng)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(shí)也達(dá)到了省電節(jié)能和延長(zhǎng)燈泡使用壽命的效果。在本次設(shè)計(jì)中，我們做到如下功能要求：當(dāng)傍晚光強(qiáng)減弱到一定程度的時(shí)候，光敏電阻阻值增大，由555定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器輸出高電平，電路就會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮路燈；當(dāng)早上光強(qiáng)增大到一定強(qiáng)度的時(shí)候，光敏電阻阻值減小，施密特觸發(fā)器輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)燈自動(dòng)熄滅的功能。 關(guān) 鍵 詞：光敏電阻；555芯片；施密特觸發(fā)器；光控?zé)?目錄1 光控?zé)粼?41.1 光控?zé)舻囊饬x與背景 41.2 設(shè)計(jì)思路與原 42 光控?zé)綦娐返脑O(shè)計(jì)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(shè)計(jì) 8 3.1電路功能模塊圖 8 3.2電源模塊原理 93.3光控開關(guān)原理模塊 93.4 電路仿真和分析104 電路板的制作及調(diào)試104.1 電路板的制作104.2 測(cè)試結(jié)果115 結(jié)束語116 參考文獻(xiàn)12 1、光控?zé)粼?.1光控?zé)舻囊饬x與背景 站在新世紀(jì)的門檻上，我們感受到的是高速發(fā)展的現(xiàn)代科技。降低能耗，節(jié)約能源、注重環(huán)保，簡(jiǎn)潔方便是當(dāng)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(shí)的采用各種方法改進(jìn)它，以適應(yīng)我們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N需要。用光控開關(guān)來代替路燈開關(guān)、住宅小區(qū)的樓道上的開關(guān)，只有在光線不足時(shí)燈會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，白天光線充足時(shí)不會(huì)亮，可以達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)光控電路具有電路簡(jiǎn)單，制作容易，工作可靠的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種樓房走廊的照明設(shè)備。1.2 設(shè)計(jì)思路與原理采用光敏電阻來感受外界光的強(qiáng)弱并利用電路將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由電信號(hào)的變化利用555定時(shí)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(jìn)而控制了燈的亮滅。此設(shè)計(jì)也可以看做是一個(gè)用發(fā)光二極管指示的光控開關(guān)。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(shí)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(shí)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(shí)，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，則555芯片的輸出為高電平，此時(shí)可以提供足夠的電壓給發(fā)光二極管，燈就發(fā)光。2、光控?zé)綦娐返脑O(shè)計(jì)方案2.1.1方案的選擇 方案一：采用BJT光控開關(guān)模塊及LED顯示模塊 如圖1所示，光控模塊包括檢測(cè)電路，BJT光控開關(guān)模塊及LED顯示模塊。檢測(cè)電路通過電路中的光敏電阻，從而使BJT光控開關(guān)處于要求的狀態(tài)，從而使電路能夠通過照明燈開關(guān)對(duì)光線強(qiáng)弱的感應(yīng)控制照明燈的亮滅：光控照明燈白天自動(dòng)關(guān)閉照明燈；當(dāng)黃昏光線變暗時(shí)，點(diǎn)亮照明燈。此處用LED燈實(shí)現(xiàn)燈亮滅的自動(dòng)控制。圖1光控電路方案二：采用三極管和繼電器控制開關(guān)模塊RL為光敏電阻器,在外界照明度強(qiáng)時(shí)光敏電阻呈低電阻,電流通過R1使VT1飽和導(dǎo)通,這樣使VT2截止,VT3導(dǎo)通，VT4截止,這樣以來繼電器K不動(dòng)作, 燈EL不亮.當(dāng)外界照明昏暗時(shí)，RL的阻值開始變大,使得VT1截止,VT2導(dǎo)通,VT3 截止,VT4導(dǎo)通,K得電吸合,其常開觸點(diǎn)K1閉合,燈EL點(diǎn)亮發(fā)光. 圖2 光控電路方案三：采用555集成電路的簡(jiǎn)易光電控制器 當(dāng)光照到光敏電阻時(shí)，其電阻變小，使6腳和2腳的電壓變大，經(jīng)過555芯片，由555的原理可知，從輸出管腳3輸出低電平，此時(shí)發(fā)光二極管不能導(dǎo)通，是滅的；當(dāng)沒有光照時(shí)，其電阻變大，使得6腳和2腳的電壓變小，經(jīng)過555芯片，由555的原理可知，從輸出管腳3輸出高電平，此時(shí)發(fā)光二極管導(dǎo)通，燈亮。如下電路圖3： 圖3 光控電路2.1.2 方案的確定考慮到設(shè)計(jì)的難度、實(shí)現(xiàn)的難度、成本以及調(diào)試的難度，我們選擇方案三。又由于我們已經(jīng)學(xué)了數(shù)字電路和模擬電子電路，而且這個(gè)方法比較簡(jiǎn)單，又實(shí)用，能充分體現(xiàn)出我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度。所以我利用所學(xué)的數(shù)字電路方法，力求從簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)知識(shí)中學(xué)到更多的東西，為今后的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備，采取一種最簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)光控電路的設(shè)計(jì)即采用555集成電路的簡(jiǎn)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(diào)電阻 10K 1只；電阻（四只） 4.7K、1K、15.5K、10K各一只；2.3 主要原器件的介紹2.3.1 光敏電阻的介紹光敏電阻又稱光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達(dá)1-10M歐,在強(qiáng)光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻的伏安特性曲線如下：2.3.2 555芯片的介紹555定時(shí)電路是一種雙極型的時(shí)基集成電路，工作電源為4.5V18V,輸出電流為200mA，工作可靠。它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開關(guān)T，比較器的參考電壓由三只5K的電阻器構(gòu)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23Vcc和13Vcc。C1和C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過了23Vcc時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí)放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于13Vcc時(shí)，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高電平，同時(shí)放電，開關(guān)管截止。是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開路或接Vcc。Vco是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出23Vcc作為比較器A1的參考電平，當(dāng)5腳接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè)0.01F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(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，將給于腳7的電容器提供低阻放電電路。2.3.3 發(fā)光二極管的介紹發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)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(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)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(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。3、總電路設(shè)計(jì)3.1電路功能模塊圖如下圖所示，總體設(shè)計(jì)是通過電源電路為檢測(cè)電路提供合適的工作電壓。根據(jù)不同的光線強(qiáng)弱，作用于檢測(cè)電路的光敏電阻中，從而實(shí)現(xiàn)555集成電路施密特觸發(fā)器光控開關(guān)，最終通過LED燈顯示出相應(yīng)的結(jié)果。電源電路光敏電阻檢測(cè)電路集成施密特觸發(fā)器開關(guān) LED燈 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(gè)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VCC和GND，2、3為數(shù)據(jù)傳輸線，可直接引出1、4作為電源的VCC和GND使用。3.3光控開關(guān)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(shè)計(jì)圖（見圖3）。其中我們將555定時(shí)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(gòu)成開關(guān)控制的模塊。具體連接圖如下：下面具體來看：1）當(dāng)時(shí)，由上表，2）當(dāng) 時(shí)，3）當(dāng)時(shí)，再看從下降的過程。1）當(dāng)時(shí)，2）當(dāng)時(shí)，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。利用這點(diǎn)，我們可以很好的實(shí)現(xiàn)光控的回差特性。3.4 電路仿真和分析 我們利用proteus畫出圖3仿真電路圖。當(dāng)光源靠近光敏電阻時(shí)，燈不亮；當(dāng)光源遠(yuǎn)離光敏電阻時(shí)，燈亮。4 電路板的制作及調(diào)試4.1 電路板的制作 上圖為我們焊接制作的電路板。4.2 測(cè)試結(jié)果電路板制作完成后要進(jìn)行測(cè)試，使其滿足要求。我們測(cè)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(jù)施密特觸發(fā)器的特性，我們?nèi)?；其中RV1為滑動(dòng)變阻器，R為光敏電阻的阻值。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值可以調(diào)節(jié)光控?zé)舻撵`敏度。當(dāng)用手捂著光敏電阻時(shí)（即光強(qiáng)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(shí)（即光強(qiáng)變亮）光敏電阻阻值減小，施密特觸發(fā)器輸出低電平，燈熄滅。這跟我們所期望的現(xiàn)象很相符。5 結(jié)束語在本次傳感器課程設(shè)計(jì)中，我們的課題是“簡(jiǎn)易光控?zé)粼O(shè)計(jì)”。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(qiáng)弱并利用電路將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，由電信號(hào)的變化利用555定時(shí)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(jìn)而控制了燈的亮滅。即實(shí)現(xiàn)了如下功能：當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)，在光敏電阻檢測(cè)下，施密特觸發(fā)器輸出低電平，燈泡不亮；當(dāng)光照強(qiáng)度較暗時(shí)，經(jīng)光敏電阻調(diào)節(jié)，施密特觸發(fā)器輸出高電平，燈泡自動(dòng)發(fā)亮。此次的課程設(shè)計(jì)使我對(duì)光控?zé)艨刂破鞯墓ぷ髟砑肮ぷ魈攸c(diǎn)都有了進(jìn)一步的了解，并對(duì)有關(guān)的知識(shí)有了更進(jìn)一步的掌握，對(duì)它的性能和特點(diǎn)也有了更全面的把握，明白了很多關(guān)于它的很多理論和實(shí)踐知識(shí)，其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定，功能容易實(shí)現(xiàn)，其可由常用的電子元器件構(gòu)成，因此成本較低。在此基礎(chǔ)上也確實(shí)存在著一些問題與不足，比如負(fù)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(dòng)照明燈的設(shè)計(jì)將我們所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，深化了對(duì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)、和模擬電子設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，使我們?cè)谠O(shè)計(jì)的實(shí)踐中獲得新知。通過兩周的理論知識(shí)的復(fù)習(xí)和課設(shè)的實(shí)踐操作，使我對(duì)本專業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域有了更全面的認(rèn)知。在老師耐心指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下，讓我學(xué)會(huì)了分析電路、設(shè)計(jì)電路的步驟以及計(jì)算機(jī)輔助作圖等。在此設(shè)計(jì)中利用555定時(shí)器原理和光敏效應(yīng)，讓我們進(jìn)一步鞏固和掌握前面所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，加深對(duì)模擬電路、數(shù)字電路的理解，對(duì)元器件的使用更加清楚。通過兩周的設(shè)計(jì)，我們學(xué)會(huì)了更多的專業(yè)知識(shí)，而且在遇到困難時(shí)，我們都積極地看教材，去圖書館查閱資料，去網(wǎng)上搜索相關(guān)信息，直至把每一個(gè)細(xì)節(jié)，每一個(gè)原理都搞清楚弄明白為止，大大增強(qiáng)了我們的自學(xué)能力以及團(tuán)隊(duì)的合作能力。同時(shí)我也要感謝老師在課程設(shè)計(jì)上給予我們的指導(dǎo)、支持和幫助，這是我們能順利完成這次課設(shè)的主要原因，尤其是老師對(duì)于技術(shù)上的指導(dǎo)，讓我們能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我學(xué)到了許多新的知識(shí)，而且也開闊了視野，提高了自己的設(shè)計(jì)能力。我也要感謝幫助過我的同學(xué)們，他們也為我解決了不少設(shè)計(jì)上的難題。同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供良好的做課程設(shè)計(jì)的環(huán)境。6 參考文獻(xiàn)1梁福平