光控路燈控制器的設(shè)計

第一章緒論選題背景:光電子技術(shù)是繼微電子技術(shù)之后近30年來迅猛發(fā)展的綜合性高新技術(shù)。1962年半導(dǎo)體激光器的誕生是近代科學(xué)技術(shù)史上一個重大事件。經(jīng)歷十多年的初期探索，從70年代后期起隨著半導(dǎo)體光電子器件和硅基光導(dǎo)纖維兩大基礎(chǔ)元件在原理和制造工藝上的突破，光子技術(shù)與電子技術(shù)開始結(jié)合并形成了具有強(qiáng)大生命力的信息光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。光電子技術(shù)是一個比較龐大的體系，它包括信息傳輸，如光纖通信、空間和海底光通信等；信息處理，如計算機(jī)光互連、光計算、光交換等；信息獲取，如光學(xué)傳感和遙感、光纖傳感等；信息存儲，如光盤、全息存儲技術(shù)等；信息顯示，如大屏幕平板顯示、激光打印和印刷等。其中信息光電子技術(shù)是光電子學(xué)領(lǐng)域中最為活躍的分支。在信息技術(shù)發(fā)展過程中，電子作為信息的載體作出了巨大的貢獻(xiàn)。但它也在速率、容量和空間相容性等方面受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。采用光子作為信息的載體，其響應(yīng)速度可達(dá)到飛秒量級、比電子快三個數(shù)量級以上，加之光子的高度并行處理能力，不存在電磁串?dāng)_和路徑延遲等缺點，使其具有超出電子的信息容量與處理速度的潛力。充分地綜合利用電子和光子兩大微觀信息載體各自的優(yōu)點，必將大大改善電子通信設(shè)備、電子計算機(jī)和電子儀器的性能。光電子技術(shù)簡介：光電子技術(shù)激光在電子信息技術(shù)中的應(yīng)用形成的技術(shù)。光電子技術(shù)確切稱為信息光電子技術(shù)。20世紀(jì)60年代激光問世以來，最初應(yīng)用于激光測距等少數(shù)應(yīng)用，到70年代，由于有了室溫下連續(xù)工作的半導(dǎo)體激光器和傳輸損耗很低的光纖，光電子技術(shù)才迅速發(fā)展起來。現(xiàn)在全世界敷設(shè)的通信光纖總長超過1000萬公里，主要用于建設(shè)寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字通信網(wǎng)。以光盤為代表的信息存儲和激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)和發(fā)光二極管大屏幕現(xiàn)實為代表的信息顯示技術(shù)稱為市場最大的電子產(chǎn)品。人們對光電神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)技術(shù)抱有很大希望，希望獲得功耗的、響應(yīng)帶寬很大，噪音低的光電子技術(shù)。光電子技術(shù)又是一個非常寬泛的概念，它圍繞著光信號的產(chǎn)生、傳輸、處理和接收，涵蓋了新材料（新型發(fā)光感光材料，非線性光學(xué)材料，襯底材料、傳輸材料和人工材料的微結(jié)構(gòu)等）、微加工和微機(jī)電、器件和系統(tǒng)集成等一系列從基礎(chǔ)到應(yīng)用的各個領(lǐng)域。光電子技術(shù)科學(xué)是光電信息產(chǎn)業(yè)的支柱與基礎(chǔ)，涉及光電子學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、計算機(jī)技術(shù)等前沿學(xué)科理論，是多學(xué)科相互滲透、相互交叉而形成的高新技術(shù)學(xué)科。第二章系統(tǒng)整體設(shè)計光控制路燈控制器課程設(shè)計的目的能夠全面的鞏固和應(yīng)用課程中所學(xué)的基本理論的基本方法，并初步掌握綜合系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。能合理、靈活的應(yīng)用各種標(biāo)準(zhǔn)集成電路等器件實現(xiàn)規(guī)定的系統(tǒng)設(shè)計。培養(yǎng)獨立思考、獨立準(zhǔn)備資料、獨立設(shè)計規(guī)定功能的綜合設(shè)計能力。培養(yǎng)獨立進(jìn)行試驗，包括電路布局、安裝、調(diào)試和排除故障的能力。培養(yǎng)書寫綜合設(shè)計實驗報告的能力。光控制路燈控制器的設(shè)計任務(wù)與要求利用光照的強(qiáng)度作為路燈的起控點，實現(xiàn)光線較亮?xí)r，自動關(guān)閉，晚上光線較暗時，自動開啟路燈的控制。了解常用路燈控制的各種方法，及各自的優(yōu)缺點，通過相互的比較，確定設(shè)計方案，并對所用傳感器進(jìn)行選型，同時加以電路的設(shè)計與分析，完成設(shè)計任務(wù)。方案論證方案一：目前大多數(shù)的路燈控制采用以時間控制來實現(xiàn)，實際使用中由于冬天和夏天的白天長短不一，因此這種控制方式必然造成在光線充足的情況下，路燈也有時會亮著，從而造成了大量的能源浪費，而各種照明燈也都具有一定的使用時限，在光線充足的情況下仍繼續(xù)使用，必然增加每天開啟燈的時間，會縮短燈的使用壽命。方案二：本設(shè)計主要是運用光敏元件的特性來實現(xiàn)當(dāng)光照強(qiáng)度足夠進(jìn)自動關(guān)閉路燈，而當(dāng)光照強(qiáng)度不足時，控制繼電器吸合，接通路燈回路的電源，達(dá)到自動開啟路燈的功能。該設(shè)計運用方案二，相對于方案一來說，方案二不僅彌補(bǔ)了資源的浪費，同時也增加了燈的使用壽命。該方案利用光照強(qiáng)度為傳感器，目前最為常用且性價比較高的就是光敏電阻，利用其光線較強(qiáng)時，電阻值較低，而光線較暗時則電阻較大的特點，利用電橋，可將光線信號轉(zhuǎn)換成電信號，再通過電壓比較器等方式，可以有效地完成控制需要。這類設(shè)計中，只要能將光線信號取出，整個設(shè)計也便完成了大半，至于控制部分的設(shè)計，可采用繼電器輸出，這樣就算驅(qū)動較大的路燈負(fù)載，只需再加接觸器便可完成。電路原理圖一．電路原理圖：KiVT2ing<A■02亦KiVT2ing<A■02亦C220V圖2-1光控電路原理圖二．電路原理：220V市電經(jīng)電容C3降壓，D1-D4組成的橋式整流電路后，R7限流，在CW2兩端形成一個穩(wěn)定的12V直流電壓，一路經(jīng)R8點亮發(fā)光管LED1，作為電源指示，另一路作為系統(tǒng)的工作電源。接通電源后，如果是白天，光線較強(qiáng)，光敏電阻R2兩端的電壓很小，CW1截止，流入VT2基極的電流很小，VT1截止，VT3也截止，繼電器不工作。當(dāng)光線變暗時，R2兩端的電壓不斷上升，當(dāng)這個電壓高于CW1的擊穿電壓時，VT2導(dǎo)通，相繼VT1和VT3也導(dǎo)通，繼電器得電吸合，其觸點控制路燈點亮。當(dāng)光線再次變亮?xí)r，CW1截止，相應(yīng)導(dǎo)致VT1、VT2、VT3截止，繼電器斷開。第三章硬件電路測試所需器件及器件的介紹1、光敏電阻光敏電阻器概述：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；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強(qiáng)弱變化而變化，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。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.4~0.76）Mm的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。設(shè)計光控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使設(shè)計大為簡化。光敏電阻工作原理：光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子—空穴對了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強(qiáng)的而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。2、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管概述：穩(wěn)壓二極管（又叫齊納二極管）是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管，簡稱穩(wěn)壓管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說在一定功率損耗范圍內(nèi)），端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，因而廣泛應(yīng)用于穩(wěn)壓電源與限幅電路之中。穩(wěn)壓二極管是根據(jù)擊穿電壓來分檔的,因為這種特性,穩(wěn)壓管主要被作為穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用.其伏安特性見圖1,穩(wěn)壓二極管可以串聯(lián)起來以便在較高的電壓上使用,通過串聯(lián)就可獲得更多的穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓管工作原理：穩(wěn)壓管也是一種晶體二極管，它是利用PN結(jié)的擊穿區(qū)具有穩(wěn)定電壓的特性來工作的。穩(wěn)壓管在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子電路中獲得廣泛的應(yīng)用。我們把這種類型的二極管稱為穩(wěn)壓管，以區(qū)別用在整流、檢波和其他單向?qū)щ妶龊系亩O管。穩(wěn)壓二極管的特點就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。這樣，當(dāng)把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動，或其它原因造成電路中各點電壓變動時，負(fù)載兩端的電壓將基本保持不變。圖3-2穩(wěn)壓管符號3、發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡稱為LED。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)合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?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。3.3發(fā)光二極管4、繼電器電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對于繼電器的“常開、常閉”觸點，可以這樣來區(qū)分：

繼電器線圈未通電時處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為“常開觸點”；處于接通狀態(tài)的靜觸點稱為“常閉觸點”。電磁繼電器原理圖如圖3.4所示：a電動機(jī)電磯鐵十至工■八希壓電源工件電路銜鐵電施總電器融點a電動機(jī)電磯鐵十至工■八希壓電源工件電路銜鐵電施總電器融點.抵壓電邂 4控制電路圖3.4電磁繼電器5、橋式電路橋式整流電路如圖3.5所示，圖中B為電源變壓器，它的作用是將交流電網(wǎng)電壓el變成整流電路要求的交流電壓，RL是要求直流供電的負(fù)載電阻，四只整流二極管D1?D4接成電橋的形式，故有橋式整流電路之稱。圖3.5橋式整流電路橋式整流電路的工作原理可分析如下。為簡單起見，二極管用理想模型來處理，即正向?qū)娮铻榱悖聪螂娮铻闊o窮大。在e2的正半周，電流從變壓器副邊線圈的上端流出，只能經(jīng)過二極管D1流向RL,再由二極管D3流回變壓器，所以DI、D3正向?qū)?，D2、D4反偏截止。在負(fù)載上產(chǎn)生一個極性為上正下負(fù)的輸出電壓。在e2的負(fù)半周，其極性與圖示相反，電流從變壓器副邊線圈的下端流出，只能經(jīng)過二極管D2流向RL,再由二極管D4流回變壓器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向?qū)?。電流流過RL時產(chǎn)生的電壓極性仍是上正下負(fù)，與正半周時相同。綜上所述，橋式整流電路巧妙地利用了二極管的單向?qū)щ娦?，將四個二極管分為兩組，根據(jù)變壓器副邊電壓的極性分別導(dǎo)通，將變壓器副邊電壓的正極性端與負(fù)載電阻的上端相連，負(fù)極性端與負(fù)載電阻的下端相連，使負(fù)載上始終可以得到一個單方向的脈動電壓。實物圖圖3.6實物圖1

圖3.7實物圖2第四章電路的檢測與調(diào)試4.1調(diào)試過程由于本制作采用市電直接供電，因此操作時要特別小心，否則容易發(fā)生觸電事故。在調(diào)試時若有直流穩(wěn)壓電源，可采用12V直流電源進(jìn)行調(diào)試。等各項功能都正常后，再用市電調(diào)試。12V電源接于D1的陰極與地之間，用萬用表測量C1兩端電壓，當(dāng)光線較強(qiáng)時，C1兩端電壓為0.5V以下，用一黑色合子將感光孔處擋住，此時C1兩端的電壓變?yōu)楦哂?0V,此時繼電器吸合，若聽不到繼電器吸合的聲音，查看D5是否接反，若D5接反，由于VT3直接將正電源與地短接，電流較大，有可能損壞VT3。若以上測試正常，便可以直接接入220V市電進(jìn)行調(diào)試。在進(jìn)行這一步時，操作者千萬不要用手直接去接觸電路板上的任何金屬部分。先用萬用表測量CW2兩端電壓，接上電源后，電源指示燈點亮，CW2兩端電壓在12V左右，否則說明整流電路有問題，可查看4個二極管有沒有焊反。由于二只發(fā)光二極管和光敏電阻直接伸出外殼，因此在安裝這幾只元件時，全部在線路板的焊接面，對于光敏電阻直接將元件焊接于線路板的焊接面上，兩只發(fā)光二極管先折彎，發(fā)光面從線路板上的二只孔出伸出。調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題1.檢測電路板的連接情況，發(fā)現(xiàn)有的地方?jīng)]有連接好，重新將其進(jìn)行焊接。2.在電路板焊接好后，將其接入5V電源，發(fā)現(xiàn)在有光時仍然會發(fā)光。問題的解決辦法利用萬用表測試光敏電阻的阻值，發(fā)現(xiàn)在有光時阻值為4.2K，無光時為