光控開關(guān)電路設(shè)計

1、成績 課程設(shè)計說明書題 目： 光控開關(guān)電路設(shè)計 課程名稱： 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 學(xué) 院： 電子信息與電氣工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 201102010063 專業(yè)班級： 自動化2011級2班 指導(dǎo)教師： 楊欣 2013年6月7日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書設(shè)計題目光控開關(guān)電路設(shè)計學(xué)生姓名王禎宇所在學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院專業(yè)、年級、班自動化2011級2班設(shè)計要求：1、設(shè)計制作一個光控開關(guān)電路；2、用光敏二極管作為感光元件；3、通過電位器調(diào)節(jié)感光靈敏度；4、當(dāng)光線低于設(shè)定值時，輸出繼電器動作，LED燈亮。學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)：設(shè)計一個光控開關(guān)邏輯電路設(shè)計，并利用Multisim軟件進(jìn)行電路仿真。利

2、用Altium Designer軟件繪制電路原理圖，并設(shè)計制作電路的PCB板。根據(jù)設(shè)計原理對電路進(jìn)行安裝調(diào)試，完成課程設(shè)計工作，并提交課程設(shè)計報告。參考文獻(xiàn)：1 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2005.2 秦長海，張?zhí)禊i，翟亞芳.數(shù)字電子技術(shù)M.北京：北京大學(xué)出版社，2012.3 邱關(guān)源，羅先覺.電路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4 閻石.數(shù)字電子技術(shù)（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.5 谷樹忠，劉文洲，姜航Altium Designer教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2010.工作計劃：5月27日29日完成原理圖的設(shè)計；5月29日31日進(jìn)行PCB

3、設(shè)計；6月3日號4日制作PCB板；6月5日7日電路板安裝與調(diào)試，提交課程設(shè)計報告。任務(wù)下達(dá)日期：2013 年 5 月27日任務(wù)完成日期：2013 年 6 月 7 日 指導(dǎo)教師（簽名）： 學(xué)生（簽名）：光控開關(guān)電路摘 要：此光控?zé)綦娐肥腔诠怆妭鞲衅魈匦缘幕A(chǔ)上而設(shè)計的。該光控開關(guān)由光控部分，開關(guān)部分，LED燈三部分組成。當(dāng)自然光的亮度（或人為亮度）發(fā)生改變時，光控?zé)魧㈦S著“開”和“關(guān)”。適合作為街道、宿舍走廊或其它公共場所照明燈，起到日熄夜亮的控制作用，以節(jié)約用電。它具有體積小、外形美觀、制作容易、工作可靠等優(yōu)點，適合于各種樓房走廊的照明設(shè)備，降低能耗，節(jié)約能源。關(guān)鍵詞：光敏二極管；電壓比較器

4、；繼電器；晶體三極管目 錄1.設(shè)計背景11.1滿足現(xiàn)實生活需求11.2適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展12.設(shè)計方案12.1可供選擇方案.12.2方案論證.23.方案的實施23.1原理圖的設(shè)計23.2PCB板的設(shè)計和制作43.3元器件的組裝與焊接63.4光控開關(guān)的調(diào)試64.結(jié)果與結(jié)論64.1.光控開關(guān)設(shè)計結(jié)果64.2.結(jié)論65.收獲與致謝76.參考文獻(xiàn)87.附件81. 設(shè)計背景1.1滿足現(xiàn)實生活需求在現(xiàn)代社會現(xiàn)實生活中我們無時無刻不在使用這電燈，現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了各種各樣的燈，比如：白熾燈，節(jié)能燈，彩燈等等，但是不論如何都少不了控制這些燈的開關(guān)。因此，設(shè)計一個可行性的開關(guān)顯的尤為的重要。本次設(shè)計就是為了滿足現(xiàn)實

5、生活的需求而設(shè)計的光控開關(guān)。1.2適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展傳統(tǒng)式開關(guān)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生活。在現(xiàn)代社會很多地方夜晚需要長明燈，比如一些公共場所，一些生產(chǎn)車間。如果這些地方使用傳統(tǒng)的開關(guān)很可能產(chǎn)生夜晚開燈之后，等到白天的時候就會忘記關(guān)燈而造成嚴(yán)重的能源浪費。還有在一些生產(chǎn)過程中，我們能把這些光控開關(guān)當(dāng)做報警裝置的一部分。當(dāng)人手觸碰到那些危險區(qū)域之前，由于人手的遮光而使得光線變暗而觸發(fā)開關(guān)產(chǎn)生報警。因此我們的光控開關(guān)的設(shè)計是很有必要很有意義的一件事。2. 設(shè)計方案2.1可供選取方案： 方案一： 用µA741與光敏二極管構(gòu)成光控部分 通過改變µA741的正向與反向輸入

6、電壓的不同使µA741的輸出端輸出穩(wěn)定的高電平或低電平從而使8050晶體三極管導(dǎo)通或截止來控制繼電器的錫合與斷開。 方案二： 用555定時器構(gòu)建單穩(wěn)態(tài)電路與光敏二極管夠成光控部分用555定時器構(gòu)建的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器同樣能輸出穩(wěn)定的高電平或低電平從而使8050晶體三極管導(dǎo)通或截止來控制繼電器的錫合與斷開。2.2方案的論證和選取：用µA741與光敏二極管構(gòu)成的光控電路部分，電路結(jié)構(gòu)更加簡單可行，現(xiàn)實情況更容易制作。因此，通過比較最終方案選用方案一。3. 方案實施3.1原理圖的設(shè)計：設(shè)計原理：光敏二極管也叫光電二極管，光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的，其管芯是一個具有光敏特征

7、的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時需加上反向電壓。無光照時，有很小的飽和反向漏電流，即暗電流，此時光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時，飽和反向漏電流大大增加，形成光電流，它隨入射光強度的變化而變化，此時光敏二極管導(dǎo)通。因此可以通過改變光照的強度來控制µA741正向和反向輸入端電壓的變化使正向和反向輸入電壓產(chǎn)生電壓差，從而使µA741輸出一個穩(wěn)定的高電平或低電平，使8050晶體三極管導(dǎo)通或截止，既而使繼電器錫合和斷開，而控制LED燈的亮與滅。元器件的選取通過對設(shè)計原理的分析可以選取以下元器件表3.1 元器件表電阻10k2個光敏二極管1個小電位器1個µA7411個8050

8、1個5v固態(tài)繼電器1個LED燈1個1N40071個用Mltisim仿真軟件仿真原理圖及分析如下：圖3.1 無光照是LED燈變亮圖3.2 有光照時LED燈變滅上面圖1，圖2分別用Multisim仿真軟件模擬了有光和無光時LED燈的變化情況。由于仿真軟件無法模擬出光照強度的變化，我們選用滑動變阻器R2來代替光敏二極管。上圖3.1與圖3.2中由電阻R1和滑動變阻器R2共同分得VCC的5V電壓，電阻R4和滑動變阻器R3共同分得VCC的5V電壓。µA741 的正向輸入電壓取自滑動變阻器R3，反向輸入電壓取自電阻R1。通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R3能改變此光控開關(guān)的靈敏度。從µA741 的輸出

9、端接一個保護(hù)電阻R5再接入到8050晶體三極管的基極。8050晶體三極管的發(fā)射極接地，集電極通過整流二極管1N4007與電源VCC相連構(gòu)成通路。5V固態(tài)繼電器的一端與8050晶體三極管的集電極和VCC相連，另一端與LED燈相連。當(dāng)無光照時，由于光敏二極管反向接在電路中，因為光敏二極管具有單向?qū)щ娦?，無光照時光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，用滑動變阻器代替光敏二極管時，即通過調(diào)節(jié)滑動變阻器使電阻變大，使滑動變阻器分得的VCC的電壓變多，從而使得R1上分得的電壓變少，既而使得µA741 反向輸入端的電壓變小。當(dāng)反向輸入端的電壓變的小于正向輸入端的電壓時，如圖1中µA741 正向輸入端電

10、壓為4.284V，反向輸入端電壓為3.125V時，µA741 電壓比較器的輸出為高電平4.118V。（只要µA741的反向輸入端電壓小于正向輸入端的電壓，電壓比較器的輸出恒為高電平4.118V。）由于µA741 的輸出為高電平4.118V足以是8050晶體三極管導(dǎo)通。從而使5V固態(tài)繼電器錫合相當(dāng)于開關(guān)閉合而使LED燈導(dǎo)通發(fā)光。當(dāng)有光照時，光敏二極管由于受到光照產(chǎn)生光電流，用滑動變阻器反映出來即是滑動變阻器R2的阻值變小。即可通過滑動滑動變阻器的滑片使其阻值變小，便能模擬出光敏二極管受光照時的變化。當(dāng)滑動變阻器R2電阻變小時，R2上分得的電壓變小，即固體電阻R1上分

11、得的電壓變大，即µA741的反向輸入端的電壓變大。當(dāng)µA741反向輸入端的電壓比正向輸入端的電壓大，即上圖2中µA741的正向輸入電壓4.286V，反向輸入電壓4.717V時，µA741的輸出變?yōu)榈碗娖?81.772mV。（只要µA741的反向輸入電壓大于正向輸入電壓，其輸出恒為低電平881.772mV）由于從µA741 輸出的低電平不足以使8050晶體三極管導(dǎo)通。因此不能使得5V固態(tài)繼電器錫合，相當(dāng)于開關(guān)斷開而不能使LED燈導(dǎo)通，所以LED燈變滅。3.2板的設(shè)計和制作PCB元原理圖的繪制首先根據(jù)multisim軟件的仿真原理圖用Al

12、tium designer09軟件繪制出制作PCB板的原理圖3.3如下：圖3.3 PCB板的原理圖PCB板原理圖的導(dǎo)入用Altium designer09軟件將PCB原理圖導(dǎo)入到PCB如下圖3.4：圖3.4 PCB圖PCB設(shè)計規(guī)格見，附件表PCB板的轉(zhuǎn)印、腐蝕、打孔在PCB轉(zhuǎn)印和腐蝕的時候切記不能把上邊的油墨線碰掉，否則會造成銅線的斷開而導(dǎo)致PCB的制作失敗。在打孔的過程中要把握打孔的大小和方位，稍有錯誤就能導(dǎo)致制版的失敗3.3元器件的組裝與焊接在元器件的組裝過程中要分清楚各個電阻的阻值大小，1N4007整流二極管的組裝方向，以及µA741芯片的安裝方向要安裝正確，光敏二極管和LED

13、燈的安裝要分清楚正負(fù)極。在焊接元器件的時候要注意不要產(chǎn)生虛焊，由于某些元器件的焊盤之間的距離過小，在焊接的過程中要小心焊接不能讓兩個焊盤連接產(chǎn)生短路。3.4光控開關(guān)的調(diào)試元器件的安裝和焊接完成以后要對所設(shè)計產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)試，在調(diào)試的過程中，要注意電源電壓不能太高（電壓在5V到6V之間），電壓過高會導(dǎo)致晶體三極管的擊穿而使整個設(shè)計的產(chǎn)品報廢。調(diào)試過程中通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R3的阻值來調(diào)節(jié)光控開關(guān)的靈敏度。如果滑動變阻器R3的阻值過大可能導(dǎo)致光控開關(guān)的靈敏度過低，而使光控開關(guān)不能工作。通過調(diào)試要找到一個合適的臨界點，使所設(shè)計的光控開關(guān)工作恰到好處。4. 結(jié)果與結(jié)論4.1光控開關(guān)設(shè)計結(jié)果本次課程設(shè)計，成功

14、設(shè)計出光控開關(guān)，并且成功組裝和焊接，通過調(diào)試，能使所設(shè)計光控開關(guān)工作。但是，工作狀態(tài)不是太穩(wěn)定，出現(xiàn)了有時不會工作的情況。4.2結(jié)論本次設(shè)計通過Multisim仿真軟件，仿真出在理想狀態(tài)下所設(shè)計的電路能正常的工作，在仿真軟件上能夠通過改變滑動電阻器R2的阻值來模擬光電二極管在有光照和無光照的情況下的工作狀態(tài)，來控制LED燈的亮與滅。但是在現(xiàn)實情況下所設(shè)計的產(chǎn)品卻不能正常工作。所以可以看到電子元件在理想狀態(tài)和現(xiàn)實狀態(tài)下工作是有很大的差別的。5. 收獲與致謝本次課程設(shè)計，我們歷時兩周，在這次課程設(shè)計之前我們老師就給我們說過讓我們提前為這次課程設(shè)計做準(zhǔn)備，所以在這次課程設(shè)計開始之前我們就想好了自己要

15、設(shè)計的課題，也為此做了相應(yīng)的準(zhǔn)備。本次設(shè)計開始之前準(zhǔn)備的時候感覺設(shè)計的課題沒有多大的難度，因為自己心想著各種元器件的功能自己已經(jīng)了解，設(shè)計光控開關(guān)的原理自己在心里也很清楚，想到這次的課程設(shè)計應(yīng)該不會有太大的困難。但是當(dāng)課程設(shè)計開始之后發(fā)現(xiàn)事實情況并沒有自己想象的那么容易。首先，在用Multisim仿真軟件進(jìn)行電路仿真的時候我們就遇到了困難。在用Multisim軟件仿真的時候我們無法模擬出光照強度的變化，也就是說我們無法用光敏二極管來進(jìn)行電路的仿真，最后在楊欣老師的幫助下我們選擇了用滑動變阻器來代替光敏二極管，從而解決了這個問題。其次我們在進(jìn)行PCB板制作的時候，我們也遇到了困難，在進(jìn)行轉(zhuǎn)印的時

16、候我們總是轉(zhuǎn)印失敗，失敗一次就得請老師打印一次電路圖。最終我們在失敗了兩次的情況下成功的制作出了一個光控電路的PCB板子。本次課程設(shè)計，我最大的收獲就是通過自己反復(fù)的查閱資料，反復(fù)的翻看課本對各個以前自己自認(rèn)為已經(jīng)掌握的知識有了更深層次的認(rèn)識，對各種元器件的用法有了更深的了解。而且通過電路的仿真與PCB板的制作我對Multisim仿真軟件和Altium Designer軟件的功能和操作有了更加熟悉的掌握。今天我已明白課程設(shè)計對我來說的意義，它不僅僅是讓我們把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力，更重要的是同學(xué)間的團(tuán)結(jié)合作精神才能更好的克服困難。這本次課程設(shè)計過

17、程中，我首先要向要向我們的指導(dǎo)老師，楊欣老師表示感謝，沒有他認(rèn)真負(fù)責(zé)的指導(dǎo)我們不可能那么順利的完成本次課程設(shè)計。再者我要感謝我的隊友，沒有我們的共同合作就沒有我們的設(shè)計成果。還有要感謝學(xué)校給我們提供了這次課程設(shè)計的機會，放心的給我們提供了那么多的實驗設(shè)備以及設(shè)計所需的各種元器件和材料，讓我們來完成這次課程設(shè)計。6. 參考文獻(xiàn)1 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，2005.2 秦長海，張?zhí)禊i，翟亞芳.數(shù)字電子技術(shù)M.北京：北京大學(xué)出版社，2012.3 邱關(guān)源，羅先覺.電路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4 閻石.數(shù)字電子技術(shù)（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005.5 谷樹忠，劉文洲，姜航Altium Designer教程M.北京：電子工業(yè)出版社，2010.7. 附件表7.1電源線和接地線線寬0.6mm若電源線和接地線從兩個焊盤間穿過線寬0.3mm焊盤內(nèi)徑0.9mm焊盤外徑X：2.0mm Y：1.6mm 表7.2 材料清單電阻10k2個電阻5.1k1個小電位器100k1個µA7411片80501個1N40071個5V固態(tài)