光控節(jié)能路燈的電路設計

1、光電檢測技術與應用課程設計題 目: 光控節(jié)能路燈的電路設計 組 長: 張影 組 員: 夏飛鳳、彭歡、趙楠楠 專 業(yè): 電子科學與技術 班 級: 112班 指導教師: 何恩杰 2014 年 4 月 19 日安徽科技學院數(shù)理學院11 / 17目錄第1章 概述 1.1光電檢測技術前景、1 1.2課題作用、實用價值、1 1.3關于對該作品的發(fā)展前景的看法、2第二章 主要器件基本原理 2.1光電二極管的基本原理、2 2.2光電三級管的基本原理、3第3章 光控節(jié)能路燈電路的設計 3.1主要內容、4 3.2基本要求、4 3.3設計方案及框圖、4 3.4總體電路圖、53.5電路功能介紹、6 3.5.1白天電路

2、顯示、6 3.5.2夜晚電路顯示、7 3.5.3光強控制顯示、7 3.5.4報警顯示、8 3.5.5太陽能電池供電電路設想、8 3.5.6電路實際應用、93.6電路各器件參數(shù)與功能、9 3.6.1繼電器、9 3.6.2與門74LS08、10第4章 課題總結 4.1實驗不足之處、10 4.2實驗總結與心得、11第一章概述1.1光電檢測技術前景光電檢測技術是一種非接觸測量的高新技術。它主要利用電子技術對光學信號進行檢測，并進一步傳遞、儲存、控制、計算和顯示。光電檢測技術通過光學系統(tǒng)把待檢測的非電量信息變換成為便于接受的光學信息，然后用光電檢測器件將光學信息量變換成電量，并進一步經過電路放大、處理，

3、已達到電信號輸出的目的。光敏二極管作為一種光電器件在光電檢測技術中有著非常重要的作用。在光電檢測電路中，光電轉換元件一般采用光敏二極管，通過對它微弱光電流的檢測，來獲取光信息或其它信息，其原理是把調制到光載波上的有用信號解調出來，實現(xiàn)光信號到電信號的轉換。1.2課題作用、實用價值所謂光控節(jié)能路燈，就是能夠在黃昏時自動接通路燈的電源，在黎明時自動關閉路燈，實現(xiàn)對路燈的自動控制，而且更重要的是要求節(jié)能。關于對路燈的自動控制的電路，基本原理是相同的，即利用自動控制理論如何實現(xiàn)自動控制。實現(xiàn)方式可謂各式各樣，五花八門，這也是由于具體的實用要求和環(huán)境的差異所決定的。常見的控制方式有聲控，光控以及聲光結合

4、的控制，當然還可以利用單片機，DSP等微控制器來實現(xiàn)。在保證足夠可靠性的基礎上，為了盡量節(jié)約成本，利用簡易的分立元件來實現(xiàn)，顯得既經濟又實用，在提倡節(jié)約型社會的今天無疑值得推廣。1.3關于對該作品的發(fā)展前景的看法無論大小城市都一定會有路燈，有路燈就一定要用電，而現(xiàn)在各個城市經濟都飛速發(fā)展，許多城市都會出現(xiàn)用電緊張。除去一些家庭的不合理造成的浪費，城市里許許多多的路燈所耗的電能也不是各小數(shù)目。例如：四川省成都市內目前共有盞路燈，平均每盞耗電250瓦每小時，每天耗電量很大，照這樣計算每天將消耗瓦的電能，一個月下來會是瓦，一年下來會是瓦，那么在過幾十年將會多么可怕??！而如果我們使用光控太陽能電路，這

5、一切將會大大的改變。因為每一天都有陽光，那么假如每盞燈都安上3塊太陽能電池板，并且每塊的供電量為100瓦每小時，那么每天就產生3600瓦電能，足夠讓一盞路燈工作14.4小時。并且光控太陽能路燈的造價也不貴，這樣，節(jié)約下來的電能就很可觀了。除此之外，我們還可以進一步改造，將路燈改小變成各個家庭所必備的日光燈，那么，我們很有必要利用太陽能。光控太陽能路燈很有必要代替?zhèn)鹘y(tǒng)的路燈。第2章 主要器件基本原理2.1光電二極管的基本原理 光電二極管時將光信息變成電信號的半導體器件。它的核心部分是一個PN結，和普通二極管相比，在結構上不同的是，為了便于接受入射光照，PN結面積盡量的大一點，電極面積盡量小一點，

6、而且PN結的結深很淺，一般小于1微米。它們在反向電壓作用下工作的，沒有光照時，反向電流很小（一般小于0.1微安），稱為暗電流。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生電子-空穴對，稱微光生載流子。它們在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流越大，這種特性稱為“光電導”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產生的電流叫光電流。如果在外電路上接個負載，負載上就獲得電信號，而且這個電信號隨著光的變化而相應的變化。 光電二極管作為一種光伏探測器可以在光伏型（即物外加偏壓）和光導型（即物外加反向電壓）兩種工作模式

7、工作。在光導模式下，施加反向偏壓后，可以增加光電二極管PN結的耗盡層寬度好和結電場，在耗盡層中產生的電子空穴對由于復合較少，在結區(qū)強電場的作用下，不必經過引起復合的擴散過程，就可以對電流作出貢獻，顯然提高了光電二極管的光電靈敏度。但在這種模式下，由于給光電二極管施加了反向偏置電壓，必然存在較大的暗電流由此會產生較大的噪聲電流，通常在光通信等快速應用中應該使用該模式；而在光伏模式下，光電二極管處于零偏狀態(tài)，不存在等效二極管的反偏電流，有較低的噪聲，線性好，適合于比較精確的測量。2.2光電三級管的基本原理光電三極管的原理分為兩個部分：一是光電轉換；二是光電流放大。光電轉換過程與一般光電二極管相同。

8、在集基區(qū)進行。光激發(fā)產生電子空穴對，在反向偏置的PN結內電場的作用下，電子流向集電極被集電極所收集，而空穴流向基區(qū)與正向偏置的發(fā)射結發(fā)射的電子復合，形成基極電流，基極電流將被集電極放大，這與一般半導體三極管的放大原理相同。不同的是一般三極管的是由基極向發(fā)射結注入空穴載流子，控制發(fā)射極的擴散電流，而光電三極管的是由注入到發(fā)射結的光生電流控制的。第三章 光控節(jié)能路燈電路的設計3.1主要內容 研究光敏二極管、光敏二極管、與門、非門、繼電器等，設計一光控節(jié)能電路，實現(xiàn)節(jié)能路燈控制。3.2基本要求1、研究光敏二極管、光敏二極管、與門、非門、繼電器等器件的功能特性，實現(xiàn)節(jié)能。2、設計光控節(jié)能路燈電路的功能

9、框圖。 3、設計光控節(jié)能路燈電路的實際電路圖，要求功能仿真成功。4、完成課程設計總報告。3.3設計方案 電路中，光控觸發(fā)器電路由光電三極管、三極管、電阻器、電位器、發(fā)光二極管、與門、非門等組成，電源電路由電阻器、發(fā)光二極管、電位器組成，報警電路由電阻器、三極管、與門、報警器（用燈泡表示）組成。 在白天，光電三極管受光導通，7408N輸出高電平，經過非門繼電器獲得低電平，發(fā)光二極管LED1不導通； 當黃昏來臨時，光照度逐漸減弱，光電三極管截止，7408N輸出低電平，經過非門繼電器獲得高電平，LED1導通，發(fā)光； 直到第二天黎明來臨時，光照度逐漸增強，光電三極管導通，繼電器獲得低電平，于是LED1

10、熄滅。 為了防止電路出現(xiàn)故障，在白天路燈也亮，在電路中添加了一個報警電路，以便工作人員及時知道出故障的電路。電路框圖如下：3.4總體電路圖3.5電路功能介紹3.5.1白天電路顯示在白天，光電三極管受光導通，7408N輸出高電平，經過非門繼電器獲得低電平，發(fā)光二極管LED1（路燈）不導通。3.5.2晚上電路顯示 當黃昏來臨時，光照度逐漸減弱，光電三極管截止，7408N輸出低電平，經過非門繼電器獲得高電平，LED1（路燈）導通，發(fā)光； 直到第二天黎明來臨時，光照度逐漸增強，光電三極管導通，繼電器獲得低電平，于是LED1（路燈）熄滅。3.5.3光強控制顯示傍晚光線不強時，光電三極管仍導通，LED1（

11、路燈）保持熄滅狀態(tài)，這時可以通過調節(jié)滑動變阻器使路燈亮起來。3.5.4報警顯示當白天時如果LED1（路燈）亮，光電三極管導通，則7408N兩個輸入端都是高電平，輸出為高電平，再經過三極管放大后使LED4（報警器）工作。當工作人員發(fā)現(xiàn)后，在同時斷開開關2和C使報警器和路燈停止工作，在進行合適的檢查和修理。3.5.5太陽能電池供電電路設想在電路中，用V1、V3、V4表示太陽能電池板，其中V4為接收太陽光的地方。當白天時D1光電二極管導通，即J7閉合，給蓄電池V3、V4充電，此時電磁繼電器不導通，LED3（路燈）不亮。當夜晚時，D1光電二極管截止，停止充電，此時繼電器導通，使蓄電池放電，給LED3（

12、路燈）提供電能，使路燈亮起來。這樣便不需要外部交流電供能，節(jié)約電能，保護環(huán)境。但這個部分我們無法，仿真，只能簡單說出思想，但我們相信會成功的。3.5.6電路實際應用在電路中，當光電三極管損壞時，可以通過應急開關B（斷開）使電路工作。此電路可以不同的情況。如果用在學校中，可以在晚上十二點通過斷開開關C使路燈熄滅。因為在學校一般在晚上十二點以后就使用不到路燈了，這樣在合適的時間通過復位開關使路燈熄滅可以節(jié)約電能。如果在城市中，那就用不到復位開關了。因為這時要求路燈整晚都打開來使道路通行。3.6電路各器件參數(shù)與功能3.6.1繼電器電磁繼電器由線圈繞上鐵芯，形成電磁鐵，當線圈導通時，電流使得鐵芯暫時磁

13、化，吸引鐵樞使得觸點吸合。參數(shù)：額定工作電壓是指繼電器正常工作時線圈所需要的電壓。根據繼電器的型號不同，可以是交流電壓，也可以是直流電壓。吸合電壓是使繼電器觸點吸合的最小線圈電壓（從小到大測試）。釋放電壓是保證繼電器觸點釋放的最大線圈電壓（從大到小測試）。吸合電流是指繼電器能夠產生吸合動作的最小電流。在正常使用時，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。而對于線圈所加的工作電壓，一般不要超過額定工作電壓的1.5倍，否則會產生較大的電流而把線圈燒毀。3.6.2與門74LS0874LS08是2輸入四與門集成電路芯片,常用在各種功能的數(shù)字電路系統(tǒng)中.74LS08引腳功能圖如下圖所示:

14、第四章 實驗總結4.1實驗不足之處在實驗中，電路設計雖說較為簡單，但我們把基本的功能都實現(xiàn)了。唯一讓我們有遺憾的地方就是太陽能電池供電部分，這部分電路無法仿真，且要實現(xiàn)其功能要求較為精細，憑我們現(xiàn)有的知識無法完全設計出來，只能提供我們的設想。我們設想是在夜晚太陽能電池為路燈供電時，把多余的電能用在工業(yè)用電上，使路燈用電和工業(yè)用電一體化，最終使它們共同使用太陽能這種清潔能源，這樣同時會給環(huán)境帶來更大的改善，會更好的保護地球母親。4.2實驗總結與心得 這次實驗目的是利用電子技術對光學元件進行檢測和控制，通過光學元件對光的感應，再利用電路控制必要時燈的亮暗，以此達到節(jié)約能源的目的。 在本次實驗中，我們看到題目后，先上網查找了相關資料，了解了光控節(jié)能電路的前景和意義，然后一起討論課程設計方案和思想。確定好需要用到的元器件來實現(xiàn)各自的功能，接下來畫電路圖，仿真，對不合理的地方加以改進，以完善電路的功能。軟件中沒有的的元器件我們設法用其他元件來代替，達到相同的目的。該實驗中的電路圖可以很好的實現(xiàn)其功能，白天有光時，燈不亮；晚上沒有光時，燈亮；傍晚時，可以調節(jié)滑動變阻器來控制，要求