光控?zé)舻脑O(shè)計

傳感器課程設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\z\u一、摘要： 2二、設(shè)計目的： 3三、課程設(shè)計任務(wù)書： 31、設(shè)計要求 32、設(shè)計任務(wù) 43、設(shè)計成果 4四、光控?zé)舻脑O(shè)計思路與原理： 4五、光控?zé)綦娐返脑O(shè)計方案： 4方案一 4方案二 5方案的確定 6六、所用器件的選用及說明： 6（1）數(shù)字萬用表 6（2）電烙鐵 7（3）光敏電阻 7（4）三極管 8（5）LED燈 9七、電路說明： 9八、制作和調(diào)試過程： 9九、參考文獻(xiàn)： 10附錄: 10Protel電路原理圖 10電路仿真圖 11電路實物圖 13簡易光控?zé)舻脑O(shè)計

一、摘要：

光控電燈，就是用光線來控制電燈所需的電流，讓電流接通或斷開，以達(dá)到開關(guān)電燈的目的。其主要元器件是光控管，當(dāng)光線照射時，產(chǎn)生能控制開關(guān)電路的電流，起到控制作用。目前，江河、海洋的燈塔，公路的路燈，和其他一些無人值守而又需要照明的地方，普遍采用光控?zé)簟?/p>

本課題介紹的光控自動照明燈，電路簡單，使用方便。通過光控照明電路，以達(dá)到節(jié)省能源的目的，該設(shè)計主要介紹的是關(guān)于光控的電路設(shè)計。光控是通過光敏電阻來實現(xiàn)的，當(dāng)光敏電阻在有光的時候燈就會慢慢的熄滅。在較黑暗或完全沒有光照的時候燈就會亮起來，這樣就達(dá)到了節(jié)電和節(jié)能的目的，和延長了燈的壽命。在實際生活中節(jié)電節(jié)能，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的自動化。

在現(xiàn)代社會中，某些場所燈光已經(jīng)不再滿足與單純的手動開關(guān)，而是向智能和人性化方向發(fā)展，方便與節(jié)能已經(jīng)是主題口號，所以各種光控?zé)魬?yīng)運而生，而且在光控基礎(chǔ)上在發(fā)展成為更實用的聲光控照明燈，所以研究光控的原理是非常有必要的。

光控?zé)綦娐纷鳛橐环N簡單的實用電路現(xiàn)在已經(jīng)滲透到我們生活中很多方面，最常見的如光控照明燈，就是指在有光情況下會自動熄滅，當(dāng)夜幕來臨的時候等會自動的亮起來，很適合做路燈和走廊燈的控制，起到了很好的節(jié)能效果?，F(xiàn)在的一些小孩玩具中也應(yīng)用到這一原理，把光控集成電路植入于玩具當(dāng)中（常見于輪滑鞋），遮光時就會出現(xiàn)閃光效果，非常有趣。

二、設(shè)計目的：

1、通過解決一、兩個實際問題，鞏固和加深對常用傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、特性的認(rèn)識和基本知識的理解，提高綜合運用課程所學(xué)知識的能力。

2、培養(yǎng)根據(jù)課題需要選學(xué)參考書籍，查閱手冊、圖表和文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力。通過獨立思考，深入鉆研有關(guān)問題，學(xué)會自己分析解決問題的方法。

3、通過實際電路方案的分析比較，設(shè)計計算，元件選擇，安裝調(diào)試等環(huán)節(jié)，初步掌握簡單傳感器電路的分析方法和工程設(shè)計方法。

4、掌握常用儀器設(shè)備的正確使用方法，學(xué)會簡單傳感器控制電路的實驗調(diào)試和整機指標(biāo)測試方法，提高動手能力。能在教師指導(dǎo)下，完成課題任務(wù)。5、了解與課題有關(guān)的電子線路以及元器件工程規(guī)范，能按課程設(shè)計任務(wù)書的要求編寫設(shè)計說明書，能正確反映設(shè)計和實驗成果，能正確繪制電路圖等。

6、培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和科學(xué)態(tài)度。通過課程設(shè)計實踐，逐步建立正確的生產(chǎn)觀點、經(jīng)濟(jì)觀點和全局觀點，獲得初步的應(yīng)用經(jīng)驗，為以后從事生產(chǎn)和科研工作打下一定的基礎(chǔ)。7、了解與課程有關(guān)的電子電路以及元器件的工程技術(shù)規(guī)范，編寫設(shè)計說明書。提高自己的動手能力，培養(yǎng)嚴(yán)肅、認(rèn)真的工作作風(fēng)和科學(xué)態(tài)度。三、課程設(shè)計任務(wù)書：1、設(shè)計要求：利用光敏電阻設(shè)計一個簡易光控?zé)?，?dāng)用不透光的物體罩住光敏電阻時，LED燈點亮；移去遮光物體時，紅色LED發(fā)光二級管變暗。2、設(shè)計任務(wù)：（1）傳感器的選型（2）電路設(shè)計（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3、設(shè)計成果：（1）設(shè)計計算說明書一份（2）電路板一塊四、光控?zé)舻脑O(shè)計思路與原理：采用光敏電阻來感受外界光的強弱并利用電路將其轉(zhuǎn)化為電信號，然后由電信號的改變來控制PNP型三極管發(fā)射極與基極間的電壓差，從而控制改變發(fā)光二極管兩端的電壓，進(jìn)行控制紅色LED燈的亮滅。此設(shè)計也可以看作是一個用發(fā)光二極管指示的光控開關(guān)，要求電路在日光照射下，電路上電以后，發(fā)光二極管是熄滅的；沒有光的照射時，發(fā)光二極管是亮的。當(dāng)接通+5V的電源時，在光線充足的情況下光敏電阻的阻值變得會很小，分壓較小，然后利用PNP型三極管的導(dǎo)通特性，給三極管的基極以相應(yīng)的電壓，產(chǎn)生電壓差，從而來控制它的導(dǎo)通與截止，來實現(xiàn)光源的強弱控制紅色LED燈的通斷。五、光控?zé)綦娐返脑O(shè)計方案：方案一：袖珍光控延時時照明燈電路設(shè)計如下圖所示，其中，THW8778為功率開關(guān)集成電路，工作電壓為3~24V，輸出電流可達(dá)1A，靜態(tài)電流大小為1μA。THW8778的5腳為控制端，只要此端的電壓大于1.6V，輸入端1腳即與輸出端2,3腳接通；小于1.6V則斷開，故通過改變5腳的電壓可控制外接負(fù)荷的通斷。在白天或夜晚有燈時，光敏電阻VD1呈低阻，VT截止THW8778因5腳電壓為0V而斷開燈泡EL不亮，此時整個電路所消耗的電流約為2μA。在傍晚光線由強逐漸變?nèi)鯐r，VT由截止逐漸飽和導(dǎo)通，R2上的壓降也逐漸增大，但由于C1的阻隔作用，此緩慢變化的電壓仍不會使THW8778的5腳電壓大于1.6V，故EL仍然不會亮。如果在晚上停電或關(guān)燈時，光線突然變得很弱，則VD1呈高阻，VT逐漸飽和導(dǎo)通，在R2產(chǎn)生壓降，由于C1上電壓不能突變，故THW8778的5腳得到一個大于1.6V的觸發(fā)電壓，使THW8778的1腳與2,3腳接通，EL的LED燈變亮。同時經(jīng)VD2、R3給C2充電，這時即使通過C1加至THW8778的5腳電壓消失，但由于C2兩端的電壓不能突變，故THW8778的5腳電壓仍然大于1.6V，EL的LED燈仍然點亮。隨著C2的充電，THW8778的5腳電壓逐漸減小，當(dāng)小于1.6V時，THW8778斷開，EL的LED燈熄滅。在上圖中所示的元件參數(shù)可使EL的LED燈持續(xù)點亮約30s。在EL的LED燈熄滅后，C2經(jīng)R5、EL、R4和VD3放電，以是下次工作延時準(zhǔn)確。顯然，如果將開關(guān)S1閉合，則此燈可用作停電時的延續(xù)照明。又如果將開關(guān)S1改為按鈕開關(guān)，則每按一次S1，燈即點亮30s。由于EL的LED燈熄滅時整個電路消耗的電流極小，故不需要設(shè)置電源開關(guān)。方案二：簡易光控?zé)舻碾娐吩O(shè)計如下圖所示，VD為光敏電阻，隨著光強的增加電阻的阻值會減小，而當(dāng)無光照的情況下時，光敏電阻的阻值相對于R1可以忽略不計。VT為PNP型的三極管在電路中起到了通斷電路的作用。PNP型三極管當(dāng)發(fā)射極的電壓與基極的電壓差大于0.7V時，三極管將正向?qū)?，R1，R2為兩個定值電阻，R2的作用是起到限流的作用，控制流進(jìn)EL的LED燈的電流，使其流過得電流在其合理的范圍內(nèi)工作。R1的阻值為120k的電阻，它在電路中的作用是控制VT的PNP型三極管的基極電壓。整個電路接在+5V的電路中，當(dāng)白天或晚上光線比較暗的時候，VD的電阻將增大且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R1的阻值，所以導(dǎo)致R1分的電壓變得很小，從而使得VT的PNP型三極管的基極電壓變得很小，三極管的發(fā)射極與基極的電壓差變大，三極管正向?qū)ā亩沟肊L的LED燈被點亮。當(dāng)白天光線比較亮的時候，光敏電阻的阻值將減小且相對于R1光敏電阻的阻值可以忽略不計。這將使得VT的PNP型三極管的基極電壓將接近于發(fā)射極的電壓，此時三極管將會截止。從而使得EL的LED燈熄滅。這樣就使得一個簡易的光控電路設(shè)計實現(xiàn)了。方案的確定：方案一與方案二的電路設(shè)計都存在各自的優(yōu)缺點。方案一電路設(shè)計較為復(fù)雜，但使用性好，能夠?qū)崿F(xiàn)延時控制LED燈的亮滅。而方案二的電路設(shè)計更加簡潔，不僅實現(xiàn)了所需要的功能，而且各種元器件也相當(dāng)少同時也省去了一些芯片的控制，也更加符合傳感器原理設(shè)計電路的要求。方案一與方案二相比較而言，方案一用到了THW8778芯片，的使得電路的難度增加，也增加了電路后期制作中的調(diào)試難度。而方案二電路簡潔，元器件少，后期調(diào)試時更加簡單一些。經(jīng)過我們小組成員的討論后，最終我們決定選擇方案二的電路設(shè)計方案進(jìn)行設(shè)計。六、所用器件的選用及說明：所用儀器數(shù)量所用儀器數(shù)量數(shù)字萬用表1臺紅色LED燈1個電烙鐵1個面包板1塊5V電源1個導(dǎo)線若干電阻若干焊錫絲光敏電阻1個三極管1個（1）數(shù)字萬用表：數(shù)字萬用表，一種多用途電子測量儀器，一般包含安培計、電壓表、歐姆計等功能，有時也稱為萬用計、多用計、多用電表，或三用電表。數(shù)字萬用表有用于基本故障診斷的便攜式裝置，也有放置在工作臺的裝置，有的分辨率可以達(dá)到七、八位。數(shù)字多用表（DMM）就是在電氣測量中要用到的電子儀器。它可以有很多特殊功能，但主要功能就是對電壓、電阻和電流進(jìn)行測量，數(shù)字多用表，作為現(xiàn)代化的多用途電子測量儀器，主要用于物理、電氣、電子等測量領(lǐng)域。1、電阻的測量將表筆插進(jìn)“COM”和“VΩ”孔中，把旋鈕打旋到“Ω”中所需的量程，用表筆接在電阻兩端金屬部位。2、二極管的測量數(shù)字萬用表可以測量發(fā)光二極管，整流二極管……測量時，表筆位置與電壓測量一樣，將旋鈕旋到“V”檔；用紅表筆接二極管的正極，黑表筆接負(fù)極，這時會顯示二極管的正向壓降。肖特基二極管的壓降是0.2V左右，普通硅整流管（1N4000、1N5400系列等）約為0.7V，發(fā)光二極管約為1.8～2.3V。調(diào)換表筆，顯示屏顯示“1.”則為正常，因為二極管的反向電阻很大，否則此管已被擊穿。3、三極管的測量將表筆插進(jìn)“COM”和“VΩ”孔中，把旋鈕打旋到“V”中所需的量程，用表筆接在電阻兩端金屬部位。其原理同二極管。先假定A腳為基極，用黑表筆與該腳相接，紅表筆與其他兩腳分別接觸其他兩腳；若兩次讀數(shù)均為0.7V左右，然后再用紅筆接A腳，黑筆接觸其他兩腳，若均顯示"1"，則A腳為基極，否則需要重新測量，且此管為PNP管。那么集電極和發(fā)射極如何判斷呢？數(shù)字表不能像指針表那樣利用指針擺幅來判斷，那怎么辦呢？我們可以利用“hFE”檔來判斷：先將檔位打到“hFE”檔，可以看到檔位旁有一排小插孔，分為PNP和NPN管的測量。前面已經(jīng)判斷出管型，將基極插入對應(yīng)管型“b”孔，其余兩腳分別插入“c”，“e”孔，此時可以讀取數(shù)值，即β值；再固定基極，其余兩腳對調(diào)；比較兩次讀數(shù)，讀數(shù)較大的管腳位置與表面“c”，“e”相對應(yīng)。4、通斷測試將黑表筆插入COM插孔，紅表筆插入V/Ω插孔（紅表筆極性為“+”）將功能開關(guān)置于“什么”檔、并將表筆連接到待測二極管，讀數(shù)為二極管正向壓降的近似值。將表筆連接到待測線路的兩端如果兩端之間電阻值低于約70Ω，內(nèi)置蜂鳴器發(fā)聲。（2）電烙鐵：電烙鐵是電子制作和電器維修的必備工具，主要用途是焊接元件及導(dǎo)線，按機械結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)熱式電烙鐵和外熱式電烙鐵，按功能可分為無吸錫電烙鐵和吸錫式電烙鐵，根據(jù)用途不同又分為大功率電烙鐵和小功率電烙鐵。使用方法：1、選用合適的焊錫，應(yīng)選用焊接電子元件用的低熔點焊錫絲。2、助焊劑，用25%的松香溶解在75%的酒精（重量比）中作為助焊劑。3、電烙鐵使用前要上錫，具體方法是：將電烙鐵燒熱，待剛剛能熔化焊錫時，涂上助焊劑，再用焊錫均勻地涂在烙鐵頭上，使烙鐵頭均勻的吃上一層錫。4、焊接方法，把焊盤和元件的引腳用細(xì)砂紙打磨干凈，涂上助焊劑。用烙鐵頭沾取適量焊錫，接觸焊點，待焊點上的焊錫全部熔化并浸沒元件引線頭后，電烙鐵頭沿著元器件的引腳輕輕往上一提離開焊點。5、焊接時間不宜過長，否則容易燙壞元件，必要時可用鑷子夾住管腳幫助散熱。6、焊點應(yīng)呈正弦波峰形狀，表面應(yīng)光亮圓滑，無錫刺，錫量適中。7、焊接完成后，要用酒精把線路板上殘余的助焊劑清洗干凈，以防炭化后的助焊劑影響電路正常工作。8、集成電路應(yīng)最后焊接，電烙鐵要可靠接地，或斷電后利用余熱焊接?；蛘呤褂眉呻娐穼Ｓ貌遄?，焊好插座后再把集成電路插上去。9、電烙鐵應(yīng)放在烙鐵架上。（3）光敏電阻：1、簡介：光敏電阻是用硫化隔或硒化隔等半導(dǎo)體材料制成的特殊電阻器，其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光照愈強，阻值就愈低，隨著光照強度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1KΩ以下。光敏電阻對光線十分敏感，其在無光照時，呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá)1.5MΩ。光敏電阻的特殊性能，隨著科技的發(fā)展將得到極其廣泛應(yīng)用。光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。還有另一種入射光弱，電阻減小，入射光強，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。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.4~0.76）μm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。2、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。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，受到一定波長的光線照射時，電流就會隨光強的增大而變大，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。3、光敏電阻的檢測：（1）用一黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住，此時萬用表的指針基本保持不變，阻值接近無窮選擇大。此值越大說明光敏電阻性能越好；若此值很小或接近為零，說明光敏電阻損壞，不能使用。（2）將一光源對準(zhǔn)光敏電阻的透光窗口，此時萬用表的指針應(yīng)有較大幅度的向右擺動，阻值明顯減小，此值越小說明光敏電阻性能越好。若此值很大甚至無窮大，說明光敏電阻內(nèi)部開路損壞，不能使用。（3）將光敏電阻透光窗口對準(zhǔn)入射光線，用小黑紙片在光敏電阻的遮光窗上部晃動，使其間斷受光，此時萬用表指針應(yīng)隨黑紙片的晃動而左右擺動，如果萬用表指針始終停在某一位置，不隨紙片晃動而擺動，說明光敏電阻損壞。（4）三極管：1、簡介：三極管，全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種控制電流的半導(dǎo)體器件其作用是把微弱信號放大成幅度值較大的電信號，也用作無觸點開關(guān)。晶體三極管，是半導(dǎo)體基本元器件之一，具有電流放大作用，是電子電路的核心元件。三極管是在一塊半導(dǎo)體基片上制作兩個相距很近的PN結(jié)，兩個PN結(jié)把整塊半導(dǎo)體分成三部分，中間部分是基區(qū)，兩側(cè)部分是發(fā)射區(qū)和集電區(qū)，排列方式有PNP和NPN兩種。2、工作狀態(tài)：截止?fàn)顟B(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流為零，集電極電流和發(fā)射極電流都為零，三極管這時失去了電流放大作用，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的斷開狀態(tài)，我們稱三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。放大狀態(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并處于某一恰當(dāng)?shù)闹禃r，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，這時基極電流對集電極電流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，其電流放大倍數(shù)β=ΔIc/ΔIb，這時三極管處放大狀態(tài)。飽和導(dǎo)通狀態(tài)：當(dāng)加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并當(dāng)基極電流增大到一定程度時，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不怎么變化，這時三極管失去電流放大作用，集電極與發(fā)射極之間的電壓很小，集電極和發(fā)射極之間相當(dāng)于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)我們稱之為飽和導(dǎo)通狀態(tài)。根據(jù)三極管工作時各個電極的電位高低，就能判別三極管的工作狀態(tài)，因此，電子維修人員在維修過程中，經(jīng)常要拿多用電表測量三極管各腳的電壓，從而判別三極管的工作情況和工作狀態(tài)。（5）LED燈：LED是英文lightemittingdiode（發(fā)光二極管）的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料芯片，用銀膠或白膠固化到支架上，然后用銀線或金線連接芯片和電路板，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，最后安裝外殼，所以LED燈的抗震性能好。運用領(lǐng)域涉及到手機、臺燈、家電等日常家電和機械生產(chǎn)方面。LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝