光控路灯的设计.doc

1、课 程 设 计 任 务 书题目 路灯光控开关的设计 专业、班级 学号 姓名 主要内容： 利用二极管，光电池，继电器等器件设计一个可以通过光线变化自动控制路灯开关的电路。基本要求：(1). 能正确控制路灯开关。(2). 写出相关设计原理。(3). 画出电路图。主要参考资料：(1)传感器与传感器技术 何道清编 科学出版社 (4)传感器理论与设计基础 单成祥编 国防工业出版社 完 成 期 限 指 导 教 师 签 名 ： 课程负责人签名： 年 月 日郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书2路灯光控开关的设计 摘要:光控路灯可以根据光线明暗自动控制开关状态，主要用在楼道等公共场所。光电池是能将光信

2、号转换成电信号的器件，通过三极管组成的多级放大电路可实现控制功能。此次实验的路灯控制器是由光电池，放大器，继电器，二极管，电源电路等元件组成，核心是光电池转换光信号，传送到继电器，然后由继电器控制电路通断。通过此次设计了解常用路灯控制的各种方法，及各自的优缺点，通过相互的比较，确定设计方案。通过此次课程设计能增强动手能力和实际电路设计能力，更深刻理解相关电路原理及光敏元件光电特性，继电器控制通断原理，加强对相关理论知识的理解。关键词：继电器；光敏元件；关照变化；控制郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书3目 录1.设计目的42.基本要求43.设计方案43.1 路灯控制器原理43.2 电路

3、分析53.3 器件选择74.电路原理图106.元器件列表127.心得体会138.参考文献14郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书41.设计目的利用二极管，光电池，继电器等器件设计一个可以通过光线变化自动控制路灯开关的电路。2.基本要求(1). 能正确控制路灯开关。(2). 写出相关设计原理。(3). 画出电路图。3.设计方案3.1 路灯控制器原理此路灯控制器设计主要由电池，放大器，继电器，二极管，电源电路等元件组成，继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。在这个电路中随着光照的变化，继电器会相应的吸合或者断开，即决定路灯工作与否。白

4、天有光照，光电池输出电动势，BG1 加正向偏压，BG1 和 BG2 处于截止状态，继电器 J 不吸合，灯 L 不亮。当夜晚没有光照，光电池无电动势，BG1 加反向偏压，当上升到一定程度后，BG1 导通，BG2 随之导通，继电器 J 吸合，灯 L 点亮。郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书5BG12JCRNDV图 3-1 光电开关以光电池为核心元件的带继电器控制输出的光控开关电路有许多形式，在本实验使用了简单的继电器开关电路。其工作原理是：有光照时由于光电池输出电动势，激励电流使继电器工作，常开触点闭合，没有光照时光电池不输出电动势，常闭触点断开，实现对外电路的控制。线路的主回路的相线由

5、交流接触器的三个常开触头并联以适应较大负荷的需要。3.2 电路的分析利用光照为传感器，目前最为常用且性价比较高的就是光电池，利用其有光线时输出电动势，而无光线较时则不输出电动势的特点，可将光线信号转换成电信号，再通过继电器控制通断可以有效地完成控制需要。这类设计中，只要能将光线信号取出，整个设计也便完成了大半，至于控制部分的设计，可采用继电器输出，这样就算驱动较大的路灯负郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书6载，只需再加交流接触器便可完成。在本系统的设计中，如何提高系统在光线临界状态的稳定性，是设计的难点所在。在设计中若能用运放电路来完成处理，则可将运放接成电压比较器的方式，这样可以完

6、成较为精确的起控；若采用分立元件来处理，可以采用稳压管来稳定工作点，只有当分压大于稳压管的击穿电压时，电路才能起控。光控路灯控制器可以自动实现白天路灯自动点亮晚上自动关掉，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊小区等公共场所的照明控制。继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。继电器的输入信号 x 从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值 xx，继电器的输出信号立刻从 y=0跳跃到 y=ym，即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量 x 继续增大，输出信号 y 将不再起变化。当输入量 x 从某一大于 xx

7、值下降到xf，继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入输出特性。释放值 xf 与动作值 xx 的比值叫做反馈系数，即 Kf= xf /xx 触点上输出的控制功率 Pc 与线圈吸收的最小功率 P0之比叫做继电器的控制系数，即 Kc=PC/P0。图 3-2 继电器的输入输出特性郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书73.3 器件的选择3.3.1 半导体二极管几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。二极管种类有很多，作用也很多，主要作用包括整流，限幅，箝位，隔离。我们

8、设计所用的二极管组就是其中的整流二极管。二极管按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管） 。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。在综合实践中，我用的是整流二极管。1N4002是一种整流二极管，它是利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。3.3.2三极管三 极 管 按 材 料 分 有 两 种 ： 锗 管 和 硅 管 。 而 每 一 种 又 有 NPN 和PNP 两 种 结 构 形 式 ， 但 使 用 最 多 的 是 硅 NPN 和 锗

9、 PNP 两 种 三 极管 ， 对 于 NPN 管 ， 它 是 由 2 块 N 型 半 导 体 中 间 夹 着 一 块 P 型 半 导体 所 组 成 ， 发 射 区 与 基 区 之 间 形 成 的 PN 结 称 为 发 射 结 ,而 集 电 区 与基 区 形 成 的 PN 结 称 为 集 电 结 ,三 条 引 线 分 别 称 为 发 射 极 e、 基 极b 和 集 电 集 c。 三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的 倍，即电

10、流变化被放大了 倍，所以我们把 叫做三极管的放大倍数（ 一般远大于 1，例如几十，郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书8几百）。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流 Ib 的变化，Ib 的变化被放大后，导致了 Ic 很大的变化。如果集电极电流 Ic 是流过一个电阻 R 的，那么根据电压计算公式U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。3.3.3 电容电 容 器 的 基 本 作 用 就 是 充 电 与 放 电 ， 但 由 这 种 基 本 充 放 电 作 用 所延 伸 出 来 的 许 多 电

11、 路 现 象 ， 使 得 电 容 器 有 着 种 种 不 同 的 用 途 ， 用在耦合电路中的电容称为耦合电容，在阻容耦合放大器和其他电容耦合电路中大量使用这种电容电路，起隔直流通交流作用。 用在滤波电路中的电容器称为滤波电容，在电源滤波和各种滤波器电路中使用这种电容电路，滤波电容将一定频段内的信号从总信号中去除。在 分 频 电 路 中的 电 容 器 称 为 分 频 电 容 ， 在 音 箱 的 扬 声 器 分 频 电 路 中 ， 使 用 分 频 电 容电 路 ， 以 使 高 频 扬 声 器 工 作 在 高 频 段 ， 中 频 扬 声 器 工 作 在 中 频 段 ， 低频 扬 声 器 工 作 在

12、 低 频 段 。 在补偿电路中的电容器称为补偿电容，在卡座的低音补偿电路中，使用这种低频补偿电容电路，以提升放音信号中的低频信号，此外，还有高频补偿电容电路。3.3.4 发光二极管发光二极管简称 LED，是一种将电能转换为光能的特殊二极管，是用半导体材料制作的正向偏置的 PN 结二极管。发光二极管工作于正向偏置状态，正向电流通过发光二级管，它会发出光来，光的颜色视发光管的材料而定，用红色，黄色，绿色等等颜色。正向工作电压一般不超过 2v，正向电流为 10mA 左右，其发光机理是当在 PN 结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子空穴对）在扩散过程中复合发光，郑州轻工业学院传感器及应用系统

13、课程设计说明书9这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。我们最常用的 LED 是 InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。发光二极管的发光原理同样可以用 PN 结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的 N 区有很多迁移率很高的电子，P 区有较多的迁移率较低的空穴。由于 PN 结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合，而当给 PN 结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过 PN 结的势垒进入到 P 区一侧。于是在 PN 结附近稍偏于 P 区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这

14、种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度 Eg。发光二极管具有可靠性较高，室温下连续工作时间长、光功率电流线性度好等显著优点，而且由于此项技术已经发展得比较成熟，所以其价格非常便宜。因此在一些简易的光纤传感器的设计中，如果 LED 能够胜任，选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。然而 LED 的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。因此，在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中，就不得不以提高成本为代价，选用其它更高性能的光源。3.3.5 光电池光电池是利用光生伏特效应直接把光信号转变成电信号的器件，通

15、过磷（或硼）扩散形成 Pn 结而制作成的，用 掺 杂 的 氧 化 硅 来 制 作 的 ，掺 杂 的 目 的 是 为 了 影 响 电 子 或 空 穴 的 行 为 。 在有光照的情况下就是一个电源。它是一个大面积的 PN结，当光照射到 PN结上时，便在PN结两端产生电动势。当 P-N 结 受 光 照 时 ， 样 品 对 光 子 的 本 征 吸 收郑州轻工业学院传感器及应用系统课程设计说明书10和 非 本 征 吸 收 都 将 产 生 光 生 载 流 子 。 但 能 引 起 光 伏 效 应 的 只 能 是 本征 吸 收 所 激 发 的 少 数 载 流 子 。 因 P 区 产 生 的 光 生 空 穴 ，

16、 N 区 产 生 的光 生 电 子 属 多 子 ， 都 被 势 垒 阻 挡 而 不 能 过 结 。 只 有 P 区 的 光 生 电 子和 N 区 的 光 生 空 穴 和 结 区 的 电 子 空 穴 对 （ 少 子 ） 扩 散 到 结 电 场 附 近时 能 在 内 建 电 场 作 用 下 漂 移 过 结 。 光 生 电 子 被 拉 向 N 区 ， 光 生 空 穴被 拉 向 P 区 ， 即 电 子 空 穴 对 被 内 建 电 场 分 离 。 这 导 致 在 N 区 边 界 附近 有 光 生 电 子 积 累 ， 在 P 区 边 界 附 近 有 光 生 空 穴 积 累 。 它 们 产 生 一个 与 热

17、 平 衡 P-N 结 的 内 建 电 场 方 向 相 反 的 光 生 电 场 ， 其 方 向 由 P 区指 向 N 区 。 此 电 场 使 势 垒 降 低 ， 其 减 小 量 即 光 生 电 势 差 ， P 端 正 ，N 端 负 。 于 是 有 结 电 流 由 P 区 流 向 N 区 ， 其 方 向 与 光 电 流 相 反 。 如果 这 时 分 别 在 P 型 层 和 N 型 层 焊 上 金 属 导 线 ， 接 通 负 载 ， 则 外 电 路便 有 电 流 通 过 ， 如 此 形 成 的 一 个 个 电 池 元 件 。4. 电路原理图路灯光电控制线路主回路相线由交流接触器 CJD-10 的三个常开触头并联以适应较大负荷需要，接触器触头的通断由控制回路控制。当天黑无光照时光电池 2CR 本身的电阻和 R1，R2 组成分压器，使BG1 基极电位为负，BG1 导通，经 BG2，BG3，BG4 构成多级直流放大，BG4 导通使继电器 J 动作，从而接通交流接触器，使常开触头闭和，路灯亮。当天亮时，光电池受光照射后，产生 0.20.5V 电动势,使 BG1 在正偏压后截止，后面多级放大器不工作,BG4 截止，继电器 J 释放使回路触头断开，灯灭。调节 R1 可调整 BG1 的截止电压，以达到调节自动开关的灵敏度。