1、商丘师范学院学士学位毕业设计 I 本科毕业设计 四路开关路灯控制电路设计 商丘师范学院学士学位毕业设计 II 目 录 摘要 与关键词 .III 0 引言 .1 1 开关器件 .1 1.1 传感器 .1 1.2 触发器 .2 1.3 继电器 .2 1.3.1 固态继电器组成 .2 1.3.2 固态继电器的优缺点 .3 2 四路开关路灯控制电路设 计 .3 2.1 设计原理 .3 2.2 控制电路 .4 2.2.1 变压整流电路 .4 2.2.2 稳压电路 .4 2.2.3 传感电路 .4 2.2.4 触发电路 .4 2.2.5 可控硅控制及负载电路 .4 2.3 器件选取 .4 2.3.1 整流
2、桥 VC .4 2.3.2 稳压管 .5 2.3.3 电容 .5 2.4 电路工作情况 .5 3 实验结果 .5 4 优点及其应用 .5 5 结语 .6 参考文献 .6 致谢 .6 商丘师范学院学士学位毕业设计 III 四路开关路灯控制电路设计 摘 要 设计一种手动四路开关路灯控制电路。采用负载传感器输出脉冲信号送入双稳态电路，使电路翻转，从而使路灯达到亮灭的效果 。 控制系统简单实用，性能稳定，运行可靠，可以安装在居民楼道里，符合人们日常生活的要求。 关键词 传感器 ； 触发器 ； 继电器 ； 控制 电路 The design of roadlamp by the four ways swi
3、tch of control circuit Abstract The design is the writing of controling roadlamp with four ways switch by hand. The load sensor is adopted to esport pulse signal and send in the two-state circuit to make a circuit to turn over, to make the effect of a roadlamp reach light and going out. The systerm
4、of control this lamd is simplicity and pragmatic,and has the stable function,and reliable operation.So it can be insatlled in the resident,corridor according with the peoples daily life request. Keywords sensor; trigger; relay; control circuit 学士学位毕业设计 1 0 引言 数字电路和数字系统的设计已由二十世纪六七十年代的中、小规模集成逻辑部件的设计，发
5、展到目前的大规模集成电路以及专用集成电路设计 1。随着半导体技术的发展，在一个半导体芯片上集成的电子元件数目越来越多，并按集成电子元件的多少分小规模集成电路、中规模集成电路、大规模集成电路及超大规模集成电路。和小规模集成电路一样，中大规模集成电路有双极型和单极型之分。目前超大规模集成电路多为单极型 (MOS)电路， 可以构成各种复杂的 CMOS 电路， 例如触发器、计数器、移位寄存器、存储器 等等。比如用 CC7555 构成的楼道路灯延时电路 2。 本文设计了一种楼梯 的 手动四路开关路灯控制系统。系统采用负载传感器输出脉冲信号送入双稳态电路，使电路翻转，从而使路灯达到亮灭的效果 (其中当为低
6、电平时，继电器控制端电压消失，内部双向晶体管关闭，切断负载回路，电灯熄灭 )。简单实用，性能稳定，运行可靠。 1 开关器件 1.1 传感器 本设计采用的是输出为脉冲数字的传感器。它可应用于任何变电装置上。由于工作时需要一组直流电源，所以用在有 直流电源的逆变器上最为方便，它可以直接用该直流电源。基本功能是利用副载传感器直接控制逆变器中的振荡电路的电源通断 ，从而实现自动开机与关机，达到节能 目的 3,4。(a) (b) 图 1 传感器 应用原理接线图 负载传感器的应用原理接线图如图 1(a)、 (b)所示。负载传感器 LSE 共有 5 只引脚： 1、 2 脚为回路通断检测端 ； 可串接于 0
7、2500V 交直流电路中。 3 脚为电源正 极端，使用 6 15V 的直流电源。4 脚为输出端，厂家推荐参数最大为 50mA(经实测随着 3 脚电压的升高， 4 脚的输出电流最大可达80mA)。 5 脚为接地端。 本文应用的 传感器 的 动作灵敏度为 50K(即负载 RL 的内阻小于 50K 时即可动作 )。静态损耗电流小于 30uA； 额定负载电流由器件所标型号确定。在 LSE 的 1、 2 脚间串接一只负载 RL(不需加上电压 )，在 LSE 的 3 脚加上直流电压 (DC6 15V)， LSE 的 5 脚接地，开关 S 闭合， LSE的 4 脚上有电流输出。另外，还可以在 LSE 的 1
8、、 2 脚间串入负载 RL，并接入小于 2500V 的交流 或直流电路中，开关 S 闭合， LSE 的 4 脚上有电流输出，三极管 VT 截止，继电器 J 处于释放状态 。开关 S 断开， LSE 的 4 脚输出低电平，三极管 VT 导通，继电器 J 励磁吸合。 学士学位毕业设计 2 在使用该器件时，务必注意以下事项： 1)器件所标参数均为额定值，不宜超过额定数值使用。 2)负载传感器 LSE 的输出端 4 脚不能对地短路。 3)输出端 4 脚如果直接驱动负载，当负载电流大于 50mA 时，可以用三极管将电流放大后驱动负载工作，但所用三极管的基极必须串接限流电阻，否则有可能损坏三极管。 4)在
9、焊接 LSE 的引脚时，其温度应控制在 260 以下， 焊接操作时间不大于 6s。 5)在强电磁脉冲干扰的场合下使用时，为了增强电路的可靠性，可以在 LSE 的 2、 5 脚间接上一只 0.22uF 的电容器或并接一只可调电阻。 1.2 触发器 组合电路和时序电路是数字电路的两大类 5。门电路是组合电路的基本单元 ， 触发器是时序电路的基本单元。 触发器按其稳定工作状态可分为双稳定触发器， 单稳定触发器，无稳态触发器 (多谐振荡器 )等。双稳态触发 器 按其逻辑功能可分为 RS 触发器 ， JK 触发器， D 触发器和 T 触发器等。按其结构可分为主从触发器和维持阻塞型触发器等。 他们静态特性
10、是：断开时， 无论 UAK在多大范围内变化，其等效电阻 ROFF为无穷大时，通过其中的电流 IOFF为零。闭和时，无论流过其中的电流在多大范围内变化，其等效电阻 RON为零，电压 UAK为零。动态特性是：开通时间 tON为零，即开关 S 由断开状态转到闭合状态不需要时间亦可瞬间完成。关断时间 tOFF为零，即开关 S 由闭和状态转到断开状态也不需要时间，可瞬间完成。所以它的动态特性是机器开关无法比拟的。 双稳态电路有两个稳定状态，触发翻转后会一直保持，有记忆效用。 本设计采用的是双稳态 D触发器 (CC4013)。 它 由 CC4013 双 D 触发器的一个 D 触发 器实现。 CC4013
11、双 D 触发器的引出端功能和特性表见 表 1。 D 触发器的基本工作原理仍然是利用正逻辑与非门电路的最基本的逻辑关系，触发器是要求来一个脉冲时，触发器就向相反方向翻转一次。也就是来一个脉冲后， Q 输出端的状态等于脉冲到来之前 输出端的状态。第一个脉冲上升沿到来时 ， D 触发器的状态仅取决于脉冲上升沿到来前 D 输入端的状态，在脉冲处于高电位期间， D 输入端状态的变化不会引起触发器状态的变化。所以，在第二个脉冲到来之前，触发器一直处于 “1”状态，不会产生空翻现象。第二个脉冲到来之后，触发器置“0”，每来一个脉冲 ，触发器翻转一次， 而且只能翻转一次。 表 1 D 触发器功能表 输入 输出
12、 注 CP D RD SD Qn+1 0 0 0 0 同步置 0 1 0 0 1 同步置 1 0 0 Qn 保持 (无效 ) 0 1 1 异步置 1 1 0 0 异步置 0 1 0 不用 不允许 1.3 继电器 固态继电器 与机电继电器相比，是一种没有机械运动、 不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。 它 是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件， 它 利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率 场效应管，单项可控 硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点、 无火花地接通和断开被控电路。 1.3.1 固态继电器 组成 固态继电
13、器三部份组成 ： 输入电路，隔离 (耦合 )和输出电路。按输入电压的不同类别， 输入电路可 分为直流输入 电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路 还 具有与 TTL/CMOS学士学位毕业设计 3 兼 容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。 1.3.2 固态继电器的优缺点 (1)固态继电器的优点 1)高寿命 ， 高可靠 ： SSR 没有机械零部件 ，
14、有固体器件完成触点功能 ， 由于没有运动的零部件 ，因此能在高冲击 ， 振动的环境下工作 ， 由于组成固态继电器的元器件的固有特性 ， 决定了固态继电器的寿命长 ， 可靠性高。 2)灵敏度高 ， 控制功率小 ， 电磁兼容性好 ： 固态继电器的输入电压范围较宽 ， 驱动功率低 ， 可与大多数逻辑集成电路兼容不需加缓冲器或驱动器。 3)快速转换：固态继电器因为采用固体其间，所以切换速度可从几毫秒至几微妙。 4)电磁干扰小 ： 固态继电器没有输入“线圈”，没有触点燃弧和回跳，因而减少了电磁干扰。大多数交流输出固态继电器是一个零电压开关，在零电压处导通，零电流处关断，减少了电流波形的突然中断，从而减少
15、了开关瞬态效应。 (2)固态继电器的缺点 1)导通后的管压降大 ， 可控硅或双相控硅的正向降压可达 12V， 大功率晶体管的饱和压浆液灾12V 之间 ， 一般功率场效应管的导通电祖也较机械触点的接触电阻大。 2)半导体器件关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流 ， 因此不能实现理想的电隔离。 3)由于管压降大 ， 导通后的功耗和发热量也大 ， 大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器 ， 成本也较高。 4)电子元器件的温度特性和电子线路的抗干扰能力较差 ， 耐辐射能力也较差 ， 如不采取有效措施 ， 则工作可靠性低。 5)固态继电器对过载有较大的敏感性 ， 必须用快速熔断器或 RC 阻尼电
16、路 对其进行过 载 保护。固态继电器的负载与环境温度明显有关 ， 温度 升高 ， 负载能力将迅速下降。 2 四路开关路灯控制电路设计 2.1 设计原理 在四个不同地点设立开关，每个开关都可以独立控制该灯的亮暗。 整个电路主要是由负载传感器、双稳态触发器、固态继电器及直流电路等组成。其中路灯控制器由按钮触动传感及触发电路、负载电路、稳压电路、降压整流电路等部分组成。传感器和触发器的电源由电容 C1 降压、整流桥 VC 整流、电容 C2 滤波、稳压管 VS 稳压后提供。电源为 220V 的交流。传感器输出的脉冲信号为触发电路提供控制信号，从而实现稳态电路的翻转，固态继电器受到高 /低电平控制，内部
17、双向晶闸 管导通 /关闭，接通 /切断负载回路，实现电灯亮 /灭。总体方框图如下图 2 所示。 采用边安装边调试的方法，把复杂的电路按原理框图上的功能分块进行安装和调试，在分块调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围，最后完成整机调试。这样以便及时发现问题并给予解决，以利于调试本设计中元件的编制和修订。 图 2 总体方框图 学士学位毕业设计 4 2.2 控制电路 四 路开 关路灯 控制电路设计工作原理如图 3 所示 。 图 3 四路开 关路灯控制电路设计工作原理图 2.2.1 变压整流电路 由 R1， C1，以及桥式整流 VC 组成，作用是将交流电路输出的 220V 交流电压降压，为稳压电路供电。
18、 2.2.2 稳压电路 由 稳压管 2CW20K、 C2 组成，作用是将整流 稳压送来的电压稳压，为后级 电路提供电压恒定的9V 直流电压 。 2.2.3 传感电路 由传感器 SL、 C3 及其相关元件组成，作用是当外界有 触 发信号时，将信号转变为相应的电压信号。 2.2.4 触发电路 由 R1、触发器 A 组成，作用是将前级送来的脉冲信号经 R1 限流送入双稳态电路 ， 为触发电路提供触发信号。 2.2.5 可控硅控 制及负载电路 由 固态继电器 KSO 及电灯 EL 组成，作用是利用前级送来的控制信号，实现灯泡的 熄 与灭 。 2.3 器件选取 2.3.1 整流桥 VC 将交流电变换为单
19、向脉动直流电的电路，称为整流电路。二极管整流器所有整流器类别中最简单的是二极管整流器。在最简单的型式中，二极管整流器不提供任何一种控制输出电流和电压数值的手段。为了适用于工业过程，输出值必须在一定范围内可以控制。通过应用机械的所谓有载抽头变换器可以完成这种控制。作为典型情况，有载抽头变换器在整流变压器的原边控制输入的交流电压，因此也就能够在一定范围内控制输出的直流值。一般地整流器的作用就是把交流电转换成直流电 6，即所谓的 AC DC 变换 。 整流一般都是需要倍压的，所以倍压整流器的种类比较多，常见到的有简单倍压整流电路、半波倍压整流电路、信克尔倍压整流电路以及对称倍压整流电路等。 根据电路
20、的需要，需要 整流桥 2CZ86F*4，作用是将交流电路输出的 220V 交流电压降压， 为学士学位毕业设计 5 稳压电路供电 。 2.3.2 稳压管 它是可以工作于反向击 穿区的二极管，但它是用特殊工艺制造的。由于它在电路中能起稳定电压的作用，故称为稳压管 7。稳压管的正向特性曲线与普通二极管相似，而反向特性比较陡，反向击穿电压比较低，容许通过的电流较大。当反向击穿电流在较大范围内变化时 ，其两端电压变化很小，从它两端可获得一个稳定的电压。只要反向电流不超过允许范围，稳压管就不会因热击穿而损坏。为此在电路中，稳压管必须串联一个适当的限流电阻。 稳压管的主要参数 是： 1.稳定电压 Uz：即反
21、向击穿电压。即使是同一型号的稳压管，其 Uz值也不完全相同，有一定的离散范围 。 2.稳定电流 IZ： 稳压管正常使用时的参考电流值 若 低于此值，稳压效果差 。 3.动态电阻 rz：指稳压管两端电压变化量与对应的电流变化量之比。 rZ= UZ/ IZ， rZ愈小稳压效果愈好。 4.最大工作电流 IZM和最大耗散功率 P ZM： IZM指管子允许通过的最大电流。 P ZM等于稳定电压 Uz和 IZM的乘积，即 PZM=UzIZM。 根据电路的需要，需要 稳压值为 9V的稳压管 2CW20K，作用是将整流稳压送来的电压稳压，为后级电路提供电压恒定的 9V直流电压。 2.3.3 电容 电容就是两块
22、导体 (阴极和阳极 )中间夹着一块绝缘体 (介质 )构成的电子元件。电容的种类首先要按照介质种类来分 ， 可分为无机介质电容器、有机介质电容器和电解电容器三大类。不同介质的电容，在结构、成本、特性、用途方面都大不相同。电容的用途非常多，主要有 隔直流 、 旁路 (去耦 )、耦合 、 滤波 、 温 度补偿 、 整流 等作用。 根据电路的需要，需要 电容 3个。其中电容 C1降压， 电容 C2滤波， C3起到保护传感器的作用。 所以本设计所需要的原器件是： 负载传感器 ZA-2N； A 采用双 D 触发器 CC4013 构成双稳态电路；固态继电器 KSO；整流桥2CZ86F*4；稳压管 2CW20
23、K； 灯 EL； R0， R1， R2， R3(47K、 1K、 1K、 1M)； C1， C2， C3(1uF/400V、470uF/50V、 0.22uF)。 2.4 电路工作情况 本设计采用的 是一种新型负载传感器器件，引脚如图 1 所示。当 1 脚、 2 脚之间接通时 (串通电阻 允许在 0 千欧姆到 50 千欧姆之间，因此不怕开关触点融化 )，其输出端 4 脚便变为高电平，输出电流可达 50mA，输出电压为 3 脚的电源电压。设在各地的按钮是 SB1、 SB2、 SB3、 、 SB4 并联在 传感器 的 1 脚 2 脚上，由于 1 脚、 2 脚间的电压为零，故按钮两端是不带电的，操作
24、十分安全。任意按其中一个按钮，均可使 传感器 的 4 脚输出高电平。该脉冲信号经限流电阻 R1 送入双稳态电路 A，使电路翻转， Q 端由原来的低电平变为高电平控制内部双向晶闸管导通，接通电灯回路，电灯亮。当再按下另一个按钮时，又来一个脉冲使 A 的电路翻转， Q 为低电平， KSO 控制端电压消失，内部双向晶闸管关闭，切断负载回路，电灯熄灭。 3 实验结果 该系统经多次试验和长期现场运行，可得出以下结论： 1)系统运行可靠，抗干扰能力强； 2)系统结构简单，操作使用方便； 3)造价低，便于推广使用； 4)系统运行成本低，并可节省大量的城市照明用电。 4 优点及其应用 本设计在满足功能和性能要
25、求的前提下，电路简单 、 元器件少 、 可靠性高 、 符合人们日常生活中的照明要求 。 学士学位毕业设计 6 电子开关路灯的类型很多种，光控、声控、触摸控制等等。一般手动开关有很多优点，一方面它可以直接避开与应用电路 (尤其是高压电路 )，使用安全、可靠；另一方面，电子开关电路在很多用电器中起到了节约用电的作用，这也是新世纪电子产品的发展趋向 8,9，适用于中、小城市和城镇的道路和街道夜间照明，同时适用于 24 小时或夜间照明的场合 。 如：工商企业、广场、码头、高速公路、铁路隧道和公路隧道等。 5 结语 随着数字技术和网络技术的发展，照明数字化和网络化已经成为一种必然趋势。节约能源、保证灯具
26、寿命、提高照明管理水平、美化城市 质量和保证安全 已经成为照明系统 一项基本要求 10。本文介绍了基于传感器等的照明系统，重点介绍了他的设计原理和控制电路，还 有各组成部分。 随着灯和灯具的一体化的开发和应用， 在大力提倡节能、环保、光健康的国内外大环境下， 照明灯具电子技术迅速发展，各种集成化装置和计算机控制系统对灯具和照明系统的应用取得了显著的进步。比如美国吉尼亚大学功率电子研究中心的李泽元教授领导的科研组织每年都有相关论文和实验报告在 IEEE 功率电子学刊上出，并提出了诸如高频能量反馈采用电荷泵功率因数电子镇流 11，同时，国内一些著名科学研究所大学 (如浙江大学，哈尔滨大学等 )等都
27、投入了较大力量进行研究开发。 参考文献 1 刘培值 .数字电路设计与数字系统 M.北京：邮电大学出版社 ， 2005： 31-73， 147-189. 2 佚名 .太阳能路灯控制器的设计 J.http:/ 3 刘爱华 .公共场所照明的声光控制 J.传感器技术 ， 2005(02)： 35-18. 4 李升 .源 李瑞珍 .一种简单实用的楼道灯光声控制电路 J.中国照明电器 ， 2005(06)： 16-33. 5 刘必虎 .数字逻辑电路 M.北京 ： 科学出版社 ， 1999： 32-63. 6 侯振仪 .直流开关电源技术及应用 M.北京：电子工业出版社 ， 2006： 314-321. 7
28、长谷川章 .开关稳压电源的设计与应用 M.北京：科学出版社 ， 2006： 200-211. 8 John P. Vyemura. A first Course IN Digital Systems Dsign:An Integrated Approach M.北京：科学出版社 ， 2002： 114-130. 9 K. Kalyana Seela. Preparation of -Fe2O3 by the hydrazine method: Application as an alcohol sensor，J. International Journal of Inorganic Materials， 2000(02)： 8l-86. 10 佚名 .路灯系统节能探讨 J.http:/ 11 路秋生 .常用电子镇流器电路及运用 M.北京：人们邮电出版社出版发行 ， 2006： 42-44， 114-120. 致 谢 在我写本论文的过程中， 老师对我的选题进行了悉心的指导，在我完成第 2 稿之后接着就是毕业论文的第 3 稿的开始，老师时刻关心着 我们的毕业论文的进程，认真的督促着我们，为此我十分感谢指导我的 老师，以至 于 我 的毕业论文 3 稿顺利完成。
