光控節(jié)能路燈的設(shè)計(jì)——課程設(shè)計(jì)

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)課 程 光電檢測(cè)技術(shù) 題 目 光控節(jié)能路燈的設(shè)計(jì) 院 系 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 電子10-1班 學(xué)生姓名 王光宇 學(xué)生學(xué)號(hào) 100901240109 指導(dǎo)教師 2014年2月28日東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程 光電檢測(cè)技術(shù)題目 光控節(jié)能路燈電路的設(shè)計(jì)專業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 姓名 王光宇 學(xué)號(hào) 100901240109主要內(nèi)容： 應(yīng)用2du光敏二極管等器件，設(shè)計(jì)光控節(jié)能電路，實(shí)現(xiàn)節(jié)能路燈控制?；疽螅?、 研究2du光敏二極管的功能特性。2、 設(shè)計(jì)光控節(jié)能路燈電路的功能框圖。有詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)說(shuō)明。3、 設(shè)計(jì)光控節(jié)能路燈電路中的光電檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、邏輯電

2、路。4、 對(duì)電路進(jìn)行仿真研究。5、 調(diào)試安裝。6、 完成課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。主要參考資料：1）陳有卿編著. 新穎集成電路制作精選m.人民郵電出版社, 2005.4.2) 陳振官，陳宏威等編著.光電子電路制作實(shí)例m. 2006.4.3) 黃繼昌等編著.檢測(cè)專用集成電路及應(yīng)用m. 2006.10.完成期限 2014.2.242014.2.28 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 2014年2月24日 第1章 概述1.1 課題作用、實(shí)用價(jià)值光電子技術(shù)是繼微電子技術(shù)之后近30年來(lái)迅猛發(fā)展的綜合性高新技術(shù)。1962年半導(dǎo)體激光器的誕生是近代科學(xué)技術(shù)史上一個(gè)重大事件。經(jīng)歷十多年的初期探索，從70年代后期起，隨著半導(dǎo)體光電

3、子器件和硅基光導(dǎo)纖維兩大基礎(chǔ)元件在原理和制造工藝上的突破，光子技術(shù)與電子技術(shù)開(kāi)始結(jié)合并形成了具有強(qiáng)大生命力的信息光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。所謂光控路燈，就是能夠在黃昏時(shí)自動(dòng)接通路燈的電源，在黎明時(shí)自動(dòng)關(guān)閉路燈，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的自動(dòng)控制。關(guān)于路燈自動(dòng)控制的電路?；驹矶际窍嗤模蠢米詣?dòng)控制理論如何讓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)方式可謂各種各樣，五花八門，這也是由于具體的使用要求和環(huán)境的差異所決定的。常見(jiàn)的控制方式有聲控，光控以及聲光結(jié)合的控制，當(dāng)然還可以利用單片機(jī)，dsp等微控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在保證足夠可靠性的基礎(chǔ)上，為了盡量節(jié)約成本，利用簡(jiǎn)易的分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，顯得既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，在提倡節(jié)約型社會(huì)的今天無(wú)疑值得推廣。

4、1.2 光電二極管的發(fā)展前景光電子技術(shù)是一個(gè)比較龐大的體系，它包括信息傳輸，如光纖通信、空間和海底光通信等；信息處理，如計(jì)算機(jī)光互連、光計(jì)算、光交換等；信息獲取，如光學(xué)傳感和遙感、光纖傳感等；信息存儲(chǔ)，如光盤、全息存儲(chǔ)技術(shù)等；信息顯示，如大屏幕平板顯示、激光打印和印刷等。其中信息光電子技術(shù)是光電子學(xué)領(lǐng)域中最為活躍的分支。在信息技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，電子作為信息的載體作出了巨大的貢獻(xiàn)。但它也在速率、容量和空間相容性等方面受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。采用光子作為信息的載體，其響應(yīng)速度可達(dá)到飛秒量級(jí)、比電子快三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，加之光子的高度并行處理能力，不存在電磁串?dāng)_和路徑延遲等缺點(diǎn)，使其具有超出電子的信息容量與處理速

5、度的潛力。充分地綜合利用電子和光子兩大微觀信息載體各自的優(yōu)點(diǎn)，必將大大改善電子通信設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)和電子儀器的性能。在醫(yī)療應(yīng)用設(shè)備中，光電二極管也有著廣泛的應(yīng)用，例如x射線計(jì)算機(jī)斷層成像（computed tomography, ct）以及脈搏探測(cè)器。pin結(jié)型光電二極管一般不用來(lái)測(cè)量很低的光強(qiáng)。然而，如果光強(qiáng)足夠大，雪崩光電二極管、感光耦合元件或者光電倍增管就能發(fā)揮作用，例如天文學(xué)、光譜學(xué)、夜視設(shè)備、激光測(cè)距儀等應(yīng)用產(chǎn)品。常見(jiàn)的有2cu、2du等系列。本設(shè)計(jì)選用了2du型光敏二極管進(jìn)行光控電路的設(shè)計(jì)。第2章 基本原理與總體設(shè)計(jì)2.1光電二極管的主要工作原理光電二極管是將光信號(hào)變成電信號(hào)的半導(dǎo)

6、體器件。它的核心部分是一pn結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上不同的是，為了便于接受入射光照，pn結(jié)面積盡量做的大一些，電極面積盡量小些，而且pn結(jié)的結(jié)深很淺，一般小于1微米。光電二極管是在反向電壓作用之下工作的。沒(méi)有光照時(shí)，反向電流很?。ㄒ话阈∮?.1微安），稱為暗電流。當(dāng)有光照時(shí)，攜帶能量的光子進(jìn)入pn結(jié)后，把能量傳給共價(jià)鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價(jià)鍵，從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，稱為光生載流子。它們?cè)诜聪螂妷鹤饔孟聟⒓悠七\(yùn)動(dòng)，使反向電流明顯變大，光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大，這種特性稱為“光電導(dǎo)”。光電二極管在一般照度的光線照射下，所產(chǎn)生的電流叫光電流。如果在外電路上接上負(fù)載，負(fù)載上就獲得

7、了電信號(hào)，而且這個(gè)電信號(hào)隨著光的變化而相應(yīng)變化。光電二極管作為一種光伏探測(cè)器可以在光伏型（即物外加偏壓）和光導(dǎo)型（即外加反向電壓）兩種工作模式工作。在光導(dǎo)模式下，施加反向偏壓后，可以增加光電二極管pn結(jié)的耗盡層寬度好和結(jié)電場(chǎng)，在耗盡層中產(chǎn)生的電子空穴對(duì)由于復(fù)合較少，在結(jié)區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，不必經(jīng)過(guò)引起復(fù)合的擴(kuò)散過(guò)程，就可以對(duì)電流作出貢獻(xiàn)，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(huì)產(chǎn)生較大的噪聲電流，通常在光電通信等快速應(yīng)用中應(yīng)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

8、好，適合于比較精確的測(cè)量。下面詳細(xì)的介紹光電二極管的光伏型工作模式。2.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及框圖根據(jù)課題要求，我們可以將設(shè)計(jì)分成三個(gè)模塊：電源變換模塊，開(kāi)關(guān)控制模塊，開(kāi)關(guān)模塊。路燈一般使用交流市電作為供電電源。而我們電路中的各種控制電路則需要使用直流電，所以，必須進(jìn)行電源變換。常用的方法是整流濾波后進(jìn)行穩(wěn)壓。若要滿足路燈在室外光強(qiáng)大于15cd/m2時(shí)關(guān)閉，小于10cd/m2時(shí)開(kāi)啟，也就是要一個(gè)回差控制。顯然，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要使用具有回差特性的原件。一般是用斯密特觸發(fā)器或滯回比較器。我們可以專門用基本原件來(lái)設(shè)計(jì)斯密特觸發(fā)器，但是目前已有專用的集成原件，如555定時(shí)器，使用這些集成芯片不但方便，而且

9、性能穩(wěn)定。最后，要實(shí)現(xiàn)對(duì)燈開(kāi)關(guān)的控制，必須使用具有模擬開(kāi)關(guān)特性的器件，如三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等。這里，我們使用一種叫做雙向晶閘管的器件，用它作為開(kāi)關(guān)原件可以有更好的效果。最后把三個(gè)部分連接起來(lái)，便構(gòu)成了整個(gè)控制系統(tǒng)：它的工作方式可以定性的解釋為：當(dāng)光照在光敏電阻上時(shí)，其阻值發(fā)生改變，從而其兩端的電壓也會(huì)相應(yīng)變化，用這個(gè)電壓去控制光路控制模塊，使之有不同的輸出，這個(gè)輸出又去控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的改變。而由于開(kāi)關(guān)控制模塊在輸入上升和下降是有不同的控制電壓，故整個(gè)系統(tǒng)在正反向的控制光強(qiáng)也不同（如下圖）。圖2.1 整體設(shè)計(jì)思路電源變換模塊開(kāi)關(guān)控制模塊開(kāi)關(guān)模塊負(fù)載電燈第3章 光控節(jié)能路燈的設(shè)計(jì)3.1電源變換模塊

10、電路設(shè)計(jì)一般地，電源變換采用整流濾波后穩(wěn)壓的方法。具體電路如下：圖3.1 電源變換電路整體圖首先，市電經(jīng)過(guò)變壓器耦合進(jìn)行降壓，然后通過(guò)一個(gè)由二極管組成的整流橋進(jìn)行整流。二極管整流的原理是：如上圖，當(dāng)變壓器副邊輸出在正半周時(shí)，電流分別經(jīng)過(guò)d1，r2，d4回到變壓器；當(dāng)變壓器副邊輸出在負(fù)半周時(shí)，電流分別經(jīng)過(guò)d3，r2，d2回到變壓器。這樣，不管是在正半周還是負(fù)半周，始終有電流流過(guò)r2，而且方向不變。這叫做全波整流。電容c1起著濾波的作用。即濾去交流分量。我們可以看一下c1端輸出的波形：可見(jiàn)，其輸出基本上為一個(gè)定值，電壓波動(dòng)很小。一般地，電容越大，濾波效果愈好。最后一部分是集成的三段穩(wěn)壓器。只要提供

11、的輸入電壓滿足其要求，它的輸出端就能輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓。我們結(jié)合整個(gè)電源模塊來(lái)看一下各個(gè)部分的波形：其中，t3是變壓器副邊輸出電壓，t1是濾波后輸出電壓，t2是三端穩(wěn)壓器的輸出?？梢?jiàn)，經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓器后，輸出電壓的紋波更小。通過(guò)如上處理，交流輸入可以相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)定的直流輸出，這給后面的控制部分提供了穩(wěn)定的直流電壓。3.2開(kāi)關(guān)控制模塊電路設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)控制模塊主要用555定時(shí)器搭成的斯密特觸發(fā)器構(gòu)成。下面介紹一下此模塊的原理：555定時(shí)器是一個(gè)多功能的集成芯片，利用它可以極其方便的構(gòu)成多諧振蕩器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，斯密特觸發(fā)器。而本文正是使用555定時(shí)器構(gòu)成斯密特觸發(fā)器來(lái)完成對(duì)開(kāi)關(guān)的控制功能。它的內(nèi)部組成如

12、下：圖3.2 555定時(shí)器組成電路它主要分為3個(gè)部分：比較部分，鎖存部分，輸出部分。比較部分有放大器c1，c2組成。由圖可見(jiàn),。根據(jù)輸入端口和與這兩個(gè)電壓的關(guān)系組合，可以使鎖存器處于不同狀態(tài)，從而輸出處于相應(yīng)的狀態(tài)。根據(jù)電壓比較器的特點(diǎn)和與非門鎖存器的真值表，我們可以得到如下的狀態(tài)關(guān)系表：表 3.1 555定時(shí)器工作狀態(tài)表狀態(tài) 010on0 11保持保持保持 001off1不難發(fā)現(xiàn)，如果把和接在一起作為輸入，當(dāng)它們?cè)诤椭g變化時(shí)，如果變化的方向不同，那么輸出有不同的狀態(tài)。這就可以構(gòu)成斯密特觸發(fā)器。以下是具體連接圖：圖3.3 555定時(shí)器構(gòu)成斯密特觸發(fā)器下面具體來(lái)看：1）當(dāng) 時(shí)，由上表，=1，=

13、0，=1；2）當(dāng)時(shí)，=0，=1，=0；再看從下降的過(guò)程。1）當(dāng)時(shí)，=1，=0保持不變；2）當(dāng) 時(shí)，=1，=0，=1。由上面的分析，可以畫出如下輸入輸出特性曲線：圖3.4 斯密特觸發(fā)器輸出特性可見(jiàn)，這是典型的斯密特觸發(fā)器工作狀態(tài)圖。它的回差電壓是-=。利用這點(diǎn)，我們可以很好的實(shí)現(xiàn)光控的回差特性。根據(jù)前面的分析，若vcc為12v，則兩個(gè)回差點(diǎn)分別是4v，8v。如果輸入一個(gè)合適的正弦波，那么我們可以想見(jiàn)，當(dāng)電壓有0升到8v的過(guò)程中，輸出為高電平；過(guò)了8v以后變低電平；當(dāng)電壓下降時(shí)，降到4v以前，會(huì)保持低電平，低于4v后會(huì)到高電平。輸出將是矩形波。3.3開(kāi)關(guān)模塊電路設(shè)計(jì)這部分就是一個(gè)雙向晶閘管。首先介

14、紹一下該器件。它是由2個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成。圖a)是器組成圖。它是由p，n型材料如圖疊在一起構(gòu)成的。中間抽出一個(gè)引線作為控制電極g。當(dāng)g上不加電壓是，不管a，k之間為何種電壓，總有pn結(jié)處于反偏，器件不導(dǎo)通；但是但ak間加上正向電壓后，若gk間也加上正向電壓，則下面的結(jié)導(dǎo)通。圖b)是其等效圖。這是vt2基極有電流，其發(fā)射極的電流將為；而vt2的發(fā)射極又是vt1的基極，那么vt1的發(fā)射極電流將為，vt1的發(fā)射極又是vt2的基極，如此循環(huán)下去，電流會(huì)在正反饋的作用下很快放大，是管子處于導(dǎo)通狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程叫做觸發(fā)式導(dǎo)通。雙向晶閘管是由2個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成，工作原理與上面相似，但是它在ak間的電

15、壓為正負(fù)極性時(shí)，只要g有觸發(fā)電壓，都可以導(dǎo)通。所以，在交流供電時(shí)也可以使用。我們可以來(lái)看一下雙向晶閘管的工作情況，測(cè)試圖如下：圖3.5 雙向晶閘管測(cè)試圖圖3.7 雙向晶閘管測(cè)試結(jié)果3.4整體電路圖圖3.6 雙向晶閘管測(cè)試結(jié)果上面是全局圖。r3是光敏電阻。我們首先選取光敏電阻的2個(gè)臨界值來(lái)看輸出波形。 （1）r3=0.5k。從上面的分析可見(jiàn)，這時(shí)雙向晶閘管應(yīng)該截止。rl右端電壓應(yīng)該就是交流正弦波。此時(shí)加在rl上的電壓為0，燈泡不發(fā)光。 （2）r3=2k。從上面的分析可見(jiàn)，這時(shí)雙向晶閘管應(yīng)該導(dǎo)通。rl右端電壓應(yīng)該就是幅值較小的交流正弦波。此時(shí)加在rl上的電壓不為0。燈泡發(fā)光。下面是驗(yàn)證波形圖。該波

16、形的幅值比380v小很多。當(dāng)然，我們也可以選其他任何阻值。理論上我們應(yīng)該可以作出輸出波形與r3的關(guān)系。但是pspice軟件中只有參數(shù)掃描有類似功能，但是它卻只能做瞬態(tài)分析，不能滿足我們對(duì)交流信號(hào)的要求。另外，要作出斯密特觸發(fā)器的特性曲線必須要時(shí)域來(lái)回變化的輸入波形，但是參數(shù)掃描的每一個(gè)波形都是從0開(kāi)始，不能反映斯密特觸發(fā)器反向特性。所以我們采用如下等價(jià)的方法來(lái)證明該電路的正確性.首先，我們用參數(shù)掃描來(lái)給出當(dāng)r3變化時(shí)的斯密特觸發(fā)器的輸入波形。我們讓r3在0.1k到2.1k間取值，得到下圖。圖3.7 r3變化時(shí)的輸入下面是斯密特觸發(fā)器輸入與輸出的值與r3的關(guān)系：圖3.8 r3變化時(shí)的輸入與輸出假

17、設(shè)開(kāi)始時(shí)光照低，燈泡處于點(diǎn)亮狀態(tài)，光敏電阻阻值極大，斯密特觸發(fā)器輸入電壓極小。隨著光照升高，光敏電阻阻值會(huì)下降，斯密特觸發(fā)器輸入電壓上升。由上圖只要輸入低于8v（也就是光照低于15cd/m2），輸出始終保持高電平。這時(shí)按照?qǐng)D3-13的雙向晶閘管的特性曲線，晶閘管會(huì)保持導(dǎo)通。如果從時(shí)域波形來(lái)看，必能得到圖4-3一樣的圖。燈泡保持發(fā)光。一旦超過(guò)8v輸入（也就是光照高于15cd/m2），輸出變?yōu)榈碗娖健＿@2點(diǎn)由上圖都能很好看出來(lái)。但是，正如前面所說(shuō)，參數(shù)掃描是無(wú)記憶性的，它的每條曲線都是從0狀態(tài)給出。但斯密特觸發(fā)器本身是記憶性原件，故上面仿真的只是輸入由0升高時(shí)的狀態(tài)。對(duì)于輸入降低時(shí)的情況，只能由前

18、面相關(guān)的多組波形間接分析。光照降低時(shí)時(shí)，光敏電阻阻值會(huì)上升，斯密特觸發(fā)器輸入電壓會(huì)下降。但是由圖3-8所示的斯密特觸發(fā)器輸入輸出特性曲線，此時(shí)閾值點(diǎn)將變成4v，這點(diǎn)由圖3-10也可以說(shuō)明。在到4v以前燈泡會(huì)保持熄滅。一旦低于4v(對(duì)應(yīng)光照低于10cd/m2)燈泡點(diǎn)亮。由于軟件本身的因數(shù)我們不能直接給出波形，但是可以參考多個(gè)波形如上分析。至此，我們通過(guò)各種手段論證了該電路圖的可行性。最后，需要說(shuō)明的是，有時(shí)候由于車輛的閃光燈等會(huì)誘導(dǎo)光控出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以我們加入了電容c3起一個(gè)延時(shí)作用（如圖4-1）。只要在延時(shí)時(shí)間內(nèi)外界偶然刺激消失了，那么燈泡不會(huì)有反應(yīng)。對(duì)于還有其他的沒(méi)有說(shuō)明的電阻和電容，都是因?yàn)?/p>

19、在連接各個(gè)模塊是為了避免各自輸入輸出電阻的互相影響而加入的，其參數(shù)值都是經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)選定的，所以對(duì)仿真結(jié)果無(wú)影響。 第4章 電路的安裝調(diào)試4.1 元器件的焊接對(duì)元件進(jìn)行組裝焊接，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行準(zhǔn)備。4.2電路的調(diào)試調(diào)試過(guò)程光敏電阻的測(cè)試：用指針式萬(wàn)用表兩表筆分別接光敏管的兩極，凸面朝向陽(yáng)光，應(yīng)為低電阻，若為高阻，對(duì)調(diào)兩表筆為低阻說(shuō)明此管是好的。二極管測(cè)試：二極管主要分為三種：整流二極管、穩(wěn)壓二極管、發(fā)光二極管；此外，還有開(kāi)關(guān)二極管。先打磨引腳，再用指針表測(cè)試，因二極管具有單相導(dǎo)電性，所以，在測(cè)試時(shí)，紅筆接負(fù)極，黑筆接正極，若是導(dǎo)通，且紅筆接正極，黑筆接負(fù)極，為截止，則表明二極管是正常的，若不是

20、則表明二極管是壞的。檢查電路在通電調(diào)試之前，必須認(rèn)真檢查電路連線是否正確，對(duì)照電路圖按照一定順序逐級(jí)檢測(cè)，特別要注意電源是否接錯(cuò)，電源與地是否有短接，二極管是否接反，輕輕撥一撥元器件，觀察焊點(diǎn)是否牢固。電解電容器的極性檢測(cè)：電解電容的正負(fù)極性不允許接錯(cuò)，當(dāng)極性接反時(shí)，可能因電解液的反向極化，引起電解電容器的爆裂。當(dāng)極性標(biāo)記無(wú)法辨認(rèn)時(shí)，可根據(jù)正向連接時(shí)漏電電阻大、反向連接時(shí)漏電電阻相對(duì)小的特點(diǎn)判斷極性。交換表筆前后兩次測(cè)量漏電電阻，阻值大的一次，黑表筆接觸的是正極，因?yàn)楹诒砉P與萬(wàn)用表內(nèi)電池正極相接（采用數(shù)字萬(wàn)用表時(shí)，紅表筆接電池正極）。但用這種辦法有時(shí)并不能明顯地區(qū)分正、負(fù)向電阻，所以使用電解電容時(shí)，要注意保護(hù)極性標(biāo)記。第5章 總結(jié)本次課設(shè)是樓道聲光控制燈的設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了很多知識(shí)。掌握了聲光控制的工作原理、更多的電子器件、更