傳感器課程設(shè)計(jì)之簡(jiǎn)易光控?zé)舻脑O(shè)計(jì)

1、傳感器課程設(shè)計(jì)之簡(jiǎn)易光控?zé)舻脑O(shè)計(jì)一、設(shè) 計(jì)目的與要求1、 設(shè)計(jì)要求（ 1） 初步掌握一般電子電路分析和設(shè)計(jì)的基本方法。 包括： 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和指標(biāo)，確定電路方案，通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算選擇元器件，然后安裝電路，進(jìn)行調(diào)試，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，提出改進(jìn)意見(jiàn)，寫(xiě)出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。（ 2） 培養(yǎng)學(xué)生自學(xué)能力和獨(dú)立分析、 解決問(wèn)題的能力。 包括： 查閱參考資料、工具書(shū)，掌握電路調(diào)試的一般規(guī)律。（ 3）掌握電子電路的安裝、布線等基本技能。（ 4）更加熟練地掌握常用電子儀器的正確使用方法。2、設(shè)計(jì)目的利用光敏電阻設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易光控?zé)簦?當(dāng)用不透光的物體罩住光敏電阻時(shí)， LED 燈亮；移去遮光物體時(shí)，紅色LED發(fā)光二極管不會(huì)亮

2、。二 、 設(shè)計(jì)任務(wù)（ 1）傳感器的選型（ 2）電路設(shè)計(jì)（ 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(xiě)說(shuō)明書(shū)三、 編寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告寫(xiě)出設(shè)計(jì)的全過(guò)程，附上有關(guān)資料和圖紙，有總結(jié)體會(huì)。摘要光控?zé)羰且环N能根據(jù)環(huán)境自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)燈關(guān)燈等功能的裝置。 它是居家照明系統(tǒng)的主要組成部分， 能夠給我們的生活帶來(lái)許多的方便。 光控?zé)舻膽?yīng)用范圍很廣，例如安裝在樓道的走廊燈、 安裝在街道外的路燈等。 同時(shí)也達(dá)到了省電節(jié)能和延長(zhǎng)燈泡使用壽命的效果。 在本次設(shè)計(jì)中， 我們做到如下功能要求： 當(dāng)傍晚光強(qiáng)減弱到一定程度的時(shí)候， 光敏電阻阻值增大， 由 555 定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器輸出

3、高電平， 電路就會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮路燈； 當(dāng)早上光強(qiáng)增大到一定強(qiáng)度的時(shí)候， 光敏電阻阻值減小，施密特觸發(fā)器輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)燈自動(dòng)熄滅的功能。關(guān) 鍵 詞： 光敏電阻； 555 芯片；施密特觸發(fā)器；光控?zé)裟夸?光控?zé)粼?41.1 光控?zé)舻囊饬x與背景 41.2 設(shè)計(jì)思路與原42光控?zé)綦娐返脑O(shè)計(jì)方案 42.1 方案的選擇和確定 52.2 元器件的選擇 62.3 主要原器件的介紹 62.3.1 光敏電阻的介紹 62.3.2 555芯片的介紹72.3.3 發(fā)光二極管的介紹 83總電路設(shè)計(jì) 81.1 電路功能模塊圖 81.2 電源模塊原理91.3 光控開(kāi)關(guān)原理模塊 91.4 電路仿真和分析 104 電路板的制

4、作及調(diào)試 104.1 電路板的制作 104.2 測(cè)試結(jié)果 115 結(jié)束語(yǔ) 116 參考文獻(xiàn) 121、光控?zé)粼?.1 光控?zé)舻囊饬x與背景站在新世紀(jì)的門(mén)檻上， 我們感受到的是高速發(fā)展的現(xiàn)代科技。 降低能耗， 節(jié)約能源、注重環(huán)保，簡(jiǎn)潔方便是當(dāng)今家居生活的主題。也因如此，照明燈的需求也在不斷的發(fā)展， 人類(lèi)有意識(shí)的采用各種方法改進(jìn)它， 以適應(yīng)我們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N需要。 用光控開(kāi)關(guān)來(lái)代替路燈開(kāi)關(guān)、 住宅小區(qū)的樓道上的開(kāi)關(guān)， 只有在光線不足時(shí)燈會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮， 白天光線充足時(shí)不會(huì)亮， 可以達(dá)到節(jié)能的目的。 同時(shí)光控電路具有電路簡(jiǎn)單， 制作容易， 工作可靠的特點(diǎn)， 可廣泛應(yīng)用于各種樓房走廊的照明設(shè)備。1.2 設(shè)計(jì)

5、思路與原理采用光敏電阻來(lái)感受外界光的強(qiáng)弱并利用電路將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 由電信號(hào)的變化利用 555 定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器改變輸出電壓， 從而改變發(fā)光二極管兩端的電壓， 進(jìn)而控制了燈的亮滅。 此設(shè)計(jì)也可以看做是一個(gè)用發(fā)光二極管指示的光控開(kāi)關(guān)。要求電路在日光照射下，接通+5V 電源后，發(fā)光二極管是熄滅的，沒(méi)有光照的時(shí)候，發(fā)光二極管是亮的。接通 +5V 電壓，在光線充足的情況下光敏電阻的阻值很小，分壓很小，則輸入555芯片的TH和TR端為高電平，此時(shí)555芯片的輸出端為低電平，不能提供足夠的電壓給發(fā)光二極管，則燈不亮；在光線不足時(shí)，光敏電阻的阻值很大，分壓很大，輸入555芯片的TH和TR端為低電平

6、，則555芯片的輸出為高電平，此 時(shí)可以提供足夠的電壓給發(fā)光二極管，燈就發(fā)光。2、光控?zé)綦娐返脑O(shè)計(jì)方案1.1.1 方案的選擇方案一：采用BJT光控開(kāi)關(guān)模塊及LED顯示模塊如圖 1 所示， 光控模塊包括檢測(cè)電路， BJT 光控開(kāi)關(guān)模塊及LED 顯示模塊。檢測(cè)電路通過(guò)電路中的光敏電阻，從而使BJT 光控開(kāi)關(guān)處于要求的狀態(tài)，從而使電路能夠通過(guò)照明燈開(kāi)關(guān)對(duì)光線強(qiáng)弱的感應(yīng)控制照明燈的亮滅： 光控照明燈白天自動(dòng)關(guān)閉照明燈；當(dāng)黃昏光線變暗時(shí)，點(diǎn)亮照明燈。此處用 LED 燈實(shí)現(xiàn)燈亮滅的自動(dòng)控制。方案二：采用三極管和繼電器控制開(kāi)關(guān)模塊RL為光敏電阻器,在外界照明度強(qiáng)時(shí)光敏電阻呈低電阻,電流通過(guò)R1使VT1 飽和

7、導(dǎo)通，這樣使VT2截止,VT3導(dǎo)通，VT4截止，這樣以來(lái)繼電器K不動(dòng)作，燈 EL不亮.當(dāng)外界照明昏暗時(shí)，RL的阻值開(kāi)始變大,使彳# VT1截止,VT2導(dǎo)通,VT3截 止,VT4導(dǎo)通,K得電吸合,其常開(kāi)觸點(diǎn)K1閉合，燈EL點(diǎn)亮發(fā)光.圖2光控電路方案三：采用555集成電路的簡(jiǎn)易光電控制器當(dāng)光照到光敏電阻時(shí)，其電阻變小，使 6腳和2腳的電壓變大，經(jīng)過(guò)555 芯片，由555的原理可知，從輸出管腳3輸出低電平，此時(shí)發(fā)光二極管不能導(dǎo)通， 是滅的；當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，其電阻變大，使得 6腳和2腳的電壓變小，經(jīng)過(guò) 555 芯片，由555的原理可知，從輸出管腳3輸出高電平，此時(shí)發(fā)光二極管導(dǎo)通，燈 亮。如下電路圖3:圖

8、3光控電路1.1.2 方案的確定考慮到設(shè)計(jì)的難度、實(shí)現(xiàn)的難度、成本以及調(diào)試的難度，我們選擇方案三。又由于我們已經(jīng)學(xué)了數(shù)字電路和模擬電子電路， 而且這個(gè)方法比較簡(jiǎn)單，又實(shí)用， 能充分體現(xiàn)出我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的掌握程度。 所以我利用所學(xué)的數(shù)字電路方法，力 求從簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)知識(shí)中學(xué)到更多的東西，為今后的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備，采取一種最簡(jiǎn) 單的方式實(shí)現(xiàn)光控電路的設(shè)計(jì)一一即采用 555集成電路的簡(jiǎn)易光電控制器。2.2 元器件的選擇 發(fā)光二極管1只；555 芯片（NE555P 1 只；電容 1 只（0.01uF）;光敏電阻（5576） 1只；可調(diào)電阻10K 1只；電阻（四只）4.7K、1K、15.5K、10K各一只;2

9、.3.1光敏電阻的介紹2.3 主要原器件的介紹光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管，常用的制作材料為硫化鎘， 另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鈿等材料。這 些制作材料具有在特定波長(zhǎng)的光照射下，具阻值迅 速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與圖2T光敏電阻導(dǎo)電，在外加電場(chǎng)的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而 改變的電阻器；在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達(dá) 1-10M歐，在強(qiáng)光條件（100LK下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。光敏電阻的伏安特性曲線如下：光敏電阻電壓A2.3.2 555

10、芯片的介紹圖2-3 555芯片555定時(shí)電路是一種雙極型的時(shí)基集成電路， 工作電源為4.5V 18V,輸出電 流為200mA工作可靠。它含有兩個(gè)電壓比較器，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，一個(gè)放電開(kāi)關(guān)T,比較器的參考電壓由三只5KQ的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電平 比較器C1同相比較端和低電平比較器 C2的反相輸入端的參考電平為 2/3Vcc 和1 / 3Vcc。C1和C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號(hào)輸入并超過(guò)了 2/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出端3腳輸出低電平，同時(shí) 放電，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號(hào)自2腳輸入并低于1/3Vcc時(shí)，觸發(fā)器置位，555 的3腳輸出高電平，同時(shí)

11、放電，開(kāi)關(guān)管截止。Rd是復(fù)位端，當(dāng)其為0時(shí)，555輸出低電平。平時(shí)該端開(kāi)路或接 Vcc。Vco是控制電壓端（5腳），平時(shí)輸出2/3Vcc作為比較器A1的參考電平， 當(dāng)5腳接一個(gè)輸入電壓，即改變了比較器的參考電平，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的另一種 控制，在不接外加電壓時(shí)，通常接一個(gè) 0.01 口的電容器到地，起濾波作用，以 消除外來(lái)的干擾，確保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，將給于腳7的電容器提供低阻放電電路。2.3.3 發(fā)光二極管的介紹圖2-4發(fā)光二極管發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱(chēng)為L(zhǎng)ED由錢(qián)（Gaj）與 神（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管， 當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見(jiàn)光， 因而 可以用來(lái)制成發(fā)光二

12、極管。它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能 轉(zhuǎn)化成光能；發(fā)光二極管與普通二極管一樣 是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴?當(dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后， 從P區(qū)注 入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子， 在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能 量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多， 則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。3、總電路設(shè)計(jì)3.1 電路功能模塊圖如下圖所示，總體設(shè)計(jì)是通過(guò)電源電路為檢測(cè)電路提供合適的工作電壓。根 據(jù)不同的光線強(qiáng)弱，作用于檢測(cè)電路的光敏電阻中，從

13、而實(shí)現(xiàn)555集成電路一施 密特觸發(fā)器光控開(kāi)關(guān)，最終通過(guò) LED燈顯示出相應(yīng)的結(jié)果。圖1電路功能框圖3.2 電源模塊原理選用電腦USB口 4.5-5.5V電源作為整個(gè)電路的供電電源，USB接口共有4根線路如圖3.2圖3.2 USB接口電路其中1、4線為電源的VCCf口 GND 2、3為數(shù)據(jù)傳輸線，可直接引出1、4作為電源的VCCf口 GND®用。3.3 光控開(kāi)關(guān)原理模塊通過(guò)以上方案的比較和選擇，我們最終選擇方案三作為我們的電路設(shè)計(jì)圖 （見(jiàn)圖3）。其中我們將555定時(shí)器的TH和TR引腳接在一起作為輸入，便搭成 了施密特觸發(fā)器構(gòu)成開(kāi)關(guān)控制的模塊。具體連接圖如下：Vo下面具體來(lái)看：-1 一，

14、1）當(dāng) 0 Vi Vcc 時(shí)，由上表，Vci 1,Vc2 0,Vo 1；3,122）當(dāng)Vcc Vi2Vcc 時(shí)，V- 1,Vc2 1,V。保持不變332 .3）當(dāng) Vi Vcc 時(shí)，Vci 0,Vc2 1,V。 0；2Vcc再看從3下降的過(guò)程。121）當(dāng)VCC V 7VCC 時(shí)，VC1 1VC 2 1,VO 0； 33 W1.2）當(dāng) 0 V 3Vcc 時(shí)，VC1 1,VC2 0,VO 1；由上面的分析，可以畫(huà)出如下輸入輸出特性曲線：圖5 施密特觸發(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2VCC 1VCC 1VCC。利用這點(diǎn)，我們可以很好的實(shí)現(xiàn)光控的回差特性。3 333.

15、4電路仿真和分析我們利用proteus畫(huà)出圖3仿真電路圖。當(dāng)光源靠近光敏電阻時(shí)，燈不亮；當(dāng)光源遠(yuǎn)離光敏電阻時(shí)，燈亮。電路板的制作及調(diào)試電路板的制作44.1上圖為我們焊接制作的電路板。4.2 測(cè)試結(jié)果電路板制作完成后要進(jìn)行測(cè)試， 使其滿(mǎn)足要求。 我們測(cè)得光敏電阻的亮電阻阻值約為0.3K,最小暗電阻約為4K。根據(jù)施密特觸發(fā)器的特性，我們?nèi) R 2 （R2RV1）；其中RV1為滑動(dòng)變阻器，R為光敏電阻的阻值。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值可以調(diào)節(jié)光控?zé)舻撵`敏度。當(dāng)用手捂著光敏電阻時(shí)（即光強(qiáng)變暗） ，光敏電阻阻值增大，施密特觸發(fā)器輸出高電平，燈亮；松開(kāi)手時(shí)（即光強(qiáng)變亮）光敏電阻阻值減小，施密特觸發(fā)器輸出低電平

16、，燈熄滅。這跟我們所期望的現(xiàn)象很相符。5 結(jié)束語(yǔ)在本次傳感器課程設(shè)計(jì)中，我們的課題是“簡(jiǎn)易光控?zé)粼O(shè)計(jì)” 。這是一種光照控制照明燈。采用光敏電阻來(lái)感受外界光的強(qiáng)弱并利用電路將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)， 由電信號(hào)的變化利用 555 定時(shí)器接成的施密特觸發(fā)器改變輸出電壓， 從而改變發(fā)光二極管兩端的電壓， 進(jìn)而控制了燈的亮滅。 即實(shí)現(xiàn)了如下功能： 當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)，在光敏電阻檢測(cè)下，施密特觸發(fā)器輸出低電平，燈泡不亮；當(dāng)光照強(qiáng)度較暗時(shí)，經(jīng)光敏電阻調(diào)節(jié)，施密特觸發(fā)器輸出高電平，燈泡自動(dòng)發(fā)亮。此次的課程設(shè)計(jì)使我對(duì)光控?zé)艨刂破鞯墓ぷ髟砑肮ぷ魈攸c(diǎn)都有了進(jìn)一步的了解， 并對(duì)有關(guān)的知識(shí)有了更進(jìn)一步的掌握， 對(duì)它的性能和特點(diǎn)也有

17、了更全面的把握， 明白了很多關(guān)于它的很多理論和實(shí)踐知識(shí)， 其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 工作性能穩(wěn)定，功能容易實(shí)現(xiàn)，其可由常用的電子元器件構(gòu)成，因此成本較低。在此基礎(chǔ)上也確實(shí)存在著一些問(wèn)題與不足， 比如負(fù)載的性能穩(wěn)定問(wèn)題， 光敏電阻的敏感性問(wèn) 題。本次的光控自動(dòng)照明燈的設(shè)計(jì)將我們所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，深化了對(duì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)、 和模擬電子設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)， 使我們?cè)谠O(shè)計(jì)的實(shí)踐中獲得新知。 通過(guò)兩周的理論知識(shí)的復(fù)習(xí)和課設(shè)的實(shí)踐操作，使我對(duì)本專(zhuān)業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域有了更全面的認(rèn)知。 在老師耐心指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下， 讓我學(xué)會(huì)了分析電路、 設(shè)計(jì)電路的步驟以 及計(jì)算機(jī)輔助作圖等。 在此設(shè)計(jì)中利用 555 定時(shí)器原理和光敏效應(yīng)， 讓我們

18、進(jìn)一 步鞏固和掌握前面所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)， 加深對(duì)模擬電路、 數(shù)字電路的理解， 對(duì)元器 件的使用更加清楚。通過(guò)兩周的設(shè)計(jì)， 我們學(xué)會(huì)了更多的專(zhuān)業(yè)知識(shí)， 而且在遇到困難時(shí)， 我們都積極地看教材，去圖書(shū)館查閱資料，去網(wǎng)上搜索相關(guān)信息，直至把每一個(gè)細(xì)節(jié)，每一個(gè)原理都搞清楚弄明白為止， 大大增強(qiáng)了我們的自學(xué)能力以及團(tuán)隊(duì)的合作能力。 同時(shí)我也要感謝老師在課程設(shè)計(jì)上給予我們的指導(dǎo)、 支持和幫助， 這是我們能順利完成這次課設(shè)的主要原因， 尤其是老師對(duì)于技術(shù)上的指導(dǎo)， 讓我們能把系統(tǒng)做得更加完善。在此期間，我學(xué)到了許多新的知識(shí)，而且也開(kāi)闊了視野，提高了自己的設(shè)計(jì)能力。 我也要感謝幫助過(guò)我的同學(xué)們， 他們也為我解決了不少設(shè)計(jì) 上的難題。同時(shí)也感謝學(xué)院為我提供良好的做課程設(shè)計(jì)的環(huán)境。6 參考文獻(xiàn)1 梁福平 . 傳感器原理及檢測(cè)技術(shù). 武漢 : 華中科技大學(xué)出版社,