声光同时控制的路灯照明电路的研制(毕业论文).doc

学 科 类：工 科 学 号：100302030120学校代码：12795 密 级：公 开2014届本科生毕业论文声、光同时控制的路灯照明电路的研制院 系： 电子与信息学院 专 业： 通信工程 姓 名： 指导教师： 答辩日期： 二一四年五月毕业论文诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业论文声、光同时控制的路灯照明电路的研制是本人在指导老师的指导下，独立研究、写作的成果。论文中所引用是他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人独自承担。 作 者 签 名： 指导教师签名： 年 月 日摘要本文阐述了一种简单的声、光同时控制的路灯电路系统的制作。声、光同时控制的路灯电路，其功能为能够自动控制白天开关、夜晚亮灯、人走灯灭。具有灵敏、低耗、性能稳定、使用寿命长、节能等多种特点。本文选择了声敏传感器、光敏传感器作为基本元件，以at89c2051单片机为核心，采用串行a/d对声音信号的采集。综合了声、光和延时控制、工作稳定、节电并可延长灯泡寿命。光敏传感器,声控传感器两种传感器形成了声控、光控两种控制的电路。利用布局和布线规则完成了电路板的制作。实现了电子开关的两种控制，实验结果实现了灯的控制。研制中应用了过零启动技术，开关工作在频繁的开关状态时不易损坏可控硅。本系统中还加入了看门狗电路，在工作的过程中可以起到抗干扰的作用，大大的加强了系统的可靠性及实用性。本设计是由电源电路、声控电路、光控电路和延时控制电路组成。电源电路由照明灯、整流二极管vd4vd7 、电阻器r10、稳压二极管vs和滤波电容器c4组成。声控电路由压电陶瓷片bc、非门集成电路ic（d1d6）内部的d1、d2、电阻器r1r3和电容器c1组成。光控电路由光敏二极管vd1、ic内部的d3、d4和电阻器r9等组成。延时控制电路由电容器c2、c3、电阻器r4r8、ic内部的d5、d6、晶体管v和晶闸管vt组成。交流220v电压经el限流、vd4vd7整流、r10降压、vs稳压及c4滤波后，为ic提供9v直流电压。【关键词】：传感器 声控 光控 节能 单片机abstractthis paper describes the production of a street circuit simple, light and sound control. sound, light and lamp circuit control, its function is to control the switch during the day, night lighting, people walk lamp. sensitive, low consumption, stable performance, long service life, energy saving and other features. this research chose acoustic sensors, light sensors as a basic element, use at89c2051 microcontroller as the core, the serial a/d for voice signal acquisition. combination of sound, light and delay control, stable work, energy saving and prolonging the service life of the bulb. photosensitive sensor, acoustic sensor two sensor form the circuit voice, light two kinds of control. the layout and routing rules to complete the circuit board production. the two control electronic switch, the experimental results achieved control lamp.study of the application of the start of the technology, the switch is not easy to damage when in a state of frequent switching thyristor. this system also joined the watchdog circuit, in the process of work can play a role of anti-interference, greatly enhanced the reliability and practicability of the system.this design is from the power circuit, voice circuit, light control circuit and delay control circuit. power circuit from the lights, the rectifier diode vd4 vd7, resistor r10, zener diode vs and filter capacitor c4. a voice circuit of a piezoelectric ceramic bc, door integrated circuit ic (d1 d6) inside the d1, d2, resistors r1 r3 and capacitor c1. by the photodiode light control circuit vd1, ic internal d3, d4 and resistor r9 and other components. delay control circuit by the capacitor c2, c3, resistor r4 r8, ic internal d5, d6, transistors and thyristors vt v components. ac 220v voltage by el limiting, after vd4 vd7 rectified, r10 buck, vs regulator and c4 filter for ic provides 9v dc voltage. 【key words】：sensor voice optical control energy saving chip microcomputeri目录一、绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 本文的主要工作3二、总体电路设计及其原理说明42.1设计要求42.2总体电路设计7三、单元电路设计与分析13.1电源设计1 3.1.1电源结构设计1 3.1.2 结构原理说明13.2声控部分电路设计2 3.2.1驻极体话筒3 3.2.2声控部分电路工作原理及电路图43.3光控部分电路的设计4 3.3.1光敏三极管简介4 3.3.2光敏三极管功能6 3.3.3光控原理83.4延时处理部分电路的设计9 3.4.1 555定时器10 3.4.2延时电路图及控制原理133.5参数计算14四、电路图绘制与pcb图制作164.1 protel 99 se简介16 4.1.1原理图设计164.2 pcb的生成174.3 pcb最终生成22结论24参考文献26致谢25附录一27 一、 绪论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 课题研究的背景随着千年钟声的敲响,历史的车轮被推进了一个新的世纪21世纪。站在新世纪的门槛上，我们感受到的是高速发展的现代科技。也因如此，照明灯的需求也在不断地发展，人类有意识地采用各种方法改进它。照明，不仅改变了人们“日出而作，日落而息”的生活方式，也充斥丰富了我们的精神世界。是的，也许你不禁要问：“为什么一个小小的照明灯有如此神奇的功效。”我想这要归功它的结构及发明原理啊！这当中到底包含了多少值得我们去探索，发现的奥秘呢？带着这个问题，我们共同选择了这个课题，一起从课题研究中找到答案！如今，照明电路的数量越来越多，使得路灯的用电量占城市用电量的比重越来越大，在用电高峰期时，电网超负荷运行，电网电压都低于额定值，在用电低谷期供电电压又高于额定值，当电压高时不但影响照明设备的使用寿命，而且耗电量也大幅增加，当低谷时，照明设备有不能正常工作。所以，对城市的路灯的设计已经成为了当务之急，特别是午夜之后车流量急剧减少时，应该适当的关闭路灯，节约用电。但是我国的既节能又能延长路灯寿命的技术相比国外却是落后了，因此路灯控制系统的设计对于城市的发展至关重要。本论文旨在设计一套对外界光线和电压信号的采集来控制路灯的自动启停以及智能调压的控制系统，它能对路灯进行稳压、调压、自启动并延长路灯寿命的作用。目前，路灯系统一般采用钠灯、水银灯、金卤灯等灯具。这类灯具有发光效率高、光色好、安装简易等优点，被广泛使用，但同时也存在着诸如：功率因子低、对电压要求严格、耗电量大等缺点。我国目前大部分城市都采用全夜灯的方式进行照明，普遍存在的问题有两点：一方面因为后半夜行人稀少，采用全夜灯的方式浪费太大，因此，有的地方采取前半夜全亮，后半夜全灭的照明方式；有的地方在后半夜采用亮一隔一或亮一隔二的节能措施，此种方式虽然节约了电费支出，却带来了社会治安和交通安全问题，不利于城市安全问题。另一方面，在后半夜因行人稀少，而应该降低路灯的亮度，以避免光源污染，影响居民的晚间的休息。但由于后半夜是用电低谷期，电力系统电压升高，路灯反而比白天更亮了。这不仅造成了能源浪费，还大大影响了设备和灯具的使用寿命。目前，路灯照明广泛采用高压钠灯，其设计寿命在12000小时以上，在正常情况下至少可用3年，但是由于超压使用，现在路灯的使用寿命仅仅只有1年左右，有的甚至只有几个月，造成维护和材料的极大浪费。较高的电压不仅不能让负载设备更好的工作，而且还会造成发热及过早损坏，还会造成不必要的电费开支。作者通过调查发现，在厂矿企业、各种机关、中心广场、学校等单位的公共场所以及居民区的公共街道和楼道，使用长明灯的现象司空见惯，这已经浪费了极大量的能源、资源。与此同时，作者设计了一种电路新颖、节电安全、构造简单、安装便捷、使用时间长的声光双控白炽灯节能路灯。1.1.2 课题研究的意义在本设计中介绍了声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会使灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过几分钟后又自动熄灭，节能节电。随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越重要，而且给人们的生活带来极大的方便。声光控制开关是声音和光控制电路工作的电子开关。它将声音（如击掌声）和光转化为电信号，经放大、整形，输出一个开关信号去控制白炽灯的工作，在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。因为大部分居民居住区和公共场所的公共楼道都在使用机械手动开关，但同时由于种种原因经常出现许多灯泡点亮就长明的普遍现象，所以使得灯泡使用时长变短,浪费电量,为国家、事业单位、家庭和个人造成经济损失。另外由于频繁关开或者其他的人为的因素，使得墙壁开关的损坏率相当高，不仅增大了维修工程量、浪费了大量资金，还十分容易造成事故隐患。因此，设计研制一种电路新颖、安全节能、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。以往的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠，如今单片机技术已经相当成熟，运用单片机可以设计出智能型的声控开关，电路设计好后，运用软件编程来实现其功能，灵活方便，修改简单。1.2 本文的主要工作1.2.1 研究目标在555、光敏三极管、可控硅等基础上，研究声光双控路灯电路，并对电路进行理论和可行性分析，使研究具有一定的理论水平与使用价值。1.2.2 研究内容本电路为一声光自动控制白炽灯开关。当夜晚或者白天光线比较亮的时候，光控的部分会将开关自动关闭，则声控的部分将不起作用。当光线比较暗的时候，光控的部分会将开关自动开启，负载电路的通断部分则受控于声控的部分。看电路是否接通，取决于接收到的声音信号的强度大小。当接收到的声强达到一定程度的时候，路灯电路将自动连接，则白炽灯点亮。这样，通过对环境声光信号的检测与处理，完成对白炽灯的控制。论文共有4章，其具体安排如下：一、绪论主要介绍本课题的研究背景及意义、研究目标及研究内容。二、总体电路设计及其原理说明部分主要介绍了本课题的设计要求以及总体电路的设计。三、单元电路设计与分析介绍各个单元电路的结构以及功能。四、电路仿真与pcb图制作部分利用protel绘制出电路图，最后生成pcb图。二、 总体电路设计及其原理说明2.1设计要求2.1.1 总体要求 本文设计的整个电路是由声控电路、光控电路、放大电路、延时电路和电源电路等部分一起组成的。（1）当晚上或者白天光线比较亮的时候，整个电路将会由光控的部分控制，声控的部分将不起作用。光控电路将输出与光亮程度相对应的电压信号来完成对外界光亮程度进行的检测，从而实现了灯泡在白天是不亮的。即便是此刻有声音被接收到，灯泡也不会亮的。（2）当遇上光线比较暗的时候，声控的部分则开始控制负载电路的通断。声控电路主要将声音信号转变为电流信号，且电路是否处于接通状态1，取决于接收到的声音信号的强度大小。当声强过小，电路不会自动接通，灯泡自然也不会亮。而当声强达到一定程度的时候，电路则自动接通，灯泡自然也就会亮了。 （3）然后在白炽灯被点亮后，延时电路控制延时36秒，当延时时间到，再等待下一次声音信号触发。（4）此外，电路带强切功能，在特殊情况下强制切断。 总体方案如下图图2-1所示。2.1.2 声控电路 声控电路的主要原理：根据电子学和声学的原理来看，即用声音传感器将声音信号转换成电流信号，从而推动了触发器的触发来使电路接通进行工作。 如下这些功能是作为一个智能化声控电路就应该具有的：（1）能在周边声音的控制下实现电路的连接和断开。（2）声音的发出应是多方面的如物体打击声，动物吠声，脚步声等。（3）电路反应的时间应越快越好。为此作者要为该传感器设置传感条件如声音的响度必须在20db以上才能响应，同时在选择电路元器件时应选择灵敏度较高的声音传感器组成声控电路控制电路的前端等等。中间端作者采用触发器构成，利用触发器的不触不发，一触即发的特点去推动照明电路运行，触发器的选择也应选择响应时间短，灵敏度高的触发器如jk触发器，d触发器等等2。开始灯不亮是否到既定光亮程度？否 是光控部分导通灯不亮是否有声控信号输入有无触发555输入高电平晶闸管导通是灯不亮是否强制切断？否灯亮延时灯灭图2-1 电路设计框图2.1.3 光控电路 光控电路主要的原理是：利用其光敏元件随着光照强度的变化，而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强和弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定的程度就将触发触发器使其导通开始工作。这种电路设计方法，对电路元器件的要求也是非常的高，特别是光敏元件。光敏元件是光控电路功能实现的核心部分，必须保证其各项参数的稳定、精确。半导体光敏元件是基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称为光电敏感器。采用的是光、电技术能够实现远距离、快速、无接触和精确测量，所以半导体光敏元件还常用来间接测量能转换成光量的其他化学或物理量。半导体光敏元件按光电效应的不同而分为光生伏打型（见光电式传感器）和光导型3。光导型即光敏电阻，是一种半导体均质结构。光生伏打型包括光控可控硅、光电场效应管、光电池、光电三极管、和光电二极管等，它们属于半导体结构型器件。半导体光敏元件的主要参数和特性有时间、光谱特性、伏安特性、光照特性、光照率、探测率、灵敏度和温度特性以及频率响应特性等，它们主要由工艺、材料和结构决定。半导体光敏元件广泛应用于安全报警、质量检查、机器人、制导、遥感、夜视、摄像、计算技术、光通信、精密测量以及其他测量和控制装置中。常见光敏元件有：光敏三极管、光敏二极管、光敏电阻等。 因此，在设计时不仅须考虑方案的稳定性、可行性，还必须充分考虑元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度很高的，这样电路的功能才能比较容易实现。 2.1.4 延时电路 延时电路的主要原理：利用电子计数器的原理可以实现定时功能。 延时电路的构成方案一般有三种：（1）硬件的构成；（2）软件的构成；（3）软硬相结合构成。对于由硬件构成的定时器，一般是用改变c、r元件值控制定时的，其效率较高，但通用，灵活性较差；而由软件构成的定时器是用执行一段程序来实现定时，它的灵活性通用性较高，但效率比较差；因此现在设计定时器一般是采用软硬相结合的方法，通过编程来设定不同的延时常数，而由硬件控制定时过程，比如51单片机通过编程构成计数器，大规模集成电路可编程计数器8253等。延时电路的设计主要是为了完善电路的功能，所以在延时结束后应发出一个结束的信号，来控制电路是否继续导通工作。2.2总体电路设计2.2.1原理框图声源声电转换电源放大处理延时执行机构光源图 2-2 延时电路原理框图2.2.2 电路设计根据设计要求及原理，设计出电路原理图，如图2.2.2所示： 图2-3 延时电路原理图 电路主要由555集成电路和声、光控专用集成电路组成。（1）白天或夜晚光线较亮时，q4接收到光信号，输出低电平，使得555的3脚输出低电平，scr截止，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用4。（2）当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，q4的b极处于高电平状态，高电平再次放大使得q5的c极为低电平555的4脚接收到高电平，同时声音信号从mic输入，经三极管放大输入到555的2脚，触发555的3脚输出高电平触发scr导通，使电源部分导通，灯亮。负载电路的通断同时受控于声控部分和光控部分。电路是否接通，取决于光照的强度以及声音信号强度。当光照和声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次信号。28三、 单元电路设计与分析3.1电源电路的设计电路工作是否稳定，电路功能是否能实现，不仅仅取决于电路元器件，还和外加电源有关。3.1.1电源结构设计电源电路的种类繁多，如端稳压器稳压；lc、rc滤波；桥式整流全波整流；变压器降压等。具体采用什么电路合适，则根据主体电路及执行机构不同和有效益、价廉、可靠等要求进行选用。 根据本文廉价、实用、安全的特点，其电源的设计结构如下图3-1所示： 降压稳压滤波整流图3-1 电源电路的设计结构图3.1.2 结构原理说明因为ic555的供电电压为直流4.516v，而作者用家用的交流220v供电。所以需要降压、整流。因为整流后的波形纹波很大，所以需要滤波5。滤波后得到较平滑的直流，给ic555供电不稳定，需进一步稳压。此电源比一般简单的稳压电路更实用，成本更低，使用寿命更长。（1）整流桥简介整流桥就是将整流管封在一个壳内了，分全桥和半桥。全桥是将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起。半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起，用两个半桥可组成一个桥式整流电路，一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路。选择整流桥要考虑整流电路和工作电压。整流桥堆一般用在全波整流电路中，它又分为全桥与半桥。全桥是由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的。 全桥的正向电流有0.5a、1a、1.5a、2a、2.5a、3a、5a、10a、20a、35a、50a等多种规格，耐压值（最高反向电压）有25v、50v、100v、200v、300v、400v、500v、600v、800v、1000v等多种规格。（2）电路图及原理根据电源结构图设计出具体的电源电路，如图3.1.2所示：图3-2 电源电路结构图降压稳流部分由r3c1、整流桥d2,d3,d4,d5和滤波电容c2组成，交流220v输入，经r3(220k)降压，经d2,d3,d4,d5整流桥全波整流6，c6（220f）大电解电容滤波，滤波后得到纹波较大的直流信号，然后d7与c8对此信号进行稳压，稳压后得到+9v的电压，为电灯控制电路提供了工作电压。3.2声控部分电路设计作为声控部分的设计，必然少不了一个在无光照和拾取到声音时把电路导通，从而达到点亮灯起到照明作用的电子元件。这个电子元件就是驻极体话筒mic。3.2.1驻极体话筒（1）驻极体话筒的工作原理驻极体话筒一般由结型场效应与驻极体管组合而成。驻极体是由进行特殊处理的高分子材料组成，这些高分子材料表面具有永久电荷（q）。驻极体结构有空隙、背极、振膜三部分，这样在背极与振膜间形成一个具有定量电荷的电容结构。当说话时，会引起背极与振膜间的距离(d)变化，据c=s/d可知，将使电容(c)变化，据u=q/c可知，极板间电压会变化，从而引起结型场效应管的g、s间电压变化，在d、 s间产生放大的电信号。（2）驻极体话筒的结构话筒的基本结构是由一个上面有若干小孔的金属电极（背称为背电极）与一片单面涂有金属的驻极体薄膜构成。背电极与驻极体面相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以驻极体和空气隙作绝缘介质，以驻极体和背电极上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：q=cu 所以当c变化时必然引起电容器两端电压u的变化，从而输出电信号，实现声电的变换7。驻极体话筒具有结构简单，电声性能好，价格低廉，体积小，应用非常广泛的特点。驻极体话筒的内部结构如图3.2.1所示。由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路的接法有两种：漏极输出和源极输出。源极输出有三根引出线，源极s经电阻接地，漏极d接电源正极，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引出线，漏极d经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极s直接接地。因此，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。（3）驻极体话筒的检测方法方法一：因为在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极d和源极s。将万用表拨至r1k档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。方法二：将驻极体话筒加上正常的偏置电压，将万用表拨到rx100档，用两表笔分别接两芯线，相当于给内部漏极、源极间加电压，此时，万用表指针应在一定的刻度上。然后对话筒吹气，如果指针有一定幅度的摆动，说明驻极体话筒完好，如果阻值为零，则话筒内部短路。如果直接测试话筒引线无电阻，说明话筒内部可能开路。如果无反映，则该话筒漏电。图3-3 驻极话筒的结构图 3.2.2声控部分电路工作原理及电路图白天，因为光控电路阻断，所以，无论多大声，灯都不会亮。到夜晚，光控电路导通，当人走动的脚步声传到传声器mic时，声波转换为电信号，经三极管q3放大，使灯亮。若声控灵敏度偏低，可增大r10阻值，或换高放大倍数的三极管。本系统放大整形电路设计结构如图3-4所示。3.3光控部分电路的设计3.3.1光敏三极管简介以接受光的信号而将其变换为电气信号为目的而制成之晶体管称为光敏三极管,也叫光电三极管,英文名是photo transister。光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用8。图 3-4 放大整形电路设计结构图当具有光敏特性的pn 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。发射区和基区之间的pn结叫发射极，集电区和基区之间的pn结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，pnp型三极管发射区发射的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；npn型三极管发射区发射的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是pn结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有pnp型和npn型两种类型。虽然重点学习了晶体管的放大作用，但是作者对晶体管的开关作用更感兴趣。半导体就像一个开关，可以通过导通与截止来控制电路。半导体通过添加一部分微量元素会使其特性发生翻天覆地的变化。光敏晶体管就是一种重要的衍生物。视觉是人体最重要的感觉，因此，作者觉得通过光来控制电路真是太精妙了，而光敏的二极管三极管恰好就完成这个任务。因为光敏三极管由于还具有放大作用，因此应用比二极管更加广泛。 光敏三极管用于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。对于半导体二极管和三极管，通过解了晶体管的基本结构和工作原理，晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的pn结，两个pn结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有pnp和npn两种，从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。3.3.2光敏三极管功能光敏三极管一般在基极开放状态使用(外部导线有两条线的情形比较多)，而将电压施加至集极、射极的两个端子，以便将逆偏压施至集极接合部。在此状态下，光线入射到基极的表面时，受到反偏压的基极、集电极间即有光电流(i)流过，发射极接地的晶体管的情形也一样，电流以晶体管的电流放大率(hfe)被放大而成为流至外部端子的光电流(ic)，为便于了解，请参照图3-5 所示达林顿晶体管工作情况；电流再经过次段的晶体管的电流放大率被放大，其结果流至外部导线的光电流即为初段的基极、集极间所流过的光电流与初段及后段的晶体管的电流放大率三者的积9。 图3-5 达林顿晶体管工作情况（1）光敏三极管的结构及外形最普遍的外形如图3-6 所示。罐形封闭(can seal)之光敏三极管多半将半导体晶方装定在to-18或to-5封装引脚座后，利用附有玻璃之凸透镜及单纯的玻璃窗口的金属罩封闭成密不透气状态。（2）光敏三极管的种类由外观上如图3.3.2.2所示，可以区分为罐封闭型与树脂封入型，而各型又可分别分为单纯附有窗口的型式及附有透镜的型式。就半导体晶提来说，材料有锗(ge)与硅(si)，大部份为硅10。在晶方构造方面，可分为达林顿晶体管型与普通晶体管型。再从用途加以分类时，可以分为需要直线性的光敏三极管与以交换动作为目的的光敏三极管，但光敏三极管的主流为交换组件，需要直线性时，通常使用光二极管。 罐封闭型(玻璃窗口) 罐封闭型(玻璃透镜)树脂封入型(平导线透型) 树脂封入型(单端窗) 图3-6光敏三极管的结构及外形（2）光敏三极管的种类由外观上如图3.3.2.2所示，可以区分为罐封闭型与树脂封入型，而各型又可分别分为附有透镜的型式及单纯附有窗口的型式。就半导体晶提来说，材料有硅(si)与锗(ge)，大部份为硅10。在晶方构造方面，可分为普通晶体管型与达林顿晶体管型。再从用途加以分类时，可以分为以交换动作为目的的光敏三极管与需要直线性的光敏三极管，但光敏三极管的主流为交换组件，需要直线性时，通常使用光二极管。（3）光敏三极管的选用在实际选用光敏三极管时，应注意按参数要求选择管型。如要求灵敏度高，可选用达林顿型光敏三极管；如要求响应时间快，对温度敏感性小，就不选用光敏三极管而选用光敏二极管。探测暗光一定要选择暗电流小的管子，同时可考虑有基极引出线的光敏三极管，通过偏置取得合适的工作点，提高光电流的放大系数。例如，探测10-3勒克斯的弱光，光敏三极管的暗电流必须小于0.1na。部分国产光敏三极管参数如下表3-1： 型号允许功耗mw最高工作电压 u/v暗电流 i/a光电流 ma峰值响应波长 m测试条件i=iu=u1000ixu=10v3du1170100.30.510.883du1250303du13100503du131001000.20.513du2130100.3123du2250303du23100503du3170100.323du3250303du33100503du5130100.20.5表3-1 部分国产光敏三极管参数本文的光敏三极管q4选用的是暗电流id较小，光电流ic较大的3du51。3.3.3光控原理所谓光控就是利用光敏三极管对不同光照呈现的阻抗不同，对时基电路555的四脚进行高低电平的控制，或处于等待触发状态，或处于强制复位状态。夜晚光暗，此时q4呈高阻而截止，q5无偏置电流，呈截止状态。555的4脚呈高位，使555触发器处于单稳态触发状态，此时如果有声响，经拾音，放大，倍压整流后，正极性信号使q1饱和倒通，下跳变信号加之555的二脚使555翻转置位11。3脚由原来的低电平变为高电平（约+8.5v），经r7限流后触发双向可控硅scr1并倒通，电灯点亮。白天光照q4呈低阻，q2正偏置而饱和倒通。其集电极电位，即555的4脚被钳制在0.3v左右，从而是555处于强制复位状态，此时不管2脚有多大的触发电平，555均不会翻转置位。可控硅不会触发倒通，电灯无电不亮。电路原理图如图3-7所示：图3-7 光控电路原理图3.4延时处理部分电路的设计以555为中心的延时电路多而常见，它电路结构简单，外围元件少，工作稳定。电容延时就是rc延时，利用电容的充放电调节rc时间常数来完成，一般要配合另外的一个触发电路来达到延时控制，实际上555延时电路就是用的rc充放电。继电器延时在强电领域有时间继电器等，利用的是电磁原理。在弱电领域一般以固态继电器为主，但是它也只是一种控制器件。另外在数字电路中，利用震荡器和计数器也可以做成相当精确的延时电路。如果考虑成本，可以直接用rc延时，另外加上一个三极管就构成了一个延时控制电路。如果考虑性能但又不是很高，可以用555。如果是在高精度的场合，如数字取样等，那就要用数字式的延时电路。根据本设计的思想，应该使用更为简单，更为便宜而且性能也比较可靠的555延时电路。3.4.1 555定时器555定时器是一种将数字功能和模拟功能集为一体的中规模集成电路。它的结构比较简单，使用却非常灵活，也很方便，可以用它构成多谐波振荡器、施密特触发器和施密特触发器等。用555定时器构成的各种电路，都是通过定时控制，实现信号的产生与变换，从而完成其他控制功能。一般用双极性工艺制作的称555，用cmos工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5v16v工作，7555可在318v工作，输出驱动电流约为200ma，因而其输出可与ttl、cmos或者模拟电路电平兼容。 555 定时器性能可靠，成本低，只需要外接几个电容、电阻，就可以实现施密特触发器、单稳态触发器及多谐振荡器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于自动控制、电子测量、家用电器及仪器仪表等方面。它内部包括一个放电管t及功率输出级，一个rs触发器，三个等值串联电阻，两个电压比较器。它提供两个基准电压2vcc/3和vcc/3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 rs放电管和触发器的状态。在地与电源之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器a1的反相输入端的电压为 2vcc/3，a2 的同相输入端的电压为vcc/3。如果阈值输入端 th 的电压大于2vcc/3，同时 tr 端的电压大于vcc/3，则 a1 的输出为 1，a2 的输出为 0，可将 rs 触发器置 0，使输出为 0电平。若触发输入端tr的电压小于vcc/3，则比较器 a2 的输出为 1，可使 rs 触发器置 1，使输出端 out=1。555定时器主要是与电阻电容构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容上的电压以确定输出电压的高低和放电开关管的通断，可构成单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生电路。（1）555定时器的结构各种555定时器的电路结构大同小异，它由比较器c和c、基本触发器和输出级三个部分组成，外部共有8根引脚，各脚的名称和功能如下：1脚为接地端，也是芯片的公共端；8脚为电源端v；3脚为信号输出端v；7脚为放电端。如果经过一个足够大的电阻街道电源上那么放电端可获得一个与输出端相一致的电平。图3-8 555定时器的内部结构4脚为直接复位端。只要在此输入低电平，输出端立即被置为低电平，不受其他输入状态的影响。正常工作时接高电平可直接接到电源上126脚为c比较器的信号输入端v又称阈值段th；2脚为c比较器的信号输入端v又称为触发端。它们输入的信号可以是数字信号也可以是模拟信号，分别与比较器所设置的参考电压进行比较便于控制输出状态。5脚为控制电压输入端v。如果v端没有外加电压时两个比较器的参考电压，由电源电压经过三个等值电阻分压提供，则v=v，v=v。在这种情况下，该端可通过电容（0.01f）接地，防干扰信号窜入。如果该端接入外电压v时，则，v= v， v=v，因此v可改变参考电压值v。（2）芯片功能 若=0，不管其它输入如何输出端都为低电平。 若=1，当v()v且v(v)时，比较器c输出为0，c输出为1，即v=0，v=1，基本rs触发器状态q置成0，输出v为低电平；同时放电管t导通。若=1，当v()v且v(v)时，比较器c、c输出都为0，即v=v=0，基本rs触发器状态q=1，输出低q端为高电平，v也输出为高电平，同时放电管t截止，放电端没有放电回路。 若=1，当v()v且v(v)时, 比较器c输出为1，c输出为0，即v=1，v=0，基本rs触发器状态q置成高电平，v也输出为高电平，同时放电管t截止，放电端没有放电回路。若=1，当v(v)时，比较器c、c输出都为1, 即v=v=1, 基本rs触发器状态q保持不变，v和放电管状态会保持不变。 输入各级输出t状态vvvv触发器输出q输出vt状态00低电平导通1()v(v)010低电平导通1()v(v)001高电平截止1()v(v)100高电平截止1()v(v)11q不变不变表3-2 芯片功能表（3）555定时器连接的施密特触发器用555定时器连接成施密特触发器，端2和端6接在一起作为输入信号，5端和8端接接直流电源，4端接电容，即可得到施密特触发器。为了提高其稳定性常在4端接0.01左右的电容13。6端和2端处的输入信号为v当vv时，v=1，v=0，q=1，故v=v；当v vv以后，v=0，q=0，故v=v；因此v=v。其次，再看v从高于v开始下降的过程：当v vv时，v=v=1，v=v保持不变；当vv以后，v=1，v=0，q=1，故v=v；因此v=v由此得到电路回差电压为v= v- v=v如果参考电压由外接电压v供给，则不难看出这时v= v，v=v，v=v。通过改变v值可以调节回差电压的大小。3.4.2延时电路图及控制原理 （1）单稳态延时电路有如下特点： 单稳态延时电路只有一个稳定状态，一个暂稳态。 在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。 由于电路中rc延时环节的作用，该暂稳态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于rc的参数值。 （2）双稳态电路的特点是： 它有两个稳定状态，在没有外来触发信号的作用下。电路始终处于原来的稳定状态。由于它具有两个稳定状态，故称为双稳态电路。 在外加输入触发信号作用下，双稳态电路从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。通过比较，单稳态延时电路比起双稳态延时电路要简单、实用，更符合本次设计的要求，所以应选择单稳态延时电路作为延时电路。ne555和r8、c7等组成单稳态延时电路。电灯点亮的时间即单稳态延时电路触发后高电平持续的时间（稳态时间），他取决于单稳态电路的时间常数，其大小为， td=1.1（r8）（c7）图示3-9所示电路的单稳态时间为36s，即电灯点亮后36秒后熄灭。降压电容选用耐压400v以上的金属化纸介电容器。图 3-9 延时电路图3.5参数计算在进行电路设计时，应根据电路的性能指标要求决定电路元器件的参数。例如根据电压放大倍数的大小，可决定反馈电阻的取值14；根据延时时间要求，利用公式，可计算出决定时间大小的电阻和电容之值等等。但一般满足电路性能指标要求的理论参数值不是惟一的，设计者应根据元器件性能、价格、体积、通用性和货源等方面灵活选择。计算电路参数时应注意以下几点：（1）对于电阻、电容参数的取值，应选计算值附近的标称值；非电解电容器一般在100pf0.47f选择；电解电容一般在1f2000f范围内选用。（2）计算元器件工作电流、电压和功率等参数时，应考虑工作条件最不利的情况，并留有适当的余量。（3）对于元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般取1.52倍的额定值。（4）在保证电路达到功能指标要求的前提下，尽量减少元器件的品种、价格、体积等。（5）设计已确定的参数指标为： 额定电压：220v ；额定电流：1a ； 光线强度 10lx ，触发电压 0 20db( 可调 )； 亮灯持续时间： 36s5s ； 静态功耗： 0.3w;；动态功耗 :0.9w( 不包括 q3 的功耗 ) 。四、 电路图绘制与pcb图制作4.1 protel 99 se简介本文采用的电路图绘制及pcb图制作软件是protel 99 se。protel 99 se就是由早期protel版本发展而来的，是基于windows95/98/2000/xp环境的新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电路原理图设计、印制电路电路板设计、无网格布线器、可编程逻辑器件设计、电路图模拟/仿真等。它是集电路设计与开发环境于一体的软件。protel 99 se设计系统是一套建立在pc环境下的eda（electronic ddsign automation）电路集成设计系统。protel 99 se的主要功能模块包括电路原理图设计、pcb板设计和电路仿真器件设计，各模块具有丰富的功能，可以实现电路设计与分析的目的。4.1.1电路原理图的设计（1）选取元器件:根据原理图中所需选取合适的元器件。一般经常用到的元器件在常用元件中都可以找到，但是有些元器件在里面是找不到的或者是找不到合适的，作者可以将不合适的元器件进入edit编辑，将其改动为作者所需要的，没有的就只有自己手动制作元器件了，在原理图设计当中作者就自己做了个继电器15。（2）布局: 将各元器件根据设计需要摆放在合理的位置，使原理图在不影响工作的情况下看起来美观。（3）布线：将元器件各管脚，根据电路所需连接起来。一般情况下可以用wire直接布线，它具有电器规则，有些电路图还用到总线bus和netlablle，bus不具有电器规则，netlablle具有电器规则。（4）封装：属性设置，既根据电路原理图所需，选取合适的封装。在这一部分作者用了大量的时间，因为封装如果有错误，就直接会影响到后面pcb的生成。封装库中的封装