毕业设计论文：智能视力保健台灯.doc

-i- 智能视力保健台灯（毕业设计论文） 摘 要 台灯是晚上办公、学习场所必不可少的照明工具。然而，普通的台灯光线 强度只有一种。当室内环境光线的强弱改变时，台灯的光线强度不能改变，长 期使用会对视力产生不良的影响。因此，一种新型视力保健台灯应运而生，它 采用触摸开关控制，可在开灯后其亮度由暗逐渐变亮；关灯时亮度逐渐变暗， 减小对眼睛的刺激，延长灯泡的使用寿命；可检测环境光线强度，自动调整灯 光亮度，使眼睛不易疲劳，保护视力，并可手动调光，使用十分方便。电路主 要由触摸开关电路、同步触发电路、调光缓变电路、自动和手动调光电路、 led 光源电路组成。 关键词：视力保健台灯；触摸开关控制；调光缓变电路；led 光源；自动调光 电路 abstract table lamps, night office, study site lighting tools is essential, however, the average light intensity is only one lamp. when the intensity of light changes in indoor environment, the lamps light intensity can not change the long-term use will have an adverse effect on visual acuity. therefore, a new eye care lamps came into being, which uses touch-switch control, the brightness in the dark after the lights gradually brighten; lights gradually dimmed the brightness, reduce stimulation of the eyes, extend the use of light bulbs life; can detect ambient light intensity and automatically adjusts the light levels so that the eye is not easy fatigue, protect eyesight and can manually adjust light, easy to use. circuit mainly by the touch -ii- switch circuit, synchronous starting circuit, dimming slowly varying circuits, automatic and manual dimming circuit, led light source circuit. keywords:eye care lamps;touch switch;dimmer slowly varying circuit ;led light source; automatic dimming circuitry 目 录 摘 要 .i abstract.ii 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题背景 1 1.2 立体目的和意义 1 1.3 技术指标及要求 2 1.3.1 技术指标 2 1.3.2 任务要求 2 本章小结 .2 第 2 章 方案论证 3 2.1 方案选择 3 2.2 方案框图 4 本章小结 .4 第 3 章 单元电路的设计 5 3.1 触摸开关电路设计 .5 3.1.1 cd4013-双上升沿 d 触发器的引脚图及引脚功能 .5 3.1.2 cd4013-双上升沿 d 触发器构成的单稳态电路工作原理 .7 3.1.3 cd4013-双上升沿 d 触发器构成的双稳态电路工作原理 .7 3.2 整流稳压电路设计 8 3.2.1 整流桥的介绍 8 3.2.2 稳压二极管介绍 9 3.3 同步触发电路设计 .10 -iii- 3.3.1 单结管震荡电路 11 3.4 调光缓变电路设计 12 3.4.1 电容的选择 12 3.5 测光电路设计 .13 3.5.1 光敏电阻的介绍 14 3.6 led 光源电路设计 .15 3.6.1 发光二极管介绍 15 本章小结 .16 第 4 章 整机电路的工作原理 17 4.1 整机电路的原理 17 本章小结 .17 第 5 章 电路的安装与调试及元器件的检测 18 5.1 整机电路安装步骤 18 5.2 电路的检测与调试 18 5.2.1 电路的检测 18 5.2.2 整机的调试 19 5.3 元件的检测 .20 5.3.1 电容器的检测 .20 5.3.2 发光二极管及整流二极管的检测 .20 5.3.3 三极管的检测 .21 5.3.4 电阻器与电位器的检测 .21 本章小结 .22 结 论 23 致 谢 24 参考文献 25 附录 1 译文 .26 附录 2 英文参考资料 .28 附录 3 整机原理图 .31 附录 4 元器件表 .32 xxx 大学毕业设计（论文） -1- 第 1 章 绪 论 1.1 课题背景 随 着 经 济 水 平 的 不 断 提 高 ， 视 力 健 康 问 题 已 经 成 为 人 们 关 注 的 焦 点 ， 据 教 育 部 发 布 的 2009 年 学 生 体 质 健 康 监 测 结 果 公 告 显 示 ， 学 生 视 力 不 良 检 出 率 居 高 不 下 。 其 中 ， 7 至 12 岁 小 学 生 视 力 不 良 检 出 率 为 32.5%， 初 中 生 视 力 不 良 检 出 率 为 59.4%， 高 中 生 视 力 不 良 检 出 率 为 77.3%。 记 者 从 各 大 医 院 眼 科 门 诊 了 解 到 ， 周 末 两 天 ， 前 来 就 诊 的 病 号 特 别 多 ， 更 令 人 担 忧 的 是 ， “小 病 号 ”呈 逐 年 上 升 趋 势 。 近 视 已 成 为 威 胁 青 少 年 学 习 、 生 活 、 参 军 乃 至 未 来 前 途 的 一 大 “杀 手 ”。 眼 科 专 家 分 析 认 为 ， 长 期 以 来 学 生 课 业 负 担 过 重 ,不 得 不 早 起 晚 睡 ， 光 线 太 强 或 太 弱 导 致 眼 疲 劳 过 度 ， 是 导 致 近 视 的 主 要 原 因 ， 于 是 一 种 新 型 视 力 保 健 台 灯 应 运 而 生 ， 这 种 台 灯 采 用 触 摸 开 关 控 制 ， 可 在 开 灯 后 其 亮 度 由 暗 逐 渐 变 亮 ； 关 灯 时 亮 度 逐 渐 变 暗 ， 减 小 对 眼 睛 的 刺 激 ， 可 检 测 环 境 光 线 强 度 ， 自 动 或 手 动 调 整 灯 光 亮 度 ， 使 眼 睛 不 易 疲 劳 ， 保 护 视 力 ， 使 用 十 分 方 便 ； 同 时 由 于 使 用 led（ 发 光 二 极 管 ） 作 为 光 源 ， 使 灯 使 用 寿 命 大 大 延 长 ， led 作 为 一 种 半 导 体 器 件 耗 电 相 当 低 ， 超 低 功 耗 （ 单 管 0.03-0.06 瓦 ） ， 电 光 功 率 转 换 接 近 100%。 一 般 来 说 led 的 工 作 电 压 是 2-3.6v， 工 作 电 流 是 0.02-0.03a； 这 就 是 说 ， 它 消 耗 的 电 能 不 超 过 0.1w， 相 同 照 明 效 果 比 传 统 光 源 节 能 80%以 上 ， 不 仅 省 钱 同 时 也 符 合 国 家 节 能 减 排 的 要 求 ， 是 未 来 社 会 照 明 的 一 大 趋 势 。 1.2 立体目的和意义 光 学 专 家 王 大 衍 院 士 警 告 ： 我 们 要 重 视 光 污 染 ， 要 加 强 绿 色 照 明 ， 保 护 眼 睛 免 受 强 光 的 伤 害 、 弱 光 下 眼 睛 的 过 度 疲 劳 。 当 前 ， 因 照 明 不 善 造 成 的 青 少 年 近 视 患 者 越 来 越 多 。 保 护 我 们 人 类 的 “心 灵 之 窗 ”已 经 成 为 一 项 重 大 工 程 ， led 视 力 保 健 台 灯 是 利 用 光 电 转 换 器 、 触 摸 开 关 控 制 和 调 光 原 理 ,可 及 时 定 量 判 别 某 一 工 作 面 的 照 明 是 否 符 合 照 度 标 准 的 要 求 。 如 果 过 亮 或 太 暗 , 可 根 据 光 线 的 强 度 自 动 调 节 灯 亮 度 ， 从 而 对 人 的 视 力 进 行 保 护 。 led 作 为 点 光 源 ， 是 超 级 节 能 环 保 、 超 长 寿 命 的 新 型 绿 色 光 源 ， 与 传 统 白 炽 灯 、 日 光 灯 、 相 比 节 能 达 80%以 上 ， 据 有 关 专 家 及 权 威 报 道 ， led 光 源 不 但 节 能 环 保 而 且 不 含 汞 、 铅 及 紫 外 线 有 害 辐 射 ， 避 免 了 对 环 境 的 二 次 污 染 ， 杜 绝 了 因 （ 荧 光 管 节 能 灯 、 日 光 灯 ） 的 过 量 电 磁 辐 射 等 有 害 因 素 而 诱 发 皮 肤 病 、 黑 斑 病 、 体 内 功 能 紊 乱 等 疾 病 的 发 生 。 led 光 源 ， 自 然 纯 净 、 节 能 环 保 、 无 任 何 辐 射 ， 是 我 国 “十 一 五 ”计 划 重 点 推 广 应 用 节 能 环 保 的 新 型 光 源 之 一 。 发 光 效 率 高 ， 光 线 持 续 稳 定 。 无 频 闪 、 无 眩 光 ， 无 高 频 电 磁 辐 射 ， 这 种 节 能 灯 泡 xxx 大学毕业设计（论文） -2- 对 视 力 有 极 大 的 保 护 作 用 ， 尤 其 是 对 需 要 长 期 用 眼 的 学 生 的 视 力 有 极 大 的 保 护 作 用 ， 能 有 效 地 预 防 近 视 。 1.3 技术指标及要求 1.3.1 技 术 指 标 (1)开灯后其亮度由暗逐渐变亮；关灯时亮度逐渐变暗； (2)控制 40 个 led 灯； (3)自动调整灯光的亮度或可手动调光； (4)渐 亮 与 渐 灭 时 间 约 5 秒 1 秒 ； 1.3.2 任务要求 (1) 电 源 电 压 220v； (2) 独 立 完 成 自 己 的 设 计 ， 原 理 性 的 可 以 参 考 一 些 课 外 知 识 ； (3) 力 求 做 到 电 路 简 单 可 靠 ； (4) 要 尽 量 增 加 电 路 的 功 能 ； (5) 通 过 对 不 同 方 案 的 比 较 ， 选 择 比 较 适 合 你 的 设 计 思 路 的 方 案 ； (6) 要 尽 量 用 应 所 学 过 的 知 识 进 行 设 计 和 分 析 ； 本章小结 本章主要介绍了此次课题的背景、立体目的和意义、主要技术指标。从 本课题的技术指标来看，基本功能比较容易实现，但仍就需要我们进一步学习 和巩固所学的专业知识，注重培养自己的动手能力和分析电路原理图的能力。 xxx 大学毕业设计（论文） -3- 第 2 章 方案论证 2.1 方案选择 方 案 一 ： 根 据 课 题 要 求 触 摸 开 关 电 路 可 采 用 分 立 元 件 来 实 现 ， 若 采 用 分 立 元 件 实 现 ， 那 么 该 电 路 将 具 有 结 构 简 单 、 电 路 构 建 方 便 、 结 构 紧 凑 等 特 点 ， 但 是 分 立 元 件 电 路 必 须 考 虑 系 统 的 可 靠 性 和 实 用 性 ， 即 电 路 是 否 可 以 长 时 间 运 作 。 根 据 分 立 元 件 传 统 完 善 的 设 计 方 法 ， 分 立 元 件 电 路 要 长 时 间 稳 定 的 工 作 ， 必 须 提 高 应 用 系 统 的 可 靠 性 ， 提 高 可 靠 性 须 选 用 质 量 高 的 元 器 件 ， 设 计 上 留 有 余 地 ， 工 艺 严 格 把 关 ， 产 品 例 行 试 验 。 因 此 势 必 造 价 高 ， 所 用 元 件 多 。 方 案 二 ： 根 据 电 路 的 设 计 要 求 ， 还 可 采 用 集 成 电 路 cd4013 来 实 现 led 视 力 保 健 台 灯 触 摸 开 关 电 路 的 设 计 。 视 力 保 健 台 灯 组 成 框 图 如 图 2-1 所 示 ， 它 主 要 由 六 部 分 组 成 ： （ 1） 整 流 稳 压 电 路 ： 将 220v 交 流 电 转 换 成 电 路 所 需 直 流 电 ， 稳 压 电 路 的 性 能 决 定 电 路 的 稳 定 性 ， 是 电 路 长 时 间 工 作 的 保 障 。 （ 2） 同 步 触 发 电 路 ： 通 过 电 容 上 的 充 放 电 速 度 ， 来 改 变 晶 闸 管 触 发 相 位 角 ， 使 得 晶 闸 管 的 导 通 角 不 同 ， 从 而 使 led 灯 泡 的 亮 度 也 不 同 。 同 时 ， 改 变 可 变 电 阻 器 的 阻 值 或 改 变 三 极 管 的 内 阻 ， 即 可 改 变 容 得 充 放 电 速 度 ， 达 到 调 光 的 目 的 。 （ 3） 调 光 缓 变 控 制 ： 通 过 电 容 的 充 放 电 ， 来 控 制 三 极 管 的 截 止 和 饱 和 ， 使 其 内 阻 随 着 三 极 管 的 截 止 和 饱 和 改 变 ， 来 控 制 led 灯 泡 渐 亮 渐 灭 。 （ 4） 测 光 电 路 ： 光 敏 电 阻 采 集 外 界 光 线 的 强 弱 ， 来 改 变 电 阻 值 大 小 ， 从 而 达 到 自 动 调 节 灯 泡 亮 暗 的 过 程 ， 同 时 可 以 保 证 当 光 线 强 度 突 然 变 化 时 ， 灯 泡 的 亮 度 不 会 突 然 变 化 。 （ 5） 触 摸 开 关 电 路 ： 触 摸 开 关 电 路 是 由 d 触 发 器 cd4013 及 其 外 围 元 件 组 成 的 单 稳 态 触 发 器 和 双 稳 态 触 发 器 构 成 ， 每 触 发 一 次 金 属 片 ， 触 发 器 的 输 出 状 态 就 翻 转 一 次 ， 控 制 晶 闸 管 的 导 通 、 关 断 ， 从 而 控 制 了 台 灯 的 开 关 。 （ 6） led 光 源 电 路 ： 依 靠 led 的 发 光 特 性 提 供 照 明 所 需 亮 度 ， 照 度 应 在 100ix 以 上 。 通 过 两 种 方 案 的 比 较 ， 考 虑 到 电 路 的 稳 定 性 、 可 靠 性 、 经 济 性 和 实 用 性 ， 可 以 看 出 集 成 电 路 更 适 合 本 次 电 路 的 设 计 。 因 此 决 定 采 用 方 案 二 实 现 此 次 电 路 的 设 计 ， 并 且 使 用 cd4013 作 为 电 路 的 触 摸 开 关 电 路 核 心 。 xxx 大学毕业设计（论文） -4- 2.2 方案框图 图 2-1 视力保健台灯电路的方框图 框图原理:电源接通后，当人体接触触摸开关时晶闸管导通，12v 电压开始 供电，此时调光缓变电路开始动作，灯的亮度逐渐由暗变亮，同时测光电路检 测环境温度，自动调整灯光的亮度；还可根据个人喜好进行手动调光，不论调 光缓变、测光，还是手动调光都是由同步出发电路控制加在 led 两端的电压来 实现的；当再次接触触摸开关时，12v 电源停止供电，灯的亮度逐渐变暗。 本章小结 本 章 通 过 集 成 电 路 和 分 立 元 件 电 路 的 优 缺 点 比 较 ， 确 定 了 本 次 电 路 设 计 方 案 ， 采 用 集 成 电 路 cd4013 实 现 触 摸 开 关 功 能 。 主 要 原 因 是 ： cd4013 及 其 外 围 电 路 具 有 功 耗 低 、 实 用 性 强 、 开 关 速 度 快 、 抗 干 扰 能 力 强 、 工 作 电 压 范 围 宽 、 成 本 低 、 质 量 可 靠 等 优 点 。 cd4013 非 常 容 易 实 现 ， 脉 冲 的 产 生 、 整 形 、 变 换 ， 并 且 检 测 和 控 制 也 很 便 利 。 220v 电源 触摸开关电路 同步触发及延时电路 调光缓变电路 测光电路 手动调光电路 led 光源 整流稳压电路 xxx 大学毕业设计（论文） -5- 第 3 章 单元电路的设计 视 力 保 健 台 灯 电 路 由 触 摸 开 关 电 路 、 整 流 稳 压 电 路 、 同 步 触 发 电 路 、 调 光 缓 变 电 路 、 手 动 调 光 电 路 、 测 光 电 路 、 led 光 源 等 组 成 。 下 面 一 一 介 绍 单 元 电 路 的 各 个 部 分 的 功 能 与 特 点 以 及 设 计 思 路 。 3.1 触摸开关电路设计 触 摸 开 关 电 路 由 cd4013、 电 容 、 电 阻 、 触 摸 金 属 片 等 组 成 。 其 实 际 是 cd4013 内 部 的 双 d 触 发 器 与 外 围 电 路 构 成 一 个 单 稳 态 电 路 和 一 个 双 稳 态 电 路 实 现 的 ， 顾 名 思 义 触 摸 电 路 是 整 个 电 路 的 控 制 系 统 ， 担 负 着 电 路 的 开 关 作 用 。 如 图 3-1 触 摸 开 关 电 路 工 作 原 理 如 下 ： m 是触摸电极片，手指摸一下 m，人体泄漏的交流电在电阻 r12 上的压降，其正半周信号进入 cd4013a 的 3 脚即单稳态电路的 cp 端，使单稳态电路翻转进入暂态，其输出端 q 即 1 脚由 原来的低电平跳变为高电平，此高电平经 r13 向 c4 充电，使 4 脚即 r 端电位 上升，当上升到复位电平时，单稳态电路复位，1 脚恢复低电平。所以每触摸 一次电极片 m，1 脚就输出一个固定宽度的正脉冲。此正脉冲将直接加到 cd4013b 的 3 脚即双稳态电路的 cp 端，使双稳态电路翻转一次，其输出端 q 即 1 脚电平就改变一次。 图 3-1 触 摸 开 关 电 路 1 2 3 4 5 6 a b c d 654321 d c b a title number revisionsize b date: 19-dec-2010 sheet of file: e:交交交交交交交交protel交交交交交.ddbdrawn by: s6 clk3 d5 r4 q 1 q 2 a cd4013a s6 clk3 d5 r4 q 1 q 2 a cd4013b r12 2m r13 5.1m r11 5.1m c4 0.22u 交交交交交 m 12v 交交交 vcc xxx 大学毕业设计（论文） -6- 3.1.1 cd4013-双上升沿 d 触发器的引脚图及引脚功能 cd4013-双 上 升 沿 d 触 发 器 定 时 器 是 一 种 中 规 模 集 成 电 路 ， 只 要 在 外 部 配 上 适 当 的 阻 容 元 件 ， 就 可 以 方 便 的 构 成 触 摸 开 关 电 路 ， 在 工 业 控 制 定 时 电 子 乐 器 及 防 盗 报 警 等 方 面 应 用 很 广 。 外 引 脚 排 列 图 如 图 3-2 所 示 ： 表 3-1 cd4013 功能表 输入 输出 cp d rn sn q 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 保 持 0 1 1 0 1 1 图 3-2 cd4013 的 外 引 脚 排 列 图 1 脚 是 原码输出端 8 脚 是 直 接 复 位 端1 8 2 脚 是 反 码 输 出 端 9 脚 是 数 据 输 入 端2 9 3 脚 是 时 钟 输 入 端 10 脚 是 直 接 复 位 端3 10 4 脚 是 直 接 复 位 端 11 脚 是 时 钟 输 入 端4 11 5 脚 是 数 据 输 入 端 12 脚 是 反 码 输 出 端5 12 6 脚 是 直 接 复 位 端 13 脚 是 原 码 输 出 端6 13 7 脚 接 地 14 脚 是 电 源7 14 1 2 3 4 5 6 a b c d 654321 d c b a title n u m b er r ev is io nsize b d ate: 1 1 -d ec-2 0 1 0 sh eet o f file: c :d o cu m en ts an d settin g s a d m in is trato r交 交 m y d es ig n 3 . d d bd aw n b y : u ? c om p on en t_ 1 1 2 3 4 5 6 7 14 13 12 11 10 9 8 q 1 q 1 c p1 r 1 d 1 s1 v ss v dd q 2 q 2 c p2 r 2 d 2 s2 c d4 0 1 3 xxx 大学毕业设计（论文） -7- 图 3-3 cd4013-双 上 升 沿 d 触 发 器 的 封 装 图 3.1.2 cd4013-双上升沿 d 触发器构成的单稳态电路工作原理 单 稳 态 触 发 器 具 有 以 下 特 点 ： 第 一 ， 它 只 有 一 个 暂 稳 状 态 ； 第 二 ， 在 外 来 触 发 信 号 的 作 用 下 ， 能 够 由 稳 定 状 态 翻 转 到 暂 稳 态 ； 第 三 ， 暂 稳 状 态 维 持 一 段 时 间 后 ， 将 自 动 返 回 到 稳 定 状 态 ， 而 暂 稳 态 时 间 的 长 短 与 触 发 脉 冲 无 关 ， 仅 取 决 于 电 路 的 参 数 。 这 种 电 路 在 数 字 系 统 和 装 置 中 ， 一 般 用 于 定 时 （ 产 生 一 定 宽 度 的 方 波 ） 、 整 形 （ 把 不 规 则 的 波 形 转 换 成 宽 度 、 幅 度 都 相 等 的 脉 冲 ） 以 及 定 时 等 。 m 为 触 摸 电 极 片 ， 手 指 摸 一 下 m， 使 人 体 泄 漏 的 交 流 电 在 r4 上 的 压 降 ， 其 正 半 周 信 号 进 入 ic 的 第 3 脚 即 单 稳 态 电 路 的 cp 端 ， 使 单 稳 态 电 路 反 转 进 入 瞬 时 ， 其 输 出 端 q 即 1 脚 由 原 来 的 低 电 位 跳 变 为 高 电 位 ， 此 高 电 位 经 r3 向 c2 充 电 ， 使 4 脚 即 r3 端 的 电 位 上 升 ， 当 上 升 到 复 位 (reset)电 位 时 ， 单 稳 态 电 路 复 位 ， 1 脚 恢 复 低 电 位 。 所 以 每 触 摸 一 次 电 极 片 m， 1 脚 就 输 出 一 个 固 定 宽 度 的 正 脉 波 。 图 3-4 所 示 是 用 cd4013-双 上 升 沿 d 触 发 器 构 成 的 单 稳 态 触 发 器 脉 冲 整 形 电 路 。 r1、 r2、 r3、 c 是 外 接 元 件 。 1 2 3 4 5 6 a b c d 654321 d c b a title number revisio nsize b date: 17 -dec-201 0 sh eet of file: h:mydesign.dd b drawn by: s6 clk3 d5 r4 q 1 q 2 a d r1 5.1m r2 2m r3 5.1mc 0.22 u vcc 交交交交 交交交交 xxx 大学毕业设计（论文） -8- 图 3-4 用 d 触 发 器 构 成 的 单 稳 态 电 路 3.1.3 cd4013-双上升沿 d 触发器构成的双稳态电路工作原理 在 电 子 电 路 中 。 其 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 。 双 稳 态 电 路 在 自 动 化 控 制 中 有 着 广 泛 的 应 用 。 d 触 发 器 有 两 个 互 补 的 输 出 端 与 ， 可 构 成 两 个 稳 定 状 态 ： 当 =1qq 时 ， =0 ， 反 之 当 =0 时 ， =1 。 图 中 将 端 与 数 据 端 口 相 连 ， 即 构 成 一q 双 稳 态 电 路 。 假 定 此 时 d 触 发 器 =0 时 ， =1 ， 从 触 发 端 cl 输 入 一 正 脉 冲 ， 触 发 器 将 d 端 高 电 平 送 入 触 发 器 ， 触 发 器 翻 转 ， 端 变 为 1 、 q 端 变 为 0 。 如 果 撤 去 外 加 触 发 信 号 ， 电 路 就 保 持 在 =1 时 ， =0 的 稳 定 状 态 。 如 果 再 在 cl 端 输 入 一 正 脉 冲 信 号 ， 将 d 端 低 电 平 送 入 触 发 器 ， 为 0 ， 为 1 ， 电 路 保 持 在 这 一 稳 定 状 态 。 从 图 中 可 知 ， 此 时 的 触 发 器 构q 成 的 双 稳 态 电 路 的 翻 转 与 置 位 端 s 、 复 位 端 r 无 关 。 图 3-5 用 d 触 发 器 构 成 的 双 稳 态 电 路 。 1 2 3 4 5 6 a b c d 654321 d c b a title n umber r evisio nsize b d ate: 17 -d ec-201 0 sh eet of file: h :myd esign.dd b d raw n b y: s6 c lk3 d5 r4 q 1 q 2 a d r 2k 交 交 交 交 交 交 交 交 xxx 大学毕业设计（论文） -9- 图 3-5 用 d 触 发 器 构 成 的 双 稳 态 电 路 3.2 整流稳压电路设计 3.2.1 整流桥的介绍 整 流 桥 作 为 一 种 功 率 元 器 件 ， 非 常 广 泛 。 应 用 于 各 种 电 源 设 备 。 其 内 部 主 要 是 由 四 个 二 极 管 组 成 的 桥 路 来 实 现 把 输 入 的 交 流 电 压 转 化 为 输 出 的 直 流 电 ， 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。 如图 3-6 全波整流稳压电路的工作原理如下：电源为正半周时，对 d1、d3 和方向电压，dl，d3 导通；对 d2、d4 加反向电压，d2、d4 截止。电路中构成 dl、rfz 、d3 通电回路，在 rfz 上形成上正下负的半波整洗电压，e2 为负半 周时，对 d2、d4 加正向电压，d2、d4 导通；对 d1、d3 加反向电压，d1、d3 截止。电路中构成 d2、rfz 、d4 通电回路，同样在 rfz 上形成上正下负的另 外半波的整流电压。如此重复下去，结果在 rfz，上便得到全波整流电压。其 波形图和全波整流波形图是一样的。从图 3-6 中还不难看出，桥式电路中每只 二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一半。 电路中 vs 为 12v 稳压二极管，他的作用是保持直流电压输出的稳定，保证后 序电路良好的工作，电阻 r1 为限流电阻，防止大的电流对后序电路的冲击损 坏元器件。 1 2 3 4 5 6 a b c d 654321 d c b a title number revisionsize b date: 18-dec-2010 sheet of file: c:usersadministratordesktop交交mydesign1. ddbdrawn by: 1 2 3 4 交 交 2 2 0 v d1d2 d3 d4 r1 51k vs 12v 交 交 交 交 rfz 5k xxx 大学毕业设计（论文） -10- 图 3-6 全 波 整 流 稳 压 电 路 3.2.2 稳压二极管介绍 稳 压 二 极 管 工 作 原 理 一 种 用 于 稳 定 电 压 的 单 伪 结 二 极 管 。 它 的 伏 安 特 性 ， 电 路 符 号 如 图 所 示 。 结 构 同 整 流 二 极 管 。 加 在 稳 压 二 极 管 的 反 向 电 压 增 加 到 一 定 数 值 时 ， 将 可 能 有 大 量 载 流 子 隧 穿 伪 结 的 位 垒 ， 形 成 大 的 反 向 电 流 ， 此 时 电 压 基 本 不 变 ， 称 为 隧 道 击 穿 。 当 反 向 电 压 比 较 高 时 ， 在 位 垒 区 内 将 可 能 产 生 大 量 载 流 子 ， 受 强 电 场 作 用 形 成 大 的 反 向 电 流 ， 而 电 压 亦 基 本 不 变 ， 为 雪 崩 击 穿 。 因 此 ， 反 向 电 压 临 近 击 穿 电 压 时 ， 反 向 电 流 迅 速 增 加 ， 而 反 向 电 压 几 乎 不 变 。 这 个 近 似 不 变 的 电 压 称 为 齐 纳 电 压 （ 隧 道 击 穿 ） 或 雪 崩 电 压 （ 雪 崩 击 穿 ） 。 如 图 3-7 所 示 稳 压 二 极 管 原 理 图 。 图 3-7 稳 压 二 极 管 原 理 图 3.3 同步触发电路设计 同步触发电路如图 3-8 所示由单结晶体管、晶闸管、电阻、电容、和电位 器组成，它的工作原理如下，在交流电的每半个周期内，当电容 c1 上充电电 压达到单结晶体管 vu1 的导通电压时，vu1 由截止变为导通，电容 c1 通过 vu1 放电，其放电电流在电阻如 r3 上形成一个尖脉冲，触发晶闸管 vth1 导通，灯 泡点亮。c1 放完电，交流电的下一个半周到来后又对 c1 充电，重复上述过程。 在交流电过零时，c1 上电压也为零，这就保持了触发脉冲与交流电同步。c1 的充放电速度不同，晶闸管 vth1 的触发相位角也不同，使得晶体管 vth1 的导 通角不同，从而使灯泡的亮度也不同。因此，改变 rp1 阻值或改变 vt1、vt2 的内阻，即可改变电容 c1 的充放电速度，达到调光的目的。带开关的电位器 rp1 用于手动调光，打开 s(s 闭合)，调节 r5 的阻值大小,使电容两端大小改变， 即可改变灯光亮度。当单结晶体管及电容均已确定时，改变电阻 r3 的阻值可 以调节脉冲宽度，达到调光的目的， 。一般情况下 r3 取（50-100）欧姆。为了 xxx 大学毕业设计（论文） -11- 保证晶闸管可靠的工作，对触发电路有以下几点要求： （1）触发时，能够提供足够的触发脉冲电压和电流。由于晶体管控制极参数 的分散性及随温度变化的不稳定性，为了使所有合格的晶闸管均能触发导通， 又不损坏控制极，一般要在触发电路接到晶闸管控制极时，输出脉冲的幅度为 （4-10）v。 （2）晶闸管不应导通时，触发电路输出的漏电电压不超过 0.25v，以避免发生 误导通。 （3）触发脉冲的前沿要陡，以保证触发时间准确，一般要求前沿时间不小于 10us。 （4）触发脉冲要有足够的宽度。因为晶闸管的导通需要一定时间，触发脉冲 的持续时间必须比其更长，才能达到可靠地触发。对于电阻性负载电路，一般 要求脉冲宽度大于 20us。 图 3-8 同步触发电路 电阻 r2 起温度补偿作用。因为峰点电压如图 3-9 所示，u p= ubb+ud，当 温度升高时，u d 减小，使 up 随温度的升高而减小。但单结管内部两个基极之 间的电阻将随温度的升高而增加，使 ibb 随之减小，则 r2 上的压降 ibbr2 相应 减小，结果使 ubb 升高，从而补偿了 ud 的减小，使 up 基本不变，保证产生脉 冲的时间比较稳定。一般情况下，选 r2=（300500） 。 如图 3-9 单结晶体管特性曲线 1 2 3 4 5 6 a b c d 654321 d c b a title number revisionsize b date: 17-dec-2010 sheet of file: e:交交交交交交交交protel交交交zy.ddbdrawn by: vth1 r1 51k r2 300 r4 510k r620k r391 vu1 c 0.47u r5 510k s r7 2.4k xxx 大学毕业设计（论文） -12- 3.3.1 单结管震荡电路 单结晶体管单结晶体管（简称 ujt）又称基极二极管，它是一种只有一个 pn 结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻型硅片，两端 分别用欧姆接触引出两个基极 b。在硅片中间略偏 b2 一侧用合金法制作一个 p 区作为发射极 e。单 结 晶 体 管 具 有 大 的 脉 冲 电 流 能 力 而 且 电 路 简 单 ， 因 此 在 各 种 开 关 应 用 中 ， 在 构 成 定 时 电 路 或 触 发 scr 等 方 面 获 得 了 广 泛 应 用 。 它 的 开 关 特 性 具 有 很 高 的 温 度 稳 定 性 ， 基 本 上 不 随 温 度 而 变 化 。 如 图 3-10 所 示 为 单 结 晶 体 管 组 成 的 振 荡 电 路 。 所 谓 振 荡 ， 是 指 在 没 有 输 入 信 号 的 情 况 下 ， 电 路 输 出 一 定 频 率 、 一 定 幅 值 的 电 压 或 电 流 信 号 。 当 合 闸 通 电 时 ， 电 容 c 上 的 电 压 为 零 ， 管 予 截 止 ， 电 源 e 通 过 电 阻 r 对 c 充 电 ， 随 时 间 增 长 电 容 上 电 压 uc 逐 渐 增 大 ； 一 旦 ueb1 增 大 到 峰 点 电 压 up 后 ， 管 子 进 入 负 阻 区 ， 输 入 端 等 效 电 阻 急 剧 减 小 ， 使 c 通 过 管 子 的 输 入 回 路 迅 速 放 电 ， ie 随 之 迅 速 减 小 ， 当 ueb1 减 小 到 谷 点 电 压 uv 后 ， 管 子 截 止 ； 电 容 又 开 始 充 电 。 上 述 过 程 循 环 往 返 ， 只 有 当 断 电 时 才 会 停 止 ， 因 而 产 生 振 荡 。 由 于 充 电 时 间 常 数 远 大 于 放 电 时 间 常 数 ， 当 稳 定 振 荡 时 ， 电 容 上 电 压 的 波 形 如 图 3-11 所 示 。 图 3-10 单 极 晶 体 管 振 荡 器 电 路 图 图 3-11 单 极 晶 体 管 振 荡 器 波 形 图 1 2 3 4 5 6 a b c d 654321 d c b a title number r evisio nsize b date: 18 -dec-201 0 sh eet of file: c : usersa dm inistrat ordesktop交交 mydesign1. dd bdrawn b y: e + r 2 91 r 1 20 k c 0.47 u u1 xxx 大学毕业设计（论文） -13- 3.4 调光缓变电路设计 调 光 缓 变 电 路 如 图 3-12 所 示 由 三 极 管 9014、 电 阻 r1、 r2、 电 容 c1 组 成 。 当 12v 电 源 电 压 通 过 r1 向 c2 充 电 ， c2 两 端 电 压 逐 渐 升 高 使 vt2 的 基 极 电 压 逐 渐 升 高 ， vt2 由 截 止 渐 渐 向 饱 和 过 度 ， 其 内 阻 逐 渐 由 高 变 低 ， 灯 泡 由 暗 渐 亮 。 当 断 开 电 源 时 ， c2 通 过 r8 放 电 ， vt2 的 基 极 电 压 渐 渐 降 低 ， 灯 泡 由 亮 渐 暗 ， 实 现 了 渐 亮 、 渐 灭 的 功 能 。 如图 3-12 所示调光缓变电路 3.4.1 电容的选择 电容（或电容量, capacitance）指的是在给定电位差下的电荷储藏量； 记为 c，国际单位是法拉（f）。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导 体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上；造成电荷的累 积储存，最常见的例子就是两片平行金属板。也是电容器的俗称。 电容（或称电容量）是表征电容器容纳电荷本领的物理量。我们把电容器的 两极板间的电势差增加 1 伏所需的电量，叫做电容器的电容。电容器从物理学 上讲，它是一种静态电荷存储介质（就像一只水桶一样，你可以把电荷充存进 去，在没有放电回路的情况下，刨除介质漏电自放电效应/电解电容比较明显， 可能电荷会永久存在，这是它的特征），它的用途较广，它是电子、电力领域 中不可缺少的电子元件。主要用于电源滤波、信号滤波、信号耦合、谐振、隔 直流等电路中。 此 次 电 路 设 计 中 电 容 起 到 了 关 键 作 用 ， 如 图 3-12 电 容 c2 是 调 光 缓 变 电 路 的 关 键 部 件 ， 它 的 容 量 的 选 择 直 接 影 响 灯 充 放 电 时 间 。 根 据 公 式 来 选 择 电 容 t = rc in(v1 - v0)/(v1 - vt), v0 电 容 初 始 值 电 压 ， v1 电 容 最 终 可 充 到 或 放 到 电 压 值 ， vt 为 t 时 刻 电 容 上 的 电 压 值 ， 已 知 电 源 电 1 2 3 4 5 6 a b c d 654321 d c b a title number revisio nsize b date: 17 -dec-201 0 sh eet of file: e:交交交交交交交交protel交交交zy.ddbdrawn by: vt290 14 r147 k r2 51 0k c222 0u 12 v vcc xxx 大学毕业设计（论文） -14- 压 是 12v， 充 电 电 阻 47k， 时 间 常 数 为 5s 则 所 求 电 容 根 据 公 式 可 求 电 容 大 约 是 100uf。 同 时 还 可 根 据 实 际 需 要 通 过 改 变 电 容 或 电 阻 值 ， 来 调 节 渐 亮 渐 灭 的 时 间 ， 使 用 非 常 方 便 。 3.5 测光电路设计 测 光 电 路 如 图 3-13 所 示 由 三 极 管 vt3、 电 容 c3、 电 位 器 rp2、 rp3、 光 敏 电 阻 rl 组 成 。 它 的 作 用 当 光 线 较 强 时 ， rl 的 阻 值 变 小 ， vt3 的 基 极 电 位 降 低 ， 其 内 阻 变 大 ， 使 触 发 电 路 的 电 容 充 放 电 速 度 变 慢 ， 灯 泡 的 亮 度 降 低 ； 当 光 线 较 暗 时 ， 调 整 过 程 相 反 ， 灯 泡 亮 度 升 高 。c3 和 r10 组成延时电路，可 以保证当光线突然变化时，灯泡的亮度不会突然变化。 图 3-13 测光电路 3.5.1 光敏电阻的介绍 如 图 3-14 所 示 光 敏 电 阻 又 称 光 导 管 ， 常 用 的 制 作 材 料 为 硫 化 镉 ， 另 外 还 有 硒 、 硫 化 铝 、 硫 化 铅 和 硫 化 铋 等 材 料 。 这 些 制 作 材 料 具 有 在 特 定 波 长 的 光 照 射 下 ， 其 阻 值 迅 速 减 小 的 特 性 。 这 是 由 于 光 照 产 生 的 载 流 子 都 参 与 导 电 ， 在 外 加 电 场 的 作 用 下 作 漂 移 运 动 ， 电 子 奔 向 电 源 的 正 极 ， 空 穴 奔 向 电 源 的 负 极 ， 从 而 使 光 敏 电 阻 器 的 阻 值 迅 速 下 降 。 1 2 3 4 5 6 a b c d 654321 d c b a title number revisionsize b date: 17-dec-2010 sheet of file: e:交交交交交交交交protel交交交zy.ddbdrawn by: vth1 r1 51k r2 300 r4 510k r620k r391 vu1 c 0.47u r5 510k s r7 2.4k 12v vt29014 r? res2 r147k r2 510k c2220u 12v c3470u r15.1k r15.1k r? res2 rl vt39014 rp2 rp310k 交交交交交 100k 12v xxx 大学毕业设计（论文） -15- 图 3-14 光 敏 电 阻 rl 的 封 装 图 光 敏 电 阻 器 是 利 用 半 导 体 的 光 电 效 应 制 成 的 一 种 电 阻 值 随 入 射 光 的 强 弱 而 改 变 的 电 阻 器 ； 入 射 光 强 ， 电 阻 减 小 ， 入 射 光 弱 ， 电 阻 增 大 。 光 敏 电 阻 器 一 般 用 于 光 的 测 量 、 光 的 控 制 和 光 电 转 换 （ 将 光 的 变 化 转 换 为 电 的 变 化 ） 。 常 用 的 光 敏 电 阻 器 硫 化 镉 光 敏 电 阻 器 ， 它 是 由 半 导 体 材 料 制 成 的 。 光 敏 电 阻 器 的 阻 值 随 入 射 光 线 （ 可 见 光 ） 的 强 弱 变 化 而 变 化 ， 在 黑 暗 条 件 下 ， 它 的 阻 值 （ 暗 阻 ） 可 达 110m 欧 ,在 强 光 条 件 （ 100lx） 下 ， 它 阻 值 （ 亮 阻 ） 仅 有 几 百 至 数 千 欧 姆 。 光 敏 电 阻 器 对 光 的 敏 感 性 （ 即 光 谱 特 性 ） 与 人 眼 对 可 见 光 （ 0.40.76） m 的 响 应 很 接 近 ， 只 要 人 眼 可 感 受 的 光 ， 都 会 引 起 它 的 阻 值 变 化 。 设 计 光 控 电 路 时 ， 都 用 白 炽 灯 泡 （ 小 电 珠 ） 光 线 或 自 然 光 线 作 控 制 光 源 ， 使 设 计 大 为 简 化 。 光 敏 电 阻 的 工 作 原 理 是 基 于 内 光 电 效 应 。 在 半 导 体 光 敏 材 料 两