传感器原理及应用课程设计说明书.doc

天津商业大学自动化专业2007级传感器原理及应用课程设计说明书设计题目：光照强度自动检测显示系统设计城市路灯控制系统学 号： 20072737 姓 名： 李广砥 完成时间： 至 总评成绩： 指导教师签章： 设计题目：光照强度自动检测显示系统设计之城市路灯灯控制系统一、 题目的认识理解光电阻作为一种传感器主要是用来实现开关功能，用于对光照强度的控制。而自然光的自动检测显示与报警系统使人们对工作场所或外部环境的光照强度的控制成为可能，尤其在当前能源短缺和环境压力变大的背景下更有意义。而由国家电网统计的数据截止2006年我国火电比列依然超过80%，火电中绝大部分是燃煤发电。而煤炭燃烧必然带来二氧化碳的大量排放，同时也加大了环境承载能力。所以建设环境友好型能源节约型的城市和国家是势在必行的举措，只有这样才能实现可持续发展。二、 设计任务要求：设计题目：自然光光照强度自动检测显示（报警）系统设计之城市路灯控制系统主要要求：设计一个光照强度自动检测、显示、（报警）系统，实现对外界三种不同条件下光强的分档指示和报警（弱、适宜、强）备注：报警功能选作。1、 方案的设计1） 根据题目选定光照强度自动检测所用的光电传感器类型；2） 自己设计至少三种以上不同光照条件，测定不同光照条件下光电传感器的输出；3） 传感器测量电路采用集成运算放大器构成的比较器完成，完成至少三种以上不同光照条件下显示报警系统方案的论证和设计；4） 完成自然光光照强度自动检测显示报警系统电路方框图、电路原理图的设计；5） 完成自然光光照强度自动检测显示报警系统中核心芯片的选型、系统中各个参数的计算（备注：1. 含各种元件参数的计算过程或依据2. 选定最接近计算结果的元件规格）；6） 设计结束后，进行仿真调试。2、 仿真调试方案1） 利用Multisim或Pspice等软件仿真，得出主要信号输入输出点的波形，根据仿真结果验证设计功能的可行性、参数设计的合理性；2） 给出系统整机电路图（利用PROTEL软件做出原理图SCH文件）。3、完成课程设计报告。三、 设计所需基础知识及工具1、基础知识电路理论中电阻电路的分析、模拟电子线路中运算放大器、比较器、功率放大器等知识，数字电子线路中开关特性及数字信号等知识，传感器技术中的光电传感器原理及应用、测量电路等部分知识。2、设计工具电子电路EDA仿真软件：Multisim或Pspice电子线路设计软件：Protel99SE。四、 方案设计及其论证（包含课题的功能与指标分析、电路的结构组成方框图、各部分单元电路间关系、单元电路方案设计考虑） 方案设计及论证(1) 社会调查以及总体功能概述由于一个中型城市大约有15000余盏路灯，而大城市则多达30000余盏路灯，而每盏路灯的平均功率为250瓦,。以大城市计算如果所有的路灯全部亮起来，每小时要消耗7200余度电。如果每天亮10个小时一年按照365天计算，那么整个城市内全年所有路灯的耗电量则在26280000度左右。一度按5毛算，就是13140000元。而由于目前许多城市的路灯控制依然是人为控制，由于人的因素，提前开灯势必会造成能源的浪费，晚开灯有会给人们的出行带来不便以及不必要的交通事故。因此我们利用自然光光强自动检测与控制系统来实现对城市路灯的实时控制。此外，在一部分北方城市和绝大部分南方城市很容易有突然地大雾发生，常常造成许多严重的交通事故。鉴于此，我们利用湿度传感器检测湿度变化，在适当的情况拉响警报并且点亮高压钠灯。(2) 指标分析经过各种环境条件下反复统计和测算的结果显示我们所选用的光敏电阻在光照度低于阴天室内（5lux50lux）光照的最低光照的时候的电阻大约为135K(误差不于5%)。于此同时系统内的其他器件也选用的温漂较低，温度范围广的器件，因此在各种天气情况及温度情况下均使用可以实现对城市路灯的实时控制。由于选用以阴天室内最低光照为临界光照强度，5%的误差不仅不会造成能源的浪费，也不会给市民的出行带来不便。与此同时，我们使用了灵敏度较高的湿度传感器，可以有效检测突然大雾的发生，在比大雾情况最低指标低5%的时候有效预警并点亮高压钠灯。因此可以有效防止因为突然产生的大雾而引发的恶劣交通事故。（3）电路的结构组成以及原理方框图（简单说明方框图） 路灯系统报警系统光强自动检测与控制系统继电器系统湿度自动检测与控制系统 （4）仿真电路结构图（5）各分立单元电路的关系我们通过利用电阻网络与运算放大器实现对自然光照强度以及湿度的合理控制对于光敏电阻我们通过电阻网络的合理配比得到的电压与光敏电阻所在电路的变动电压比利用运算放大器进行比较，实现对光照强度的实时控制。利用运算放大器的输出进而控制继电器的闭合与断开，而继电器的闭合就可以式交流电路接通，路灯开启照明。对于湿度传感器我们通过电阻网络的合理配比得到的电压与湿度传感器传回的电压利用运算放大器进行比较，实现对突然大雾的监控，利用运算放大器的输出进而控制继电器的闭合与断开，而继电器的闭合将会使警报拉响，同时高压钠灯点亮，提示所有车辆减速慢行。（6）单元电路方案设计考虑因为继电器的驱动需要一定的电压和电流，所以我们选用了放大器，而放大器的电源负端接地，就可以保证在环境适宜的情况下放大器输出为零，则继电器处于断开状态，而在环境改变的时候，由于放大器的驱动使继电器闭合。此时，交流电通入路灯或者交流电驱动报警器预警。由于路灯处于露天系统必然会受到环境温度的影响。所以我们选择了具有补偿作用的电阻（即利用不同电阻随温度变化的特性不同，金属膜电阻随温度的升高而有所增加，而碳膜电阻随着温度的升高而有所降低），同一个电阻由两个电阻合并而成一部分为金属膜电阻，一部分为碳膜电阻。这样就可以进一步保证配比的有效性。此外选择的运算放大器以及继电器都是工作在较大的温度范围内的器件。考虑到功耗的问题所以我们所选择的配比电阻均为大电阻。而且在同等功能的情况下选择功耗较小的器件。五、 电路中各元器件选型和参数计算 电路器件选择与参数计算（1） 电阻选择与参数计算对于光敏电阻，我们选择的电阻网络为R6=1M和R5=100k,则他们的配比为R5/(R5+R6)=0.9。由于经过反复测量得到与阴天室内最低光照相同时，光敏电阻而仿真时模拟光敏电阻的是一个可变电阻。而我们欲使当达到光照强度下限的时候式运算放大器工作驱动继电器点亮路灯。而由由测算达到光敏电阻的暗电阻大约为250k左右。所以由计算的当电阻值达到最大电阻值的40%时，电路开始照明。由此可得计算公式。得到可变电阻上方的分压电阻的电阻值为15k。对于湿度传感器，我们选择的电阻网络电阻为R2=100k和R3=1.1M，则它的配比为R2/(R2+R3)=0.9。而在仿真时模拟湿度传感器的是一个可变电阻，可变电阻上方的分压电阻为R9=100K。而我们欲使当湿度电阻大于90%的时候使运算放大器驱动继电器。由此可得计算公式 得到电阻值为x=1.1M。而实际的湿度传感器我们选择了Honeywell公司生产的HIH-3610。该湿度传感器具有温漂小，响应时间小，功耗低，化学特性稳定，输出线性电压等优良特点。（2）放大器选择及计算为了可以驱动后阶电路的继电器我们选择的放大器为LM207。LM207是通用运算放大器，可以工作在负25摄氏度至85摄氏度之间，而且温漂较小，增益较大。（3）继电器选择与计算我们选择了欧姆龙G2R-2-12V继电器，该继电器具有以下三个特点1级10A、2级5A的通用型功率继电器 线圈接点间耐压5000V、耐冲击电压10000V的安全设计 操作线圈有AV、DC型。线圈功耗为0.36W 0.9W（4）路灯及高压钠灯选择及计算我们选择了具有有效功率高的路灯作为主灯，虽然初期投资大，但是总体成本降低，而且有利于节能。每个路灯大约为100W。另外我们使用了高压钠灯作为副灯。高压钠灯使用时发出金白色光，它具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。高压钠灯在环境温度 -40 +45 的条件下，能连续工作 12 小时以上。高压钠灯功率为250W。工作电压为220V。（5）蜂鸣器选择及参数计算我们选择的蜂鸣器为JN-4333（AC220V）。该蜂鸣器具有工作电压高（220V），功耗低，灵敏度高，声强强度大（最小声音强度为80db），温度范围广（-20+60），重量轻的优良特点。（6）保险丝我们选择了通用的锡材料作为保险丝。六、 设计总结（包括对设计的目的和意义的认识、本人完成情况、设计中的主要收获和不足、对设计类课程的建议）。目的和意义：自从工业革命以后，人类的生活状况发生了翻天腹地的变换，科技日新月异，但是与此同时，人类文明对地球的环境造成了很大的破坏，环境污染，全球变暖，厄尔尼诺，酸雨现象等接踵而至。而我们所设计的题目的目的是通过自然光光照强度控制系统实现对能源的节约和减少温室气体等有害气体的排放，最终在路灯系统上实现“绿色城市”。本人完成情况：经过一周时间的努力，基本完成预定的目标。设计中的主要收获和不足:通过一周时间的集中学习，我对传感器，电路基础，数字电路，模拟电路有了新的认识。从中学到许多在课本中没有学到的知识，原来总以为这些东西太简单，不做也无所谓，到该做的时候可定能做出来，也能做好，其实不是这样的，真正做的时候发现不知道如何下手。通过一周的学习最大的收获是重新认识了自己，自己不懂的东西太多了，还有许多地方急需改进。书到用时方恨少，事非经过不知难。希望自己和同学们以后不要眼高手低，再走类似的弯路。建议：课程设计是对同学们综合能力以及活学活用的能力的考查，同时也使同学们认识到理论与实际的差异，认识到自己的实力到底有多少。所以课程设计类课程应该坚持搞