视力保健灯电路设计课程设计

课程设计说明书 第 页 视力保健灯电路设计 摘 要 人类的视觉系统具有非常复杂的结构 这种结构特点为人眼对事物的感知 提供了极其细微的分辨能力 但是 如果不注意保护 环境照明不佳 可导致 睫状肌痉挛 紧张 睫状肌内血管扭曲变形 微循环不好 形成近视 因此 设计一个视力保健电路是很有必要的 本课题利用三端稳压集成电路 LM7805 做直流稳压电源电路 555 时基 集成电路做定时电路 与测试调光电路构成视力保健灯的主要组成 具有触摸 式开灯和定时关灯功能 并且能根据室内光线的强弱自动的调整灯光亮度 它 可以缓解眼部疲劳 有效改善假性近视的发生率 为人们学习和工作提供了有 效的帮助 其适用场合广 必然能被人们广泛接受 关键词 LM7805 集成电路 555 定时器 光敏晶体管 整流桥 课程设计说明书 第 页 目目 录录 1 绪论 1 1 1 设计背景 1 1 2 设计概述 1 2 元件选择 2 2 1 整流桥 2 2 1 1 全波整流桥工作原理 2 2 1 2 全波整流桥性能分析 3 2 2 三端稳压集成电路 3 2 2 1 LM7805 引脚排列 3 2 2 2 LM7805 应用 4 2 2 3 LM7805 电参数 4 2 3 555 定时器 5 2 3 1 555 定时器基本组成 5 2 3 2 555 定时器的工作原理及功能特点 6 2 4 光敏三极管 7 2 5 晶闸管 8 2 6 单结晶体管 9 3 总体设计 10 3 1 整体设计原理图 10 3 1 1 原理图分析 10 总 结 12 致 谢 13 参考文献 14 课程设计说明书 第 页 1 绪论 1 1 设计背景 随着科学技术的发展 人们的生活正发生着日新月异的变化 如今生活中 的中的灯光已满足不了人们的生活 学习和工作的需求 传统的灯光虽然给人 们带来了生活的便利 但是它也在一定程度上 给人们的身体健康造成了一定 的影响 第一代光源白炽灯和石英灯由于采用钨丝发光 不但费电 而且灯泡寿命 短 发光面积小 光照不均匀 造成影响视力的阴影和眩光 第二代光源荧光克服了上述缺点 省电而且发光面积加大 但其 频闪 造成眼睛疲劳 容易导致近视 第三代光源高频护眼把频闪从 100Hz 提高到 8 万 11 万 Hz 使人眼不易感 受到灯光的亮暗强弱闪烁 降低了频闪对眼睛的影响 但又带来了高频电磁辐射 第四代光源无辐射健康灯已经推向市场 它集中了第三代台灯的优点 具 有无电磁辐射 无频率闪烁 发光面积大 既护眼又护脑 既节能又环保等优 点 因此 设计一种环保节能的视力保健灯电路符合大众生活需要 符合人们 健康的生活理念 1 2 设计概述 本课程设计的视力保健灯电路具有触摸式开灯和定时关灯功能 能根据室 内光线的强弱自动的调整灯光亮度 它可以依照人的触摸对人体感应的杂波信 号由稳态变为暂稳态 点亮保健灯 与此同时由于电路缓慢充电 有一定的定 值时 单稳态电路恢复稳态 灯熄灭 还可以检测室内的光线强弱 当室内光 线较暗时 其发光亮度增大 反之 若室内光线变强 其发光亮度减弱 还可 以设置定时点亮的时间 改变光控灵敏度以达到更好的自动调光目的 视力保健灯电路的基本工作原理框图如图 1 课程设计说明书 第 页 图 1 2 元件选择 2 1 整流桥 整流桥就是将整流管封在一个壳内 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 全桥由四只二极管组成 有四个引出脚 两只二极管负极的连接点是全 桥直流输出端的 正极 两只二极管正极的连接点是全桥直流输出端的 负极 半桥由两只二极管组成 有三个引出脚 正半桥两边的管脚是两 个二极管的正极 即交流输入端 中间管脚是两个二极管的负极 即直流输 出端的 正极 负半桥两边的管脚上两个二极管的负极 即交流输入端 中间管脚是两个二极管的正极 即直流输出端的 负极 一个正半桥和一 个负半桥就可以组成一个全桥 2 1 1 全波整流桥工作原理 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 图 2 是其外形 课程设计说明书 第 页 图 2 全波整流桥电路原理图 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 为输出的直流电压 在整流桥的每个工作周期内 同一时间只有两个二极管进行工作 通过 二极管的单向导通功能 把交流电转换成单向的直流脉动电压 对一般常 用的小功率整流桥 进行解剖发现 桥内的四个主要发热元器件 二极管 被分成两组分别放置在直流输出的引脚铜板上 在直流输出引脚铜板间有两 块连接铜板 他们分别与输入引脚 交流输入导线 相连 形成我们在外观 上看见的有四个对外连接引脚的全波整流桥 2 1 2 全波整流桥性能分析 全波整流输出电压的直流成分 较半波 增大 脉动程度减小 但变压 器需要中心抽头 制造麻烦 整流二极管需承受的反向电压高 故一般适用 于要求输出电压不太高的场合 2 2 三端稳压集成电路 LM7805 即三端稳压集成电路 电子产品中 常见的三端稳压集成电路有 正电压输出的 LM 78 系列和负电压输出的 LM 79 系列 顾名思义 三端 IC 是指这种稳压用的集成电路 只有三条引脚输出 分别是输入端 接地端和 输出端 它的样子象是普通的三极管 TO 220 的标准封装 也有 LM9013 样 子的 TO 92 封装 课程设计说明书 第 页 2 2 1 LM7805 引脚排列 如图 3 a b 图 3 LM7805 引脚排列图 引脚 为最高电位 脚为最低电位 脚居中 从图中可以看出 不 论正压还是负压 脚均为输出端 对于 LM78 正压系列 输入是最高电 位 自然是 脚 地端为最低电位 即 脚 对于 LM79 负压系列 输入 最低电位是 脚 而地端 脚为最高电位 如图 4 所示 图 4 LM7805 内部结构电路图 2 2 2 LM7805 应用 7805 典型应用电路图 78XX 系列集成稳压器的典型应用电路如下图所示 这是一个输出正 5V 直流电压的稳压电源电路 IC 采用集成稳压器 7805 C1 C2 分别为输入端和输出端滤波电容 RL 为负载电阻 当输出电 流较大时 7805 应配上散热板 如图 5 所示 课程设计说明书 第 页 图 5 LM7805 典型应用电路 2 2 3 LM7805 的电参数 课程设计说明书 第 页 表表 1 1 L LM M7 78 80 05 5 电电参参数数 2 3 555 定时器 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件 一般用双极 性工艺制作的称为 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 5V 16V 工作 7555 可在 3 18V 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 2 3 1 555 定时器基本组成 555 定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图所示 它内部包括两 个电压比较器 三个等值串联电阻 一个 RS 触发器 一个放电管 T 及功率输 出级 它提供两个基准电压 1 3VCC 和 2 3 VCC 555 定时器的内部电路框图 2 及引脚排列如图 6 课程设计说明书 第 页 a b 图 6 555 定时器内部电路框图及电路符号 a 原理图 b 电路符号 555 定时器的 1 脚是接地端 GND 2 脚是低触发端 3 脚是输出端TR OUT 4 脚是清除端 5 脚是电压控制端 CO 6 脚是高触发端 TH 7 脚是放R 电端 D 8 脚是电源端 VCC 2 3 2 555 定时器电路的工作原理及功能特点 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 触发器和放电管的状态 在电源与地之间加上电压 当 5 脚悬空时 则电压比较器 C1 的同相输入端的电压为 2VCC 3 C2 的反相输入端的电 压为 VCC 3 若触发输入端 TR 的电压小于 VCC 3 则比较器 C2 的输 出为 0 可使 RS 触发器置 1 使输出端 OUT 1 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 C1 的输出为 0 C2 的输出为 1 可将 RS 触发器置 0 使输出为 0 555 定时器功能 表 2 如表 2 课程设计说明书 第 页 表表 2 2 5 55 55 5 定定时时器器功功能能表表 2 2 输 入 输 出 复位U11 U12 输出 U0放电管 T 0 0 导通 1 2 3Ucc 1 3Ucc 0 导通 1 2 3Ucc 1 3Ucc 1 截止 1 2 3Ucc 1 3Ucc 保持 保持 由以上分析可以把 555 功能简单归结为三种情况 讲 U 和 U 与各自的 基准电平相比较 U11和 U12都高 u0 0 VT 导通 U11和 U12都低 u0 1 VT 截止 U11和 U12中间 u0保持 VT 保持 2 4 光敏三极管 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 光敏三极管 图形如图 7 图 7 光敏三极管 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 发射区和基区之间的 PN 结叫发射结 集电区和基区 课程设计说明书 第 页 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 半导体 就像一个开关 可以通过导通与截止来控制电路 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 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 2 5 晶闸管 晶闸管是晶体闸流管的简称 又可称做可控硅整流器 以前被简称为可控 硅 1957 年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品 并于 1958 年 将其商业化 晶闸管是 PNPN 四层半导体结构 它有三个极 阳极 阴极和门极 晶闸管具有硅整流器件的特性 能在高电压 大电流条件下工作 且其工作过 程可以控制 被广泛应用于可控整流 交流调压 无触点电子开关 逆变及变 频等电子电路中 其图形符号如图 8 所示 图 8 晶闸管 晶闸管工作条件为 加 正向电压且门极有触发 电流 其派生器件有 快速晶闸管 双向晶闸管 逆导晶闸管 光控晶闸管等 它是一种大功率开 关型半导体器件 在 电路中用文字符号为 V VT 表示 旧标准中用字 母 SCR 表示 课程设计说明书 第 页 晶闸管 T 在工作过程中 它的阳极 A 和阴极 K 与电源和负载连 接 组成晶闸管的主电路 晶闸管的门极G 和阴极 K 与控制晶闸管的装置 连接 组成晶闸管的控制电路 2 6 单结晶体管 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 N 型硅片 两 端分别用欧姆接触引出两个基极 b1 和 b2 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 其结构 符号和等效电路如图 9 所示 图 9 单结晶体管 只有一个 PN 结作为发射极而有两个 基极的三端半导体器件 早期称为 双基极二极管 其典型结构是以一个均匀轻掺杂高电阻率的N 型单晶半导 体作为基区 两端做成欧姆接触的两个基极 在基区中心或者偏向其中一个 极的位置上用浅扩散法重掺杂制成 PN 结作为发射极 图中 当基极 B1 和 B2 之间加上电压时 图中 b 电流从 B2 流向 B1 并在结处基区对 B1 的电势形成反偏状态 如果将一个信号加在发射极上 且此信号超过原反偏 电势时 器件呈导电状态 一旦正偏状态出现 便有大量空穴注入基区 使 发射极和 B1 之间的电阻减小 电流增大 电势降低 并保持导通状态 改 变两个基极间的偏置或改变发射极信号才能使器件恢复原始状态 因此 这 种器件显示出典型的负阻特性 见图c 特别适用于开关系统中的弛张振 荡器 可用于定时电路 控制电路和读出电路 课程设计说明书 第 页 3 总体设计 3 1 整体设计原理图 运用 Protel 99 SE 软件 绘制出原理图如图 10 所示 图 10 3 1 1 原理图分析 电路中 直流稳压电源电路由电源开关 s 电源变压器 T 整流桥堆 D 滤 波电容器 C4 和 C5 三端集成稳压电路 ICLM7805 限流电阻器 R4 和电源指示 发光二极管 LED 组成 触摸 定时控制电路由电极片 A 可变电阻器 Rp1 电阻 器 R1 电容器 C1 C2 和时基集成电路 IC55 组成 测光调光电路由光敏晶体管 Q1 晶体管 Q2 单结晶体管 Q3 晶闸管 Q4 电阻器 R2 和 R3 可变电阻器 Rp2 电 容器 C3 和照明灯 EL 组成 接通电源开关 s 交流 220v 电压经 T 降压 整流桥滤波后产生 9v 电压 供给 IC555 和单结晶体管 Q3 同时还经 7805 稳压 R4 限流降压后将 LED 点亮 课程设计说明书 第 页 当人触摸电极片 A 时 人体感应的杂波信号加至 IC555 的 2 脚 使由 IC555 和 Rp1 R1 C1 C2 组成的单稳态电路翻转 由稳态变为暂稳态 IC555 的 3 脚输出高电平 测光调光电路导通 EL 点亮 与此同时 C1 经 R1 和 Rp1 缓慢充电 当 C1 两端电压充至一定值时 40 60min 单稳态电路恢复为稳 态 IC555 的 3 脚由高电平变为低电平 Q1 Q2 Q3 和 Q4 截止 EL 熄灭 Q1 用来检测室内光线的强弱 当室内光线较暗时 Q1 的导通内阻变大 使 Q2 的工作电流增大 C3 充电速度加快 触发脉冲前移 使 Q4 的导通角增大 EL 的工作电压变高 其发光亮度增大 反之 若室内光线变强 则 Q1 的导通 内阻变小 使 Q2 的工作电流下降 Q4 的导通角变小 EL 的工作电压降低 其 发光亮度减弱 调整 Rp1 的阻值 可改变 EL 定时点亮的时间 调整 Rp2 的阻值 可改变光控的灵敏度 课程设计说明书 第 页 总 结 本课题利用三端稳压集成电路 LM7805 做直流稳压电源电路 555 时基 集成电路做定时电路 与测试调光电路制作而成的视力保健灯电路具有触摸式 开灯和定时关灯功能 能根据室内光线的强弱自动的调整灯光亮度 因而 此 视力保健灯能达到节能环保以及保护眼睛的作用 在此次课程设计过程中 我受益匪浅 感受颇多 首先 通过此次课程设计 我学习并积累了很多知识与经验 在这两个多 星期的课程设计过程中 我查找了很多资料 阅读了相关文献 了解了很多陌 生或已经遗忘的知识 诸如直流稳压电源电路的结构 集成稳压电路 lm7805 的 功能特性 如何利用 Protel 99 SE 绘制电路原理图以及制作数据库中不存在的元 件等等 其次 此次课程设计激发了我对电子产品设计的极大兴趣 在最初接触这 个设计时 学艺不精的我还是很茫然 不知所措的 但是课程设计必须要完成 这种压力也因此成为了我的动力 通过了两个多星期的不懈努力学习 查资料 终于完成了本次以 视力保健灯设计 为课题的设计 看到自己的劳动成果 我很是欣喜 也因此使我对电子产品的设计产生了浓厚的兴趣 最后 通过这次课程设计 我也发现了自身的很多不足之处 有些数电方 面的知识掌握的还不够扎实 不能灵活的将学到的知识应用于实践中 在以后 的学习中 我会不断的完