光控延时照明灯电路的设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

第0页摘要本文介绍的是具有延时控制功能的照明灯，它是具有光控制功能的节能灯头。结构简单，体积小巧，使用方便，性能可靠。文中介绍它的组成、功能、工作原理。光控延时照明灯，采用红外线发光二极管以及光敏三极管作为双重光控元件，利用NE555集成块来控制电路的开关状态。光控延时照明灯一般用于走廊楼道照明。该灯白天由于光线的照射，始终处于关闭状态。一到晚上，该灯就会自动点亮，延时一段时间后，又会自动熄灭。是一种十分实用的节能照明灯电路，不仅实用于家庭楼道，也同样实用于公共厕所、公共走廊、住宅区、工厂、学校走廊的公共照明。关键词光控；延时；照明灯目录摘要.1第1章绪论.2第2章设计框图及电路系统概述.32.1目的.32.2基本部分.32.3发挥部分.32.4设计框图.32.5各个单元框图原理分析.4第3章电源电路.53.1电路原理图.53.2工作原理分析.5第4章光耦合电路原理及光耦合器简单介绍.64.1光耦合电路的组成.64.1.1光耦合电路原理图.64.1.2工作原理分析.64.2光耦合器的组成.7第5章锁定电路原理及其中关键元器件的介绍.95.1锁定电路的组成.95.1.1锁定电路的原理图.95.1.2工作原理分析.95.2555定时器的简单介绍.9第6章电路的仿真.126.1白天不工作电路的仿真.126.1.1仿真电路现象.126.1.2仿真电路原理.12I6.2夜晚工作电路的仿真.136.2.1仿真电路现象.136.2.2仿真电路原理.13总结.14参考文献.15附录1整机电路图.16附录2元器件明细表.17第2页第1章绪论由于近年来我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品的主要输出国之一。照明器材行业属一般性竞争行业，是我国轻工业对外开放较早的行业之一。我国加入WTO后，国际上一些知名品牌大企业相继进入国内产销领域，使得国内竞争国际化。努力增加节能光源和不同档次、花样、用途的照明器具的开发，加快绿色、节能光源产品的开发、推广和应用是我国目前照明器材行业结构调整的重点。我国照明器材行业将面临着前所未有的机遇和挑战，而由此带来的巨大商业利益也成为一些企业瞩目的焦点。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、节能省电、延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近我们的实际生活。光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它不需要开关，当有人经过时会自动点亮；广泛应用于走廊、楼道等公共场所，给人们的生活、带来极大的方便。因此，得到了广泛的应用。光控电路是利用光控制电路工作的电子开关。该电路在设计时应用了仿真软件来进行仿真，然后才确定下来的，虽然用的仅仅是EWB软件，但是在论文中也是比较有特色。能够使人们在不知不觉中感受方便。第3页第2章设计框图及电路系统概述2.1目的1掌握单稳态触发器的工作原理和各元器件的功能。2进一步了解光控延时照明灯组成框图和各个单元工作原理及相互联系。3掌握自己实际操作动手能力的形成和进一步提高。4锻炼自己对所学理论知识和技能的综合运用能力。5提高自己对文献资料的搜索和信息处理能力。6培养自己对社会普通科学知识的了解。7增强自身的知识见解和设计论文的方法。2.2基本部分1电源电路，用的是交流电。2电转换及放大部分，包括它的组成工作原理。3延时部分，包括它的电路及工作原理。4光控开关部分，包括它的组成及工作原理。2.3发挥部分1可以采用不同的原理来完成。2可以采用不同的元件来实现各部分的工作。2.4设计框图为了在公共场所，如走廊、卫生间等，提供一种方便节能的灯头，设计了以光照控制的开关。白天，通过光照锁定灯不会亮；晚上，电路开始工作，有人进入光控区时，灯变亮，延时一段时间后自动熄灭，从而起到方便节能的作用。根据设计电路得到所要完成的功能和达到的效果。第4页2.5各个单元框图原理分析1电源电路电源电路为整个电路提供需要的电压。整机电路图(见附录1)中C4、R5、VD、R6及C3组成电源电路，220V交流市电压经VD整流，C3滤波电容，即利用电容通交阻直作用为下一电路提供交流电压，使整个电路开始工作。2光耦合电路光敏二极管VTL1在此电路中的作用主要是光敏二极管VTL1接收到VL发出的红外线使其导通，从而使光敏二极管集电极与IC芯片2脚相连，为其提供工作电压。3锁定电路VTL2是一个3DU系列的光敏三极管，它的集电极与IC芯片4脚相连，在白天光敏三极管导通，4脚呈现低电平，IC集成块被锁死，3脚始终呈现低电平，灯泡不会发光，只有在夜晚，光敏三极管截止，4脚呈现高电平，IC块锁定被解除，整个电路才可以正常工作。4灯光开关控制灯光开关控制电路由VT和EL组成。下面简单介绍一下电源电路中各元器件的功能和作用。VT选用的是MAC97A6小型塑封双向晶闸管，其内部相当于是由3个PN结组成，每个PN结都具有单向导电性，在电路中相当于一个自动开关，决定着3条支路的通断情况：连接电源的部分；连接芯片IC第3脚电路；连接灯泡电路。EL是一个简单的照明灯，显示灯亮灭的情况。亮灭由双向晶闸管决定，当电路图2-1设计框图第5页满足工作情况时，IC芯片3脚输出高电平时候双向晶闸管导通，这时候EL灯亮。第6页第3章电源电路3.1电路原理图3.2工作原理分析电源电路中各元器件的功能和作用：VD是一个整流二极管，对220V交流市电压进行整流。C3是一个滤波电容，其大小0.33u/220V对整流220V交流市电压，进行通交阻直作用，滤除直流成分，使交流成分为下几个电路部分提供工作电压。R5是一个限流电阻，其阻值R5=100K，阻值很大，可以看出是一个限流电阻，使其降压，防止大电流通过损坏元器件，使电路不能正常工作。C4是一个保护电容，其大小0.1u/100V，它的作用是保护前面的二极管VD。同时与电阻R5并联组成RC谐振电路。R6是一个限流电阻，其阻值R6=10K，阻值很大，可以看出也是一个限流电阻对整个电路起保护作用。图3-1电源电路原理图第7页第4章光耦合电路原理及光耦合器简单介绍光电耦合器是近几年发展起来的一种半导体光电器件。由于它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入（输出），在电气上完全隔离等特点，被广泛地应用在电子技术领域及工业自动控制领域中。它可以代替继电器、变压器、斩波器等。也可用于隔离电路、开关电路、数模转换、逻辑电路、过流保护、长线传输、高压控制及电平匹配等。4.1光耦合电路的组成4.1.1光耦合电路原理图4.1.2工作原理分析光耦合电路由R1、R2、VTL1及VT组成。1R1、R2为限流电阻，在电路中起保护作用，其中R1=10K、R2=2.2K，由欧姆定律得I=U/R，所以通过R1上的电流I1=(220V-UVL)/R1UV,UVL很小为0.2，所以忽略，则I1=220V/R1=220V/10K=22mA。在图中R1，VL与R2，VTL1组成并联电路，构成光电耦合电路。2VL选用的是型号为HG501的中功率红外发射二极管，具有单向导电性，起到开关作用，工作在导通与截止两种状态。图4-1光耦合电路原理图第8页3VTL1是光敏二极管，在此电路中，当光敏二极管VTL1接收到VL发出的红外线时使其导通，从而使光敏二极管集电极与IC芯片2脚相连，为其提供工作电压。4.2光耦合器的组成光电耦合器主要由两个元件组成：一是光源，实际上它是一个发光二极管（LED）。二是光敏器件，它可选用光电池、光敏三极管、光敏单向可控硅等器件。最通用的光电耦合器件是把砷化钾发光二极管（LED）和硅光敏三极管封装在完全与外界光线隔离的外壳中。如图4-2所示：光电耦合器的基本工作过程如下：当有电流流过LED时，便产生光源，光的强度取决于激励电流的强度，此光源照射到封装在一起的光敏三极管上后，控制光敏三极管产生与LED正向电流成比例的集电极电流。图4-3表示的是线性工作方式的光耦器件。图4-2光电耦合器件结构图图4-3线性工作方式的光电耦合器件原理图第9页二极管有正向电流IF时产生光源，使光敏三极管的集电极电流Ic供给负载电阻RL。为了设计光耦合器件的输入电路要掌握以下三个参数：二极管正向电流、二极管正向电压VF和输入电压Vin。限流电阻R可用下式计算：（4-1）FDIVin)(一般说来，二极管的正向电流、电压曲线由生产厂家给出。这样，按照曲线，就可以确定工作点，限流电阻R的值也就很容易计算了。在光耦器件的输出部分，有意义的参数是光敏三极管的集电极电流Ic。在光敏三极管的集电极生成的电流的大小，与二极管的正向电流IF和光耦器件的直流电流传输率或称耦合系数成正比。如果二极管的正向电流是已知的。光敏三极管的集电极电流可由下式进行计算：（4-2）FCII在生产厂家提供的资料中，会给出在特定的集电极发射极电压Vce下的交流电流传输率曲线，从这个曲线中，可以求出集电极和发射极电流，为了得到负载电压Vout，可以选择合适的负载RL值。第10页第5章锁定电路原理及其中关键元器件的介绍5.1锁定电路的组成5.1.1锁定电路的原理图5.1.2工作原理分析锁定电路由R3、VTL2和IC组成。R3是一个限流电阻，保护光敏二极管VTL2，串联在VTL2的集电极，其阻值R3=5.1K。VTL2是一个3DU系列的光敏三极管，它的集电极与IC芯片4脚相连，只有当4脚输出高电平时光敏三极管才导通，整个电路才可以正常工作。所以可以明显看出此电路实现的是一个锁定功能，只有IC芯片4脚为高电平时电路才工作。5.2555定时器的简单介绍555定时器是一种多用途的数字模拟混合集成电路，利用它可以方便的构成施密特触发器、单稳态触发器和多谐振荡器。由于使用灵活、方便，所以555定时器在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等许多领域中都得到应用。1电路组成555定时器内部结构原理图如图5-1所示。它由内部含有三个5千欧电阻组成的电阻分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、集电极开路的放电三极管VT以及缓冲器等组成。图5-2为555定时器的外引线排列图。5-1锁定电路的原理图第11页图5-1CB555的电路结构图5-2外引线排列图（1）电阻分压器由三个3到5千欧的电阻R组成，为变压比较器C1和C2提供基准电压。（2）电压比较器由C1和C2组成，当控制电压输入端CO悬空时，C1和C2基准电压分别为2/3Vcc和1/3Vcc。C1的反向输入端TH称为555定时器的高触发端，C2的同向输入端称为555TR定时器的低触发端。（3）基本RS触发器第12页基本RS触发器由两个与非门G1和G2构成。比较器C1的输出作为置0输入端，若C1输出为0，则Q=0；比较器C2的输出作为置1输入端，若C2输出为0，则Q=1。是定时器的复位输入端，只要=0，定时器的输出端OUT则为0。正常工作时，RR必须使处于高电平。（4）放电管VTVT是集电极开路的三极管，VT的集电极作为定时器的引出端D。（5）缓冲期缓冲器由G3和G4构成，用于提高电路的负载能力。2工作原理555定时器的工作原理比较简单。为置0输入端，当=0时，定时器的输出OUT为0；当=1时，555定时RRR器具有以下功能：（1）当高触发端TH2/3Vcc，且低触发端1/3Vcc时，比较器C1输出为低电TR平；C1输出的低电平将RS触发器置于0状态，即Q=0，使得定时器的输出OUT为0，同时放电管VT导通。（2）当低触发端1/3Vcc时，定时器的输出OUT和放电管VT的状态保持不变。根据以上分析，可以得出555定时器的功能表，见表5-1。表5-1555定时器的功能表输入输出THTRROUTVT00导通CV32CV3110导通1不变不变第13页CV32CV311不变截止第14页第6章电路的仿真此次电路仿真运用的EWB仿真软件，在仿真过程中也遇到少许问题，例如EWB元器件库中没有光电耦合器之类的元器件而只能用开关代替。而且在仿真电路时不能改变元器件库里面设置好的元件参数。但是，通过努力，最终仿真还是比较成功。对于白天不工作和夜晚工作的电路都通过了仿真。6.1白天不工作电路的仿真U1LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2C110nFJ1AKey=AJ210mA0mAX112VD11N4007R422kVCC12V245R2510Q12N2221A79C2100uF8R510kKey=B50%R35.11kU2DC10M0.062uV+-6R1510VCC1J3Key=D306-1白天有光照不工作的仿真图6.1.1仿真电路现象灯泡不亮。6.1.2仿真电路原理如图6-1，白天有光照射时，VTL2呈现导通状态，使IC的4脚（复位端）为低电平，整个控制电路白天被锁定而不工作，不管有无人进入控制区灯泡都不会亮。第15页6.2夜晚工作电路的仿真U1LM555CMGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2C110nFJ1AKey=AJ210mA0mAX112VD11N4007R422kVCC12V245R2510Q12N2221A79C2100uF8R510kKey=B50%R35.11kU2DC10M11.713V+-6R1510VCC1J3Key=D30图6-2晚上无光照电路工作的仿真图6.2.1仿真电路现象灯泡发光。6.2.2仿真电路原理如图6-2，在晚上，VTL2因无光照射而呈现截止状态，IC的4脚变为高电平，整个光控电路开始进入工作状态。当有人进人光控区后，VTLl截止、VT2饱和，IC的2脚变为低电平，IC的3脚输出高电平，使VT受触发而导通（相当于仿真图中开关闭合），照明灯EL被点亮。当人离开光控区时，光线照射使VTL1饱和、VT2截止，IC的2脚变为高电平，电源经过RP对C1充电，当充电结束时，IC块7脚变为高电平，电路发生翻转，IC块暂稳态结束后，其3脚恢复低电平，使VT截止，照明灯EL熄灭。第16页总结通过这次毕业设计，使我受到了一次应用所学的专业知识、专业技能分析和解决问题的全面系统的锻炼。使我在综合知识的选用方面，在产品开发的基本思想、方法方面，以及在常用电路分析思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步。