LED照明自动控制装置

毕 业 设 计（论 文） 论文题目： LED 照明自动控制装置 所属系部： 电子工程系 指导老师： 职 称： 学生姓名： 班级、学号: 专 业： 年年 月月 日日 摘要 随着城市市政建设的发展，传统的路灯控制与维护手段以远远不能适用城 市现代化发展的速度。城市市政建设日新月异，宽阔的街道，各种各样的路灯 给城市带来了光明的同时也增添了城市的魅力。但是由于道路路灯众多，传统 的人工管理模式已经和快速的现代化的城市建设不相适应。本文将介绍用小器 件模拟现实物品。设计个简单的基于光电传感器控制继电器的路灯控制系统， 阐述系统控制的原理。 关键词关键词：光敏电阻 CD4011 555 定时器 目录 前言前言 .5 5 一、设计目的和要求一、设计目的和要求 .6 6 1、设计作用、实用价值.6 2、设计要求.6 二、设计方案二、设计方案 .6 6 1、方案一.6 2、方案二.7 2、设计思路与原理.7 3、实现功能.8 三、元器件的选择三、元器件的选择 .9 9 1、LED 的发光原理 .9 2、LED 光源的基本特征 .9 2.1 发光效率高 .9 2.2 耗电量少.9 2.3 使用寿命长.10 2.4 安全可靠性强.10 2.5 有利于环保.10 3、光敏电阻的介绍.10 3.1 光敏电阻器 .10 3.2 结构 .11 3.3 光敏电阻的工作原理.11 4、 NE555 引脚功能及工作原理 .12 5、CD4011.14 6、9013 9012.15 7、电位器.16 四、电路的安装与调试四、电路的安装与调试 .1616 1、电路的安装与焊接.16 2、调试过程.17 3、实物图.18 结束语结束语 .1919 谢谢 辞辞 .2020 参考文献参考文献 .2121 附录附录 1 1 元器件清单元器件清单 .2222 附录附录 2 2 电路原理图电路原理图 .2323 前言 路灯在我们日益更新的生活中越来越普遍，一般路灯是白天关闭，夜晚 开启。如果人工控制路灯的开关，不但费时费力，而且在天气变化时，不容易 掌握开关路灯的时间，给群众带来很大的不便。在本设计中介绍一种自动光控 灯，这样不但省时省力，节约资源，而且可以提高灯的寿命。采用 555 时基电 路施密特触发器，及电阻、发光二极管或与非门组成自动光控灯电路，会给我 们带来新颖智能的便利；当光线好时，灯不会发光，到光线很差时，灯会自动 开启照明。本文介绍的光控灯只有 1 个 NE555 的芯片、非门 CD4011、贴片电阻 和贴片电容等构成，却可以模拟光控灯，也达到了节电节能的目的，同时它的 原理也有广泛的应用。 一、设计目的和要求一、设计目的和要求 1、设计作用、实用价值 通过自动控制路灯电路有效的节约了能源，减少了人力和物力的浪费。随 着 LED 产业的技术进步、成本的进一步降低，以及人们对环保、安全、节能等 要求的不断提高，LED 在特种领域的应用规模将不断扩大，它已经趋向取代传 统的照明白光 LED 的光效，由于白光 LED 具有的长寿命、无污染、低功耗的优 点。在人们的工作生活中扮演越来越重要的角色。所谓光控路灯，就是能够在 黄昏时自动接通路灯的电源，在黎明时自动关闭路灯，实现对路灯的自动控制。 关于路灯自动控制的电路。基本原理都是相同的，即利用自动控制理论如何让 实现自动控制。实现方式可谓各种各样，五花八门，这也是由于具体的使用要 求和环境的差异所决定的。常见的控制方式有声控，光控以及声光结合的控制， 当然还可以利用单片机，DSP 等微控制器来实现。在保证足够可靠性的基础上， 为了尽量节约成本，利用简易的分立元件来实现，显得既经济又实用，在提倡 节约型社会的今天无疑值得推广。 2、设计要求 设计一个路灯自动控制开关电路，用光敏电阻实现自控，能在天黑时自动 点亮路灯，天亮后又自动关灯。控制电路用电池供电，熄灯后电路耗电小。 (1)利用光敏电阻作为光敏传感器，555 作为滞后比较器来设计电路。 (2)当光线强到一定程度时，555 的输出发生跳变，当光线暗到一定程度 时，555 的输出也要发生跳变。 二、设计方案 1、方案一 利用单片机的定时器功能，实施简洁方便，主要的缺点是当控制系统断电 或死机以后，需要人工重新定时。 2、方案二 利用光敏元件的特性来实现当光照强度足够能自动关闭路灯，用继电器替 代单片机的功能，此方案设计难度低、成本低等优点，设计方框图如图 1 所示。 图 1 设计框图 2、设计思路与原理 电路采用光敏电阻来感受外界光的强弱，然后采用数字电路中应用广泛的 时基定时器 NE555 及与非门 CD4011 组成，并结合光敏元件定时控制路灯的亮暗。 在发射结接上一个继电器，可以控制外接电路的开路或短路。此设计也可以看 做是一个用发光二极管指示的光控开关。采用直流 12V 供电，主要控制电路由 光敏电阻、CD4011、555 定时器组成。白天 RG 阻值小，CD4011 第 1 脚为低电平， 11 脚也为低电平，继电器 K1、K2 不工作，路灯都不亮，随着傍晚来临，RG 阻 值变大，CD4011 第 1 脚变高电平，11 脚也为高电平，Q1 导通，K1 得电，Q2 导 通，555 定时电路工作，K2 吸合，此时路灯都亮，随着 C2 充电，到后半夜，C2 充电电压大于三分之二 VCC 时，555 第三脚变为低电平，K2 断电，只有一半路 灯的得电照明，到第二天白天又回到初始状态，全暗。 D1D2D3D4D5 D6D7D8D9D10 GND R3 2k R5 2k GND VCC TRIG 2 Q3R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U2555 GND C3 103 K2 C4 10uF/25V GND C5 10uF/25V Q2 9012 R4 2K VCC RP1 50K RP2 50K C2 2200uF/25V GND K21 K21 1 2 3 U1A CD4011 5 6 4 U1B CD4011 8 9 10 U1C CD4011 12 13 11 U1D CD4011 R1 2K C1 470uF/25V D11 GND R2 2K Q1 9013 GND K1 K11 K11 VCC 1 2 J1 VCC GND RG 图 2-1 电路原理图 3、实现功能 功能：1、因为每天天黑的时间不是完全一样，所以不能以时间来确定每天 晚上几点亮灯，路灯控制系统中要求路灯根据光线的亮暗来选择打开路灯，而 且亮暗的定义要是可调的，而不是一成不变的。 2、到半夜的时候行人稀少，需要关闭掉一半的路灯，达到节能的效果又 有必要照明的功能，什么时候关闭，时间也需要能可调。 三、元器件的选择 1、LED 的发光原理 发光二极管的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的晶片，在 p 型 半导体和 n 型半导体之间有一个过渡层，称为 p-n 结。在某些半导体材料的 PN 结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放 出来，从而把电能直接转换为光能。PN 结加反向电压，少数载流子难以注入， 故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称 LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从 LED 阳极流 向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流 有关。 2、LED 光源的基本特征 2.1 发光效率高 白炽灯、卤钨灯光效为 12-24 流明瓦，荧光灯 5070 流明瓦，钠灯 90140 流明瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED 光效经改良后将达到达 50200 流明瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色 可见光。目前，世界各国均加紧提高 LED 光效方面的研究，在不远的将来其发 光效率将有更大的提高。 2.2 耗电量少 LED 单管功率 0.030.06 瓦，采用直流驱动，单管驱动电压 1.53.5 伏， 电流 1518 毫安，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电 量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一、日本估计，如采用光效比荧 光灯还要高两倍的 LED 替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相当于 60 亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯 40 多瓦，而采用 LED 每支 的功率只有 8 瓦，而且可以七彩变化。 2.3 使用寿命长 采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。而采用 LED 灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易 破碎。平均寿命达 10 万小时。LED 灯具使用寿命可达 510 年，可以大大降低 灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。 2.4 安全可靠性强 发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角 度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。内置微处理 系统可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术结合。 2.5 有利于环保 LED 为全固体发光体，耐震、耐冲击不易破碎，废弃物可回收，没有污染。 光源体积小，可以随意组合，易开发成轻便薄短小型照明产品，也便于安装和 维护。 3、光敏电阻的介绍 3.1 光敏电阻器 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； 入入射射光光强强，电电阻阻减减小小，入入射射光光弱弱，电电阻阻增增大大。 图 3-1 光敏电阻结构图 3.2 结构 光敏电阻器都制成薄片结构，以 便吸收更多的 光能。当它 受到光 的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子 空穴对，参与导电，使 电路中电流增强。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案， 它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。一般光敏电 阻器结构如右图所示。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜） 和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母 “R”或“RL”、“RG”表示。 3.3 光敏电阻的工作原理 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端装上电 极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度， 两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物 和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、 烧结等方法在绝缘衬底上制作很 薄的光敏电 阻体及梳状欧姆电极，接出引线， 封装在具 有透光镜的密封壳体 内，以免受潮影响其 灵 敏度。在黑暗环境里，它的电 阻值很高，当 受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的 电子 吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空 穴，这种由光照产生的电子 空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电 阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失 后，由光子激发产生的电子 空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。 在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线 照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性， 纯粹是一个电阻器件，使用时既可加 直流电压，也加交流电压。半导体的 导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少 应用： 光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及 r 值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣 环境下，还能保持高度的稳定 性和可靠性，可广泛应用于 照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英 钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光 控玩具，光控灯饰，灯具等光自动 开关控制领域。 4、 NE555 引脚功能及工作原理 555 定时器是一种将模拟电路与数字电路的功能巧妙结合在一起的多用 途单片集成电路。施密特触发器是一种整形电路，它能将边沿变化缓慢的电压 波形整形为边沿陡峭的矩形脉冲。与普通触发器相比，它有以下特点。具有两 个稳定的状态，但没有记忆作用，输出状态需要相应的输入电压来维持。属于 电平触发，能对变化缓慢的输入信号作出响应，只要输入信号达到某一额定值， 输出即发生翻转。具有回差特性，电路对从低电平上升和从高电平下降的输入 信号具有不同的阈值电压，这种回差特性使其具有较强的抗干扰能力。所以用 555 定时器构成施密特触发器来做控制电路。 图 3-1 NE555 芯片图及结构图 555 时基电路是一种双极型的时基集成电路，工作电源为 4.5V18V,输 出电流为 200mA，工作可靠。它含有两个电压比较器，一个基本 RS 触发器， 一个放电开关 T，比较器的参考电压由三只 5K 的电阻器构成分压，它们分 别使高电平比较器 C1 同相比较端和低电平比较器 C2 的反相输入端的参考电 平为 23Vcc 和 13Vcc。C1 和 C2 的输出端控制 RS 触发器状态和放电管开 关状态。当输入信号输入并超过了 23Vcc 时，触发器复位，555 的输出端 3 脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自 2 脚输入并低于 13Vcc 时，触发器置位，555 的 3 脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 是复位端，当其为 0 时，555 输出低电平。平时该端开路或接 Vcc。 Vco 是控制电压端（5 脚） ，平时输出 23Vcc 作为比较器 A1 的参考电平， 当 5 脚接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一 种控制，在不接外加电压时，通常接一个 0.01F 的电容器到地，起滤波作用， 以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。 T 为放电管，当 T 导通时，将给于脚 7 的电容器提供低阻放电电路。 555 电路的引脚功能如下图： 表表 3-1 芯片引脚功能芯片引脚功能 5、CD4011 CD4011 真值表： 逻辑表达式：A=Y.B XYQ 动作 00? 禁止 011 设定 100 重置 11 不变无 (1)当 X=0、Y=0 时，将使两个 NAND 门之输出均为 1，违反触发器之功用， 故禁止使用。如真值表第一列。 (2)当 X=0、Y=1 时，由于 X=1 导致 NAND-A 的输出为”1”，使得 NAND-B 的 两个输入均为”1”，因此 NAND-B 的输出为”0”，如真值表第二列。 (3)当 X=1、Y=0 时，由于 Y=0 导致 NAND-B 的输出为”1”，使得 NAND-1 的 两个输入均为”1，因此 NAND-A 的输出为”0”，如真值表第三列。 (4)当 X=1、Y=1 时，因为一个”1 不影响 NAND 门的输出，所以两个 NAND 门的输出均不改变状态，如真值表第四列。 CD4011 引脚图及引脚功能: 图 3-3 CD4011 引脚图 管脚功能： 1A 数据输入端 2A 数据输入端 3A 数据输入端 4A 数据输入端 1B 数据输入端 2B 数据输入端 3B 数据输入端 4B 数据输入端 VDD 电源正 VSS 地 1Y 数据输出端 2Y 数据输出端 3Y 数据输出端 4Y 数据输出端 CD4011 内部结构框图: 图 4-4 CD4011 内部逻辑结构图 6、9013 9012 半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。 它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。本设 计中是用于电流放大。 9013 是一种低电压,大电流,小信号的 NPN 型三极管和 9012（PNP）相对。 图 3-5 9013NPN 型三极管 7、电位器 作用：调节电压（含直流电压与信号电压）和电流的大小。 结构特点：电位器的电阻体有两个固定端，通过手动调节转轴或滑柄，改 变动触点在电阻体上的位置，则改变了动触点与任一个固定端之间的电阻值， 从而改变了电压与电流的大小。 四、电路的安装与调试四、电路的安装与调试 1、电路的安装与焊接 电路安装要注意几个原则：先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等； 一定要注意排版，不能东倒西歪，方向应尽量一致；布线尽量使电源线和地线 靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；最好分模块安装。按电路原理 图组装电路，此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为 有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停留太久；同时 过焊铜片将脱落，给焊接带来不必要的麻烦、也将影响板子的视觉效果。焊接 时注意有极性的元件如电解电容、三极管等元件时千万不要装反，注意极性的 正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。 2、调试过程 光敏电阻的测试：用指针式万用表两表笔分别接光敏管的两极，凸面朝向 阳光，应为低电阻，若为高阻，对调两表笔为低阻说明此管是好的。 二极管测试：二极管具有单相导电性，所以，在测试时，红笔接负极，黑 笔接正极，若是导通，发光二级管亮。则表明二极管是正常的，若不是则表明 二极管是坏的。 检查电路在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路图 按照一定顺序逐级检测，特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二 极管是否接反，轻轻拨一拨元器件，观察焊点是否牢固。 电解电容器的极性检测： 电解电容的正负极性不允许接错，当极性接反时， 可能因电解液的反向极化，引起电解电容器的爆裂。当极性标记无法辨认时， 可根据正向连接时漏电电阻大、反向连接时漏电电阻相对小的特点判断极性。 交换表笔前后两次测量漏电电阻，阻值大的一次，黑表笔接触的是正极，因为 黑表笔与万用表内电池正极相接（采用数字万用表时，红表笔接电池正极） 。但 用这种办法有时并不能明显地区分正、负向电阻，所以使用电解电容时，要注 意保护极性标记。 调试先用万用表测量电路有关点电位是否正常。检查发光二极管是否正常 工作。发现不正常现象时，及时找出原因进行修改，注意接线不得有误，接入 电源。在光电二极管有光与无光的情况下看总体电路的工作情况。观察灯泡是 否按要求进行变化。如不能顺利完成以上功能，则应认真检查电路的连接及功 能设计是否有误并作出相应调整。 由于本制作采用市电直接供电，因此操作时要特别小心，否则容易发生触 电事故。在调试时若有直流稳压电源，可采用 12V 直流电源进行调试。 3、实物图 结束语结束语 灯是居家照明的重要组成部分（如楼道、卫生间、小巷等） ，普通白炽灯寿 命短，光效低造成了能源的巨大浪费。在地球资源日渐衰竭的今日，环保、节 能是当今各产业发展的重心，尤其是需要消耗大量电力的照明产业，在灯种的 研发上，更是趋向环保、节能的特性上著眼。因此，开发新型高效、节能、寿 命长、显色指数高、环保的光源对居家照明节能具有十分重要的意义。由此 LED 灯的诸多优点在未来有可能取代传统的照明设备，尤其是白光 LED，更被灯 饰界寄以厚望，是照明产品的新兴光源，有绿色照明光源之称，未来将光 芒耀眼，发展潜力无限。白光 LED 具有体积小、发热量低、寿命长、耗电量小、 反应速度快等众多优点，却无白炽钨丝灯泡高耗电、发热量大，光效能低，易 碎及萤光粉灯废弃物含汞污染环境等缺点，因此十分被灯饰业者看好。通过学 习了本次设计，我学到了很多以前专业课上没学过的东西，弥补了以往专业课 所学过而遗忘了的知识。在中国这个高速发展的国家，只有不断更新自己，不 断的吸取知识的精华，才能在这现实而又充满排挤的社会上生存下来！在这次 的设计中，我发觉自己还很弱，还得不断的充电，以使自己的能力再有所提 高 谢谢 辞辞 长途跋涉，为的是到达终点的甘甜和芳香。论文写到这里，大学生活也要 慢慢划上句号。从开学初的资料查找，论题选择，到中间的思忖和写作，再到 最后的修改与润色，这篇拙文也就这样静静地躺在您的手里，只怪自己知识积 淀得还不够深厚，但还是有很多人需要感谢，我真的心存感激。 感谢我的论文指导老师刘老师的谆谆教诲，感谢您在忙碌的教学工作 和生活中抽出时间来给我们解答各种问题，悉心指导，提出了许多宝贵意见。 刘老师的和蔼赢得了我们许多同学的敬佩，希望敬爱