曹龙路灯控制器设计

1、课程设计名称： 电子技术课程设计题 目： 路灯控制器设计专 业：电气工程及其自动化 班 姓 名：曹龙 学 号：0926630102辽宁工程技术大学课 程 设 计 成 绩 评 定 表课程设计任务书一、设计题目路灯控制器设计二、设计任务1.具有光控功能，白天光线较亮、即使有声音时路灯也不亮，光线较暗、有声音时路灯点亮；2. 具有声控功能，晚上光线较暗、有声音时路灯点亮，声音消失后延时照明一段时间后自动熄灭。三、设计计划电子技术课程设计共1周。第1天：针对选题查资料，确定设计方案；第2天：方案分析比较，电路原理设计，进行元器件及参数选择； 第34天：电路仿真，画电路原理图；第5天：编写整理设计报告。

2、四、设计要求1. 画出整体电路图；2. 对所设计的电路全部或部分进行仿真，使之达到设计任务要求；3. 写出设计报告书。指 导 教 师：陈忠华时 间：2011-6-23 年月日目录1 设计任务 . 12 基本要求 . 13 设计方案 . 13.1 路灯控制器的原理 . 13.2 光敏电阻调光路 . 13.3 光敏电阻式光控开关 . 23.4 光敏电阻调光路 . 23.5 继电器 . 33.6 电路的分析 . 34 电路原理图设计 . 35 路灯控制器的硬件设计 . 45.1 路灯控制器的设计 . 45.2 器件的选择 . 55.2.1 三端稳压集成电路 . 55.2.2 半导体二极管 . 75.

3、2.3 发光二极管 . 75.2.4 光敏电阻 . 86 课程设计体会 . 97 参考文献 . 10辽宁工程技术大学电子技术课程设计1 设计任务用中小规模的集成电路设计一个路灯控制器2 基本要求路灯随日照光亮度的变化而自动开启和关闭，当光照强度强的时候，路灯关闭的时候，光照弱，路灯开启3 设计方案随着能源问题越来越引起人们的重视，节能已经成为生产应用中不可忽视的一方面，路灯控制器主要用于安装在公共场所或道路两旁的路灯通常希望随日照光亮度的变化而自动开启和关断，既满足行人的需要，更重要的是它能节电。了解常用路灯控制的各种方法，及各自的优缺点，通过相互的比较，确定设计方案，并对所用传感器进行选型，

4、同时加以电路的设计与分析，完成设计任务。下面分别对路灯控制器的原理，路灯控制器中用到的主要元件以及在电路中作用的分析。3.1 路灯控制器的原理此路灯控制器设计主要由光敏元件，放大器，继电器，受控灯和电源电路组成。继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。在这个电路中随着光照的变化，继电器会相应的吸合或者断开，即决定路灯工作与否。白天，光照强度强，光敏电阻R2呈现低阻状态，VT1基极电位降低，VT1和VT2处于截止状态，继电器K不吸合，灯L不亮。当夜幕降临时，光照强度弱光敏电阻R2阻值逐渐变大，VT1基极电阻上升，当上升到一定程度后，VT1导通

5、，VT2随之导通，继电器K吸合，灯L点亮。3.2 光敏电阻调光路当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加，使加在电容上的电压上升，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则光敏电阻阻值下降，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光亮度的控制。1辽宁工程技术大学电子技术课程设计图1 光敏电阻调光路3.3 光敏电阻式光控开关以光敏电阻为核心元件的带继电器控制输出的光控开关电路有许多形式，在本实验中我用了简单的继电器开关电路。其工作原理是：光照下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发导通，激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点段开，实现对外电路的控制。图2 光敏电阻式光控

6、开关电路3.4 光敏电阻调光路当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加，使加在电容上的电压上升，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则光敏电阻阻值下降，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光亮度的控制。2辽宁工程技术大学电子技术课程设计3.5 继电器以光敏电阻为核心元件的带继电器控制输出的光控开关电路有许多形式，在本实验中我用了简单的继电器开关电路。其工作原理是：光照下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发导通，激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点段开，实现对外电路的控制。3.6 电路的分析利用光照强度为传感器，目前最为常用且性价比较高的就是光敏电阻，利用其

7、光线较强时，电阻值较低，而光线较暗时则电阻较大的特点，利用电桥，可将光线信号转换成电信号，再通过电压比较器等方式，可以有效地完成控制需要。这类设计中，只要能将光线信号取出，整个设计也便完成了大半，至于控制部分的设计，可采用继电器输出，这样就算驱动较大的路灯负载，只需再加接触器便可完成。在本系统的设计中，如何提高系统在光线临界状态的稳定性，是设计的难点所在。由于光敏电阻的电阻值变化是连续的，因此在靠近临界点时，容易造成不稳定，在设计中若能用运放电路来完成处理，则可将运放接成电压比较器的方式，这样可以完成较为精确的起控；若采用分立元件来处理，可以采用稳压管来稳定工作点，只有当分压大于稳压管的击穿电

8、压时，电路才能起控。声光控路灯控制器可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声响时，路灯自动点亮，从而实现人来灯亮，人走灯灭，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊，卫生间及生活小区等公共场所的照明控制。此控制器经济实用，即使一般的脚步声也能出灯泡发光照明好。4 电路原理图设计如下图设计的路灯控制器电路原理图，使此路灯控制器白天，光敏电阻R2呈现低阻状态，VT1基极电位降低，VT1和VT2处于截止状态，继电器K不吸合，灯L不亮。当夜幕降临时，R2阻值逐渐变大，VT1基极电阻上升，当上升到一定程度后，VT1导通，VT2随之导通，继电器K吸合，灯L点亮。3辽宁工程技

9、术大学电子技术课程设计图3 电路原理图5 路灯控制器的硬件设计5.1 路灯控制器的设计路灯控制器主要由光敏元件，放大器，继电器，受控灯和电源电路组成。白天，光照强度强，光敏电阻R2呈现低阻状态，VT1基极电位降低，VT1和VT2处于截止状态，继电器K不吸合，灯L不亮。当夜幕降临时，光照强度弱光敏电阻R2阻值逐渐变大，VT1基极电阻上升，当上升到一定程度后，VT1导通，VT2随之导通，继电器K吸合，灯L点亮。电路图如下：图4 路灯控制器设计电路在这里继电器是一个主要的元件，继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达4辽宁工程技术大学电子技术课程设计到一定值时，输出量将发生跳跃式变化的自动控制器

10、件。继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx,继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=Ym,即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降 Xf,继电器开始释放，常开触点断开。我们把继电器的这种特性叫做继电特性，也叫继电器的输入输出特性。释放值Xf与动作值Xx的比值叫做反馈系数，即 Kf= Xf /Xx 触点上输出的控制功率Pc与线圈吸收的最小功率P0之比叫做继电器的控制系数，即Kc=Pc/P0。图5 继电器的输入输出特性5.2 器件的选择5.2.1 三端稳压集成电路电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的7

11、8系列和负电压输出的79系列。故名思义，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9013样子的TO-92封装。 用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。次此实践我采用IC7812稳压芯片。值得注意的是：注意三端集成稳压电路的输入、输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般三端集成稳压电路的最小输入、输出电压差约为2V，否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4-5V，即经变压器变压，二极管整流，电容器

12、滤波后的电压应比稳压值高一些。电子产品中常见到的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。故名思义，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9013样子的TO-92封装。用78/79系列三端稳压ic来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流。过热及调整管的保护电路，使用起来可靠。5辽宁工程技术大学电子技术课程设计方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V,7909表示输出电压为负9V。7

13、8/79系列三端稳压IC有很多电子厂家生产，80年代就有了，通常前缀为生产厂家的代号，如TA7805是东芝的产品，AN7909是松下的产品。有时在数字78或79后面还有一个M或L,如78M12或79L24,用来区别输出电流和封装形式等，其中78L调系列的最大输出电流为100mA,78M系列最大输出电流为1A,78系列最大输出电流为15A。它的封装也有多种，详见图。塑料封装的稳压电路具有安装容易。价格低廉等优点，因此用得比较多。79系列除了输出电压为负。引出脚排列不同以外，命名方法。外形等均与78系列的相同。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用，可以用来改装分立元件的稳压电源，

14、也经常用作电子设备的工作电源。注意三端集成稳压电路的输入。输出和接地端绝不能接错，不然容易烧坏。一般三端集成稳压电路的最小输入。输出电压差约为2V,否则不能输出稳定的电压，一般应使电压差保持在4-5V,即经变压器变压，二极管整流，电容器滤波后的电压应比稳压值高一些。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器(当然小功率的条件下不用)。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出15A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个15A,6辽宁工程技术大学电子技术课程设计但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家。同一批

15、号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。在78*.79*系列三端稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装。这两种封装的图形以及引脚序号。引脚功能如附图所示。图中的引脚号标注方法是按照引脚电位从高到底的顺序标注的。这样标注便于记忆。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78*正压系列，输入是最高电位，自然是脚，地端为最低电位，即脚，如附图所示。对与79*负压系列，输入为最低电位，自然是脚，而地端为最高电位，即脚，如附图所示。此外，还应注意，散热片总是和最低电位

16、的第脚相连。这样在78*系列中，散热片和地相连接，而在79*系列中，散热片和输入端相连接。5.2.2 半导体二极管几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，它是诞生最早的半导体器件之一，其应用也非常广泛。二极管种类有很多，作用也很多，主要作用包括整流，限幅，箝位，隔离。我们设计所用的二极管组就是其中的整流二极管。二极管按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。在综合实践中，我用的是整流二极管。1

17、N4002是一种整流二极管，它是利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电。5.2.3 发光二极管发光二极管简称LED，是一种将电能转换为光能的特殊二极管，是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。发光二极管工作于正向偏置状态，正向电流通过发光二级管，它会发出光来，光的颜色视发光管的材料而定，用红色，黄色，绿色等等颜色。正向工作电压一般不超过2v，正向电流为10mA左右，其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。我

18、们最常用的LED是 InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。发光二极管的发光原理同样可以用PN结的能带结构来解释。制作半导体发光二极管的材料是重掺杂的，热平衡状态下的N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率7辽宁工程技术大学电子技术课程设计较低的空穴。由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合。，而当给PN结加以正向电压时，沟区导带中的电子则可逃过PN结的势垒进入到P区一侧。于是在PN结附近稍偏于P区一边的地方，处于高能态的电子与空穴相遇时，便产生发光复合。这种发光复合所发出的光属于自发辐射，辐射光的波长决定于材料的禁带宽度Eg。发光二极管具有可靠性较高，室温下连续工作时

19、间长、光功率电流线性度好等显著优点，而且由于此项技术已经发展得比较成熟，所以其价格非常便宜。因此在一些简易的光纤传感器的设计中，如果LED能够胜任，选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。然而LED的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。因此，在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中，就不得不以提高成本为代价，选用其它更高性能的光源。5.2.4 光敏电阻由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如图所示。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金

20、属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。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。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。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增加了半导体材料中载流子的数

21、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逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。8辽宁工程技术大学电子技术课程设计红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、砷化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自

22、动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。6 课程设计体会大二学期末就进行课程设计，什么都不懂，心里还有些不适应。因为只有一周的时间，所以选则适合自己而又感兴趣的题目很重要，最后我选择了路灯控制器这个设计题目。题目选定后我开始查阅资料，我在图书管借阅了一些书籍又在网上查阅相关资料，把资料进行再整合，在此期间，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和ewb连接图（但是无论如何都不能运行），器件的选择。由于仓促的做这次设计，同时还有对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住