課程設(shè)計(jì)報(bào)告----光控自動(dòng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　光學(xué)課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)課題：光控自動(dòng)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué)校： </p><p>　　學(xué)院： </p><p>　　專業(yè)： </p><p><b>　　學(xué)生姓名： <

2、;/b></p><p><b>　　指導(dǎo)老師： </b></p><p><b>　　12年 11 月</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文主要展現(xiàn)了光控路燈原理圖的設(shè)計(jì)過(guò)程。并用Multisim v11.0進(jìn)行了仿真。通過(guò)把

3、整個(gè)任務(wù)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)的方式，把設(shè)計(jì)分成電源變換模塊，開(kāi)關(guān)控制模塊，開(kāi)關(guān)模塊。分別介紹了各個(gè)模塊的原理以及相關(guān)調(diào)試。然后，把各個(gè)模塊組裝在一起進(jìn)行了性能分析。最后，組裝真實(shí)電路，并展示成品。</p><p>　　關(guān)鍵詞：光控路燈 Multisim v11.0 仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Th

4、is paper is the presentation of the circuit design of street lamps controlled by light.And the design is simulated using Multisim v11.0.The whole process is divided into three parts:the part for power shifter,the part fo

5、r switch controller and the part for switch.Also ,the theoriy of each part has been discussed in detail in this paper.Then ,the three parts are assembled and tested together by the software.At last, assembly the real cir

6、cuit, and show finished.</p><p>　　Key words: street lamps controlled by light Multisim v11.0 simulation</p><p><b>　　1概述</b></p><p>　　如今，光電產(chǎn)業(yè)的結(jié)合已經(jīng)是未來(lái)光機(jī)電一體化趨勢(shì)的代表。這一結(jié)合最與

7、我們息息相關(guān)的就是街道上光控路燈的使用。我們經(jīng)?？梢钥吹剑刻彀?，當(dāng)天色較暗，路邊的路燈便自動(dòng)點(diǎn)亮；每到清晨，當(dāng)太陽(yáng)照亮整個(gè)街道時(shí)，一排路燈就自動(dòng)熄滅。其實(shí)，實(shí)現(xiàn)這些功能的并不是哪位辛勤的街道管理者，而是光電器件的杰作。其中，其主要作用的，就是光敏電阻的使用。</p><p>　　本文所要做的，便是用軟件模擬整個(gè)光控路燈的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，仿真成功后制作真實(shí)電路。仿真所用的軟件是Multisim v11.0。它是一款基

8、于Windows 操作環(huán)境下的電路設(shè)計(jì)工具。利用Multisim v11.0,能夠?qū)崿F(xiàn)繪制電路原理圖并提供連續(xù)性的仿真信息。這樣可以極大地縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本。可以說(shuō)，如今，基于電子計(jì)算機(jī)的EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）已經(jīng)成為廣大電子開(kāi)發(fā)人員的首選。</p><p>　　最后說(shuō)明一下本文重點(diǎn)討論的問(wèn)題：實(shí)現(xiàn)光控路燈的原理圖設(shè)計(jì)，具體要求如下：</p><p>　　1）采用光敏電阻進(jìn)行光控&

9、lt;/p><p>　　2）在適當(dāng)強(qiáng)光下，燈滅；弱光下，燈亮。</p><p>　　4）選擇適當(dāng)?shù)墓饷綦娮杵骷鳛楣饪仉娐返闹髟?lt;/p><p>　　5）設(shè)計(jì)合適的光控電路原理圖；</p><p>　　6）利用Multisim v11.0軟件模擬此電路，分析各參數(shù)。</p><p>　　7）按照仿真成功的原理圖制作實(shí)驗(yàn)

10、電路并進(jìn)行調(diào)試。</p><p><b>　　2設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　根據(jù)課題要求，我們可以將設(shè)計(jì)分成三個(gè)模塊：電源變換模塊，開(kāi)關(guān)控制模塊，開(kāi)關(guān)模塊。</p><p>　　路燈一般使用交流市電作為供電電源。而我們電路中的各種控制電路則需要使用直流電，所以，必須進(jìn)行電源變換。常用的方法是整流濾波后進(jìn)行穩(wěn)壓。</p>

11、<p>　　若要滿足路燈在室外光強(qiáng)強(qiáng)時(shí)關(guān)閉，弱時(shí)開(kāi)啟，也就是要一個(gè)回差控制。顯然，要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能需要使用具有回差特性的原件。一般是用斯密特觸發(fā)器或滯回比較器。我們可以專門用基本原件來(lái)設(shè)計(jì)斯密特觸發(fā)器，但是目前已有專用的集成原件，如555定時(shí)器，使用這些集成芯片不但方便，而且性能穩(wěn)定。</p><p>　　最后，要實(shí)現(xiàn)對(duì)燈開(kāi)關(guān)的控制，必須使用具有模擬開(kāi)關(guān)特性的器件，如三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等。這里，我們使用一種

12、叫做雙向晶閘管的器件，用它作為開(kāi)關(guān)原件可以有更好的效果。</p><p>　　最后把三個(gè)部分連接起來(lái)，便構(gòu)成了整個(gè)控制系統(tǒng)：它的工作方式可以定性的解釋為：當(dāng)光照在光敏電阻上時(shí)，其阻值發(fā)生改變，從而其兩端的電壓也會(huì)相應(yīng)變化，用這個(gè)電壓去控制光路控制模塊，使之有不同的輸出，這個(gè)輸出又去控制開(kāi)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的改變。而由于開(kāi)關(guān)控制模塊在輸入上升和下降是有不同的控制電壓，故整個(gè)系統(tǒng)在正反向的控制光強(qiáng)也不同。（如下圖）</

13、p><p>　　下面，我們根據(jù)以上思路進(jìn)行各部分的設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　3電路原理</b></p><p>　　3.1電源變換模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　一般地，電源變換采用整流濾波后穩(wěn)壓的方法。具體電路如下：</p><p>　　首先，市電經(jīng)過(guò)變壓器耦合進(jìn)行降壓，然后通過(guò)一個(gè)由二極

14、管組成的整流橋進(jìn)行整流。二極管整流的原理是：如上圖，當(dāng)變壓器副邊輸出在正半周時(shí)，電流分別經(jīng)過(guò)D1，R1，D4回到變壓器；當(dāng)變壓器副邊輸出在負(fù)半周時(shí)，電流分別經(jīng)過(guò)D3，R1，D2回到變壓器。這樣，不管是在正半周還是負(fù)半周，始終有電流流過(guò)R2，而且方向不變。這叫做全波整流。我們可以單獨(dú)看看全波整流的效果，測(cè)試圖如下：</p><p><b>　　測(cè)試結(jié)果見(jiàn)下圖：</b></p>&

15、lt;p>　　由圖可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)整流后輸出只有正半周。</p><p>　　電容C1（見(jiàn)圖1）起著濾波的作用。即濾去交流分量。一般地，電容越大，濾波效果愈好。</p><p>　　最后一部分是集成的三段穩(wěn)壓器。只要提供的輸入電壓滿足其要求，它的輸出端就能輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓。波形：</p><p>　　通過(guò)如上處理，交流輸入可以相當(dāng)于一個(gè)穩(wěn)定的直流輸出，這給后面的控

16、制部分提供了穩(wěn)定的直流電壓。</p><p><b>　　3.2開(kāi)關(guān)控制模塊</b></p><p>　　開(kāi)關(guān)控制模塊主要用555定時(shí)器搭成的斯密特觸發(fā)器構(gòu)成。</p><p>　　下面介紹一下此模塊的原理：</p><p>　　555定時(shí)器是一個(gè)多功能的集成芯片，利用它可以極其方便的構(gòu)成多諧振蕩器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，斯密特

17、觸發(fā)器。而本文正是使用555定時(shí)器構(gòu)成斯密特觸發(fā)器來(lái)完成對(duì)開(kāi)關(guān)的控制功能。它的內(nèi)部組成如下：</p><p>　　它主要分為3個(gè)部分：比較部分，鎖存部分，輸出部分。</p><p>　　比較部分有放大器C1，C2組成。由圖可見(jiàn),。根據(jù)輸入端口和與這兩個(gè)電壓的關(guān)系組合，可以使鎖存器處于不同狀態(tài)，從而輸出處于相應(yīng)的狀態(tài)。</p><p>　　根據(jù)電壓比較器的特點(diǎn)和與非門

18、鎖存器的真值表，我們可以得到如下的狀態(tài)關(guān)系表：</p><p>　　不難發(fā)現(xiàn)，如果把和接在一起作為輸入，當(dāng)它們?cè)诤椭g變化時(shí)，如果變化的方向不同，那么輸出有不同的狀態(tài)。這就可以構(gòu)成斯密特觸發(fā)器。以下是具體連接圖：</p><p><b>　　下面具體來(lái)看：</b></p><p>　　1）當(dāng)< 時(shí)，由上表，=1，=0，=1；</p&

19、gt;<p>　　2）當(dāng)<< 時(shí)，==1，保持不變；</p><p>　　3）當(dāng)>時(shí)，=0，=1，=0；</p><p><b>　　再看從下降的過(guò)程。</b></p><p>　　1）當(dāng)<<時(shí)，==1，=0保持不變；</p><p>　　2）當(dāng)< 時(shí)，=1，=0，=1。

20、</p><p>　　由上面的分析，可以畫(huà)出如下輸入輸出特性曲線：</p><p>　　可見(jiàn)，這是典型的斯密特觸發(fā)器工作狀態(tài)圖。它的回差電壓是-=。利用這點(diǎn)，我們可以很好的實(shí)現(xiàn)光控的回差特性。</p><p>　　下面我們來(lái)測(cè)試一下斯密特觸發(fā)器的特性。測(cè)試圖如下：</p><p>　　根據(jù)前面的分析，若Vcc為12V，則兩個(gè)回差點(diǎn)分別是4V，

21、8V。如果輸入一個(gè)合適的正弦波，那么我們可以想見(jiàn)，當(dāng)電壓有0升到8V的過(guò)程中，輸出為高電平；過(guò)了8V以后變低電平；當(dāng)電壓下降時(shí)，降到4V以前，會(huì)保持低電平，低于4V后會(huì)到高電平。輸出將是矩形波。以下是輸出結(jié)果：</p><p>　　從上圖可見(jiàn)，我們的預(yù)想完全和實(shí)際一樣。</p><p><b>　　3.3開(kāi)關(guān)模塊</b></p><p>　　這

22、部分就是一個(gè)雙向晶閘管。首先介紹一下該器件。它是由2個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成。</p><p>　　圖a)是器組成圖。它是由P，N型材料如圖疊在一起構(gòu)成的。中間抽出一個(gè)引線作為控制電極G。當(dāng)G上不加電壓是，不管A，K之間為何種電壓，總有PN結(jié)處于反偏，器件不導(dǎo)通；但是但AK間加上正向電壓后，若GK間也加上正向電壓，則下面的ＰＮ結(jié)導(dǎo)通。圖b)是其等效圖。這是VT2基極有電流，其發(fā)射極的電流將為；而VT2的發(fā)射極又是V

23、T1的基極，那么VT1的發(fā)射極電流將為，VT1的發(fā)射極又是VT2的基極，如此循環(huán)下去，電流會(huì)在正反饋的作用下很快放大，是管子處于導(dǎo)通狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程叫做觸發(fā)式導(dǎo)通。</p><p>　　雙向晶閘管是由2個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成，工作原理與上面相似，但是它在AK間的電壓為正負(fù)極性時(shí)，只要G有觸發(fā)電壓，都可以導(dǎo)通。所以，在交流供電時(shí)也可以使用。</p><p>　　我們可以來(lái)看一下雙向晶閘管的工作

24、情況，測(cè)試圖如下：</p><p>　　可見(jiàn)，當(dāng)電壓超過(guò)2V后雙向晶閘管開(kāi)始導(dǎo)通。一旦導(dǎo)通，其電阻比較小。</p><p><b>　　4分析調(diào)試</b></p><p>　　以上，我們分別介紹了各部分的原理，現(xiàn)在我們生成總體原理圖。</p><p>　　考慮到555的輸入電壓如何使其按照期望達(dá)到相應(yīng)臨界點(diǎn)（1/3Vcc

25、、2/3Vcc），我們采用了光敏電阻。</p><p>　?、佼?dāng)有光照時(shí)，光敏電阻阻值變小，斯密特觸發(fā)器輸入電壓會(huì)上升，當(dāng)達(dá)到2/3Vcc時(shí)，輸出低電平，晶閘管斷開(kāi)，燈滅。</p><p>　?、诋?dāng)無(wú)光照時(shí),光敏電阻阻值變得很大，斯密特觸發(fā)器輸入電壓會(huì)下降，當(dāng)達(dá)到1/3Vcc時(shí)，輸出高電平晶閘管接通，燈亮。</p><p>　　光照亮度變化時(shí)，上述變化會(huì)自動(dòng)發(fā)生。&

26、lt;/p><p>　　首先我們必須根據(jù)所選用的光敏電阻的型號(hào)來(lái)設(shè)置一些參數(shù)。</p><p>　　由圖4-1可見(jiàn)，我們主要是通過(guò)光敏電阻R3和電阻R4分壓來(lái)控制的。R3的阻值在2個(gè)光照回差值時(shí)必須有如下關(guān)系：</p><p><b>　　和 </b></p><p>　　所以，R3的阻值在2個(gè)光照回差值時(shí)分別應(yīng)該為和&l

27、t;/p><p>　　據(jù)此，我們選了光電阻阻值為10k-20k的光敏電阻R4和0-100k的滑動(dòng)電阻R3作為調(diào)試所用。次電阻組合還可以決定根據(jù)光強(qiáng)的強(qiáng)弱來(lái)控制電路。</p><p>　　上面是全局圖。R4是光敏電阻。</p><p>　　當(dāng)外界有光照射到光敏電阻上時(shí),波形圖如下：</p><p>　　光照降低時(shí)時(shí)，光敏電阻阻值會(huì)上升，斯密特觸發(fā)器

28、輸入電壓會(huì)下降。波形圖如下：</p><p>　　最后，需要說(shuō)明的是，有時(shí)候由于車輛的閃光燈或者夜雨天氣的閃電等會(huì)誘導(dǎo)光控出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以我們加入了電容C3和可變電阻R6起一個(gè)延時(shí)作用（如圖13）。只要在延時(shí)時(shí)間內(nèi)外界偶然刺激消失了，那么燈泡不會(huì)有反應(yīng)。對(duì)于還有其他的沒(méi)有說(shuō)明的電阻和電容，都是因?yàn)樵谶B接各個(gè)模塊是為了避免各自輸入輸出電阻的互相影響而加入的，其參數(shù)值都是經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)選定的，所以對(duì)仿真結(jié)果無(wú)影響。<

29、;/p><p><b>　　5 真實(shí)電路</b></p><p><b>　　電路作品如下：</b></p><p><b>　　6小結(jié)與心得</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的是各個(gè)模塊的連接。因?yàn)檫B接時(shí)各個(gè)模塊的輸入輸出電阻相互影響，所以結(jié)果會(huì)與單獨(dú)分析有出入，甚至

30、有很大差別。所以連接時(shí)要加入電阻電容等器件。這點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)花了很多時(shí)間。真實(shí)電路調(diào)試與仿真調(diào)試亦有很大區(qū)別。</p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，讓我真正體驗(yàn)了一次探索學(xué)習(xí)的過(guò)程。在設(shè)計(jì)中一次次遇到問(wèn)題時(shí)的苦惱，一次次解決問(wèn)題時(shí)的欣喜，一次次在眾多心儀的方案中取舍時(shí)的糾結(jié)，都給我留下了深刻的印象。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的主要收獲是不但鞏固了電子技術(shù)的相關(guān)知識(shí)，也體驗(yàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

31、（CAD）的過(guò)程。更重要的是，讓我提高了根據(jù)需求主動(dòng)獲取知識(shí)和靈活使用理論知識(shí)的能力。</p><p>　　雖然本次設(shè)計(jì)原理圖有比較好的仿真結(jié)果，但是實(shí)際還是和理論仿真有一些出入的。唯一不足的就是不能精確地確定光強(qiáng)為何值時(shí)電路工作，只能是個(gè)大概。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 華成英，童詩(shī)白.模擬