自动调光灯设计

室内灯光亮度自动调节器摘要：光照强度自动检测显示系统，该系统可以自动检测光照强度的强弱并显示让人们懂得此时光照强度的强弱。人们可以设定光照强度的范畴。人们可以通过看此装置的显示理解目前的光照状态，做合理的光照调节。该设计可分为三部分：即光照检测部分、信号解决部分、光强显示部分。对于光照检测部分可运用光敏电阻传感器作为检测元件，它可以完毕从光强到电阻值的信号转换，再把电阻值转换为电信号就可以作为系统的输入信号。对输入信号解决后，就可以用来显示了。对于显示部分可运用发光二极管来显示，不同的光强相应于不同的发光二极管点亮，就能简朴的显示出不同的光强了。 核心词：光敏电阻；光电传感器；光照强度；发光二级管一 、设计规定设计一种光照强度自动检测、显示、系统，实现对外界三种不同条件下光强的分档批示（弱、合适、强）（一）根据题目选定光照强度自动检测所用的光电传感器类型自己设计至少三种以上不同光照条件，测定不同光照条件下光电传感器的输出；传感器测量电路采用集成运算放大器构成的比较器完毕，完毕至少三种以上不同光照条件下显示系统方案的论证和设计；完毕自然光光照强度自动检测显示系统电路方框图、电路原理图的设计；完毕自然光光照强度自动检测显示系统中核心芯片的选型、系统中各个参数的计算（备注： 含多种元件参数的计算过程或根据选定最接近计算成果的元件规格）；设计结束后，进行仿真调试。（二）仿真调试方案给出系统整机电路图。（三）完毕课程设计报告二、方案设计（一）方案阐明传感器选择选用光敏电阻作为采集光照信号的传感器。电阻测试在室外太阳光强照射下、室内合适光照下、室内灰暗条件下三种光照条件下分别测的光敏电阻的阻值为=15.6k欧。方案原理图系统功能描述：考虑到系统的实用价值,拟定了光照合适时的光敏电阻值的范畴为1.4-3.6k欧，当光照过强时，LED1点亮；光照合适时，LED2点亮；黑暗时，LED3点亮。该系统可以完毕光强、,若的显示原理框图如下：LED显示电路光敏电阻光敏电阻信号转换电路信号解决电路 图1 原理框图（二）方案论证光照强度的信号采集部分采用光敏电阻作为信号采集器件。光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无光照时, 光敏电阻值（暗电阻）很大, 电路中电流（暗电流）很小； 当受到光照时，半导体材料电导率增长，电阻减小。其阻值随光照增强而减小。光敏电阻作为光电式传感器的一种，它具有敏捷度高、光谱响应范畴宽；体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐震动、抗过载能力强和寿命长等特点。因此选择光敏电阻采集光照信号，并把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值，电路如原理图所示。于是，就把对光照信号的解决转化为对电压信号V的解决。信号解决部分：采用集成电压比较器LM339N作为信号解决的核心元件，电路连接如原理图所示。光强、合适、黑暗三种光照状态转换为三个电压值V1，V2，V3作为比较器的输入电压；两个比较器设立两个参照电压Vref1，Vref2。工作过程分析如下：光照较强时V1 Vref1Vref2，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V）；光照合适时Vref1V2 Vref2， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0）； 光照黑暗时V3 Vref2 Vref1 两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V）。这样就完毕了从模拟信号到数字信号的转换,显示部分就变得容易了。光强显示部分采用发光二极管显示不同的光强状态。由于比较器的驱动能力有限，因此在输出端加一种上拉电阻提高其驱动能力。电路连接如原理图所示，分析如下：当光照较强时，两个比较器的输出电压分别为（5V，0V），LED1点亮；光照合适时， 两个比较器的输出电压分别为（-5V，0），LED2被点亮； 光照黑暗时，两个比较器的输出电压分别为（-5V，5V），LED2、LED3被点亮。这样三种状态就显示出来了。三、传感器工作原理光传感器是运用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，涉及红外线波长和紫外线波长。光传感器的不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件构成其她传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。光敏电阻器是运用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。她在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。广泛应用于多种控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的高度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及多种测量仪器中。光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性， 纯正是一种电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范畴的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般但愿暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的敏捷度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧如下。该系统可通过光敏传感器将光照强弱信号转化为电信号通过发光二极管显示成为光照强度自动显示检测系统。光照强度不同光明传感器的组织不同，当光照强度很强时，光敏传感器的阻值很小；当光照强度弱时，光敏传感器的组织很大；当光照强度合适时光敏传感器的阻值介于强光和弱光的阻值之间。因此可以通过光敏传感器将光信号变为电信号，并可以运用光照传感器受光照不同阻值不同产生的电信号不同从而显示不同的信号。(一)构成光敏电阻器是运用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而变化的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。尚有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。（二）作用光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。（三）规格型号一般，光敏电阻器都制成薄片构造，以便吸取更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内光敏电阻外形图和电路符号就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。为了获得高的敏捷度，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。一般光敏电阻器构造图所示。光敏构造图光敏电阻器一般由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等构成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表达光敏电阻常用硫化镉（CdS）制成。它分为环氧树脂封装和金属封装两款，同属于导线型（DIP型），环氧树脂封装光敏电阻按陶瓷基板直径分为3mm、4mm、5mm、7mm、11mm、12mm、20mm、25mm 。（四）参数特性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、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。光敏电阻的重要参数是： 光电流、亮电阻光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表达。暗电流、暗电阻光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表达。敏捷度敏捷度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。光谱响应光谱响应又称光谱敏捷度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的敏捷度。若将不同波长下的敏捷度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。光照特性光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增长，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数状况下，该特性为非线性。伏安特性曲线伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。温度系数光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电敏捷较高，而在高温下的敏捷度则较低。额定功率额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所容许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就减少。光敏电阻的实验图（五）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，为了增长敏捷度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料重要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。一般采用涂敷、喷涂、烧结等措施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，以免受潮影响其敏捷度。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，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯正是一种电阻器件，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。光敏电阻原理图（六）应用概述光敏电阻属半导体光敏器件，除具敏捷度高，反映速度快，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，礼物盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及多种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域。下面给出几种典型应用电路。调光电路图(1)是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周边光线变弱时引起光敏电阻的阻值增长，使加在电容C上的分压上升，进而使可控硅的导通角增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周边的光线 变亮，则RG的阻值下降，导致可控硅的导通角变小，照明灯两端电压也同步下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。上述电路中整流桥给出的是必须是直流脉动电压，不能将其用电容滤波变成平滑直流电压，又可使电容C的充电在每个半周从零开始，精确完毕对可控硅的同步移相触发。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，如自锁亮激发、暗激发及精密亮激发、暗激发等等，下面给出几种典型电路。图(1)图(2)是一种简朴的暗激发继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设立值时由于光敏电阻阻值上升激发VT1导通，VT2的鼓励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。图(2)光控开关图(3)是一种精密的暗激发时滞继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设立值时由于光敏电阻阻值上升使运放IC的反相端电位升高，其输出激发VT导通，VT的鼓励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。图(3)（七）优缺陷长处内部的光电效应和电极无关（光电二极管才有关），即可以使用直流电源敏捷度和半导体材料、以及入射光的波长有关环氧树脂胶封装可靠性好、体积小、 敏捷度高、反映速度快、光谱特性好。 缺陷受温度影响较大响应速度不快，在ms到s之间，延迟时间受入射光的光照度影响（光电二极管无此缺陷，光电二极管敏捷度比光敏电阻高）（八）分类按半导体材料分：本征型光敏电阻、掺杂型光敏电阻。后者性能稳定，特性较好，故大都采用它。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：对紫外线较敏捷，涉及硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：重要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。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：涉及硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。重要用于多种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其她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。四、电路的工作原理 图2 整机电路图从电路原理图看其实很简朴，右边三个比较器部分电路完全相似。构造分析如下：（一）供电电源VCC=5V，给分压电路、比较器、发光管、蜂鸣器供电。（二）分压电路涉及光敏电阻分压和基准电阻分压。（三）比较电路比较器的两个比较端一种从光敏电阻一端引出，接入比较器负比较端，另一种从三个基准电阻分压端引出，接入比较器正比较端。若光敏电阻比较端阻值不小于基准电阻，则分压也不小于基准电阻，比较器输出为负，反之亦然。为了分析各部分单元电路之间的关系，我以信号流程做主轴，分析如下：信号采集光敏电阻处在被测环境感光，会有一感光阻值，这样就把被测光信号转化为电信号。信号测量为了懂得光敏电阻的阻值在所分的哪档之间，需要进行测量比较。分压电路和比较电路就是完毕此功能。光敏电阻和基准电阻分别分压接入比较器两端（事实上是被测信号与基准信号比较）。由于另一分压电阻相似，电阻大的分压就多。比较成果反映在比较器的输出端。采用了三个比较电路比较，就可以拟定光敏电阻在四档的哪一档。信号体现通过比较器出来的是电压信号，为了使人能直接感知，接上发光二级管。高电压即点亮发光二级管。五、单元电路设计、参数计算和器件选择（一）单元电路设计设计时须对整个系统进行全面综合考虑。以完毕课题功能规定为前提，尽量使电路简朴清晰。按照前面分析，一方面应将系统分为三个模块，其中测量显示电路重点设计分析如下：电源部分为了驱动比较器，电源电压设立为5V分压电路为了便于分压比较，另一分压电阻均设为相似值比较电路为了符合正常逻辑思维，应当设定光照越强，亮的发光管越多。因此才将光敏电阻分压端接入比较器负比较端。光最强时，电阻最小，分压至少，比较器负输入端都不不小于正输入端，比较器输出都为正，三个发光管都亮。光敏电阻精确持续分压为了实现光敏电阻精确持续分压，仿真时用滑动变阻器替代，一种粗调，一种细调。显示电路为了驱动发光管，应设立上拉电阻，为了保护发光管，应设立限流电阻。（二）参数计算电阻值选择由于本系统最核心要的功能是判断光照与否合适，而当光照合适时光敏电阻的组值R的范畴为1.4-3.6k欧，黑暗时光敏电阻阻值不小于15.6 k欧，为了计算以便，R1选择20 k欧。Vref1，Vref2的计算光照很强时，欧，取R=320欧；光照合适时1.4kR3.6k,取R=1.4k时； 取R=3.6k时； 光照黑暗时，R15.6k取R=15.6k时； 由系统功能及比较器工作原理得：Vref1V1Vref1V2Vref2V2Vref2V3Vref1=4.7V，Vref2=4.2V可以由串联分压电路分压得到：4.7V电压可由一种4.7k电阻和一种300欧的电阻串联于5V电源得到；4.2V电压可由4.2k和0.8k电阻串联得到。但是这两个阻值在金属膜电阻中没有，可以分别用1.5k和2.7k串联，1.6k和1.6k并联得到。上拉电阻R2，R3的计算由于比较器LM339N输出电流为nA级，因此忽视不计；三极管LED导通时，采用恒压降模型，相称于于1.66V的电压源。设LED发光二极管导通时电流为I，则I5mA，于是可得： 因此：R2668；取R2=402即可满足条件。（三）器件选择电源：VCC=5V。基准电阻：精度为1%的金属膜电阻。用来分档，故应等于光敏电阻三种状态下阻值。R1=240 R2=1.5 k R3=150 k光敏电阻：5537。发光二极管：SM210363。表1 比较器LM339重要参数表参数名称符号数值单位电源电压VCC18 或36V差模输入电压VID36V共模输入电压VI-0.3VCCV功耗Pd570mW工作环境温度Topr0 to +70贮存温度Tstg-65 to 150LM339的输出部分是集电极开路,发射极接地的 NPN输出晶体管,可以用多集电极输出提供或 OR ing功能.输出负载电阻能衔接在可容许电源电压范畴内的任何电源电压上,不受 Vcc端电压值的限制.此输出能作为一种简朴的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用),输出部分的陷电流被也许得到的驱动和器件的值所限制.当达到极限电流(16mA)时,输出晶体管将退出并且输出电压将不久上升.输出饱和电压被输出晶体管大概60ohm 的SAT限制。当负载电流很小时,输出晶体管的低失调电压(约1.0mV)容许输出箝位在零电平。重要参数：电压：30V；电流：800mA ；功率：800mW；材料：硅Silicon；极性：NPN型；构造：NPN硅外延平面高频小功率开关晶体管；频率类型：不小于等于 250MHZ；特点：该产品采用外延平面工艺构造，工作频率高、金属封装、体积小、重量轻、安装以便；放大倍数：35-300；使用范畴：产品可用于高频震荡、高频小信号放大、小功率电源调节电路。系统需要的元器件清单表2 元器件清单序号元器件类型元器件规格数量Vcc直流电源稳压直流电5V/1000MA2R2光敏电阻55371R1电阻金属膜电阻9U1A比较器LM3391LED1发光二极管SM2103633BJT1发光三极管BJT（2N6773）2