光控路灯的设计.doc

成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文） 光控路灯系统的设计16成都电子机械高等专科学校成教院毕业设计（论文） 光控路灯系统的设计摘 要随着我国经济发展迅猛，国民对电能的使用日益提高，与此而来的就是电能的浪费。目前国内路灯照明光源一般采用高压钠灯、高压汞灯和金属卤化物灯。常出现开灯早，关灯晚；或者开灯晚，关灯早的现象，不仅造成巨大的电能浪费、影响人们日常生活，还会损害城市形象、影响社会治安和交通安全，从而影响城市的投资环境。 总之，伴着城市规模的不断扩大，现有的路灯管理的方式方法已远远不能满足城市路灯发展与管理的需要，必须依靠现代化的高科技管理手段。光控路灯开关的发明与使用就显得十分重要。本设计基于光敏电阻的基本原理，设计了一个基于光控开关的路灯自动控制系统，实现路灯的智能控制。该系统主要由内光电转换级、运放滞后比较级、驱动级等组成，通过对光控电路的设计、仿真，为最终的实际应用提供参考依据。并分析了研究过程中出现的问题，逐步找出光控开关的最佳设计方法。关键词：光控路灯开关 光敏电阻 光电转换 驱动电路Abstract As Chinas rapid economic development, increasing use of national power, and this is waste of energy. Domestic lighting generally uses high pressure sodium lamp, high pressure mercury lamp and metal halide lamps. Lights often appear early, turn off the light night; or turn the light night, turn off the lights earlier, causing huge waste of energy, not only affect peoples daily lives, also hurt the citys image, the impact of public order and safety, thus affecting the citys investment environmentIn short, with the urban scale expanding, existing street lamp management ways and fall far short of meeting the needs of development and management of urban streetlight, we must rely on modern high-tech management method. Invention and use of light controlling Street lamp switch is very important. This design is based on principles of photosensitive resistance, design a street lamp control system based on light switches, intelligent control for street lamps. The system within the mainly by comparison of photoelectric conversion level, operational lag-, driver-level composition, through light control circuit design, simulation, and provide the reference framework for the practical application of the final. Study on and analysis of the problems arising in the process, step by step to find out optimal design method of optical switch.Key words：electric lamp switch photoconductive resistance Photoelectric drive circuit 目 录第一章 绪论1第一节 选题背景1第二节 光电子技术简介1第二章 系统整体设计3第一节 光控制路灯控制器课程设计的目的3第二节 光控制路灯控制器的设计任务与要求3第三节 方案的提出3第三章 硬件电路测试5第一节 电路设计5第二节 实物图10第四章 电路的检测与调试11第一节 安装调试过程11第二节 安装调试过程中所遇问题及解决方法12第五章 总结与展望13结束语14谢 辞15参考文献16第一章 绪论第一节 选题背景光电子技术是继微电子技术之后近 30 年来迅猛发展的综 合性高新技术。 1962 年半导体激光器的诞生是近代科学技术史 上一个重大事件。经历十多年的初期探索，从 70 年代后期起， 随着半导体光电子器件和硅基光导纤维两大基础元件在原理 和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始结合并形成了 具有强大生命力的信息光电子技术和产业。 光电子技术是一个比较庞大的体系，它包括信息传输，如 光纤通信、空间和海底光通信等；信息处理，如计算机光互连、 光计算、光交换等；信息获取，如光学传感和遥感、光纤传感 等；信息存储，如光盘、全息存储技术等；信息显示，如大屏 幕平板显示、激光打印和印刷等。其中信息光电子技术是光电 子学领域中最为活跃的分支。在信息技术发展过程中，电子作 为信息的载体作出了巨大的贡献。但它也在速率、容量和空间 相容性等方面受到严峻的挑战。采用光子作为信息的载体，其 响应速度可达到飞秒量级、比电子快三个数量级以上，加之光 子的高度并行处理能力，不存在电磁串扰和路径延迟等缺点， 使其具有超出电子的信息容量与处理速度的潜力。充分地综合 利用电子和光子两大微观信息载体各自的优点，必将大大改善 电子通信设备、电子计算机和电子仪器的性能。第二节 光电子技术简介光电子技术激光在电子信息技术中的应用形成的技术。 光电子技术确切称为信息光电子技术。 世纪 60 年代激光问 20 世以来，最初应用于激光测距等少数应用，到 70 年代，由于 有了室温下连续工作的半导体激光器和传输损耗很低的光纤， 光电子技术才迅速发展起来。现在全世界敷设的通信光纤总 长超过 1000 万公里， 主要用于建设宽带综合业务数字通信网。 以光盘为代表的信息存储和激光打印机、复印机和发光二极 管大屏幕现实为代表的信息显示技术称为市场最大的电子产 品。人们对光电神经网络计算机技术抱有很大希望，希望获 得功耗的、响应带宽很大，噪音低的光电子技术。 光电子技术又是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产 生、传输、处理和接收，涵盖了新材料（新型发光感光材料， 非线性光学材料，衬底材料、传输材料和人工材料的微结构 等）、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应 用的各个领域。光电子技术科学是光电信息产业的支柱与基 础，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理 论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。第二章 系统整体设计第一节 光控制路灯控制器课程设计的目的（1）. 能够全面的巩固和应用课程中所学的基本理论的基本方法，并初步掌握综合系统设计的基本方法。（2）. 能合理、灵活的应用各种标准集成电路等器件实现规定的系统设计。（3）. 培养独立思考、独立准备资料、独立设计规定功能的综合设计能力。（4）. 培养独立进行试验，包括电路布局、安装、调试和排除故障的能力。（5）. 培养书写综合设计实验报告的能力。第二节 光控制路灯控制器的设计任务与要求利用光照的强度作为路灯的起控点，实现光线较亮时，自动关闭，晚上光线较暗时，自动开启路灯的控制。 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，同时加以电路的设计与分析，完成设计任务。第三节 方案的提出无线技术的飞速发展，在各个行业得到广泛应用。目前很多城市路灯控制系统多数处于人工管理的状态，使路灯管理和维护成本加大。为此，提出一种新的路灯控制器方案，通过光敏电阻检测自然光强度和脉冲干扰平均滤波算法分析，自动切换路灯的开关状态。并通过无线传输技术将路灯的状况反馈到管理中心，实现路灯的远程监控，有效降低了路灯管理和维护的费用。近年来，国家大力提倡节能减耗，而传统的路灯控制方式多数是集中、定时控制其开关状态。其线路铺设、维护需要大量的人力和财力，同时对于路灯是否正常也只能通过人工方式进行检查，这些对路灯的管理极为不便。也容易造成电能损耗，因此有必要对路灯控制系统进行改进。本文给出一种基于无线技术的光控路灯控制方案，实现路灯的全自动监控，大大减少路灯管理、维护的费用。同时降低电能损耗。传统路灯的人工管理控制方式是通过有线将各个路灯连接至管理中心。这不方便管理和维护。路灯具有一些显著特点。彼此间距不能太远。否则不能起到照明作用，而相邻路灯同时照明，各个路灯所处位置亮度加大，本控制器正是利用该特点进行设计。路灯的每个控制器通过光敏电阻检测其光强度，通过滤波算法判断是否属于自然光变化规律，然后决定路灯开关状态切换；同时，各控制器通过算法自动识别各自监控的路灯工作状态，判断其是否正常，通过控制器的无线传输功能将路灯的状况反馈到管理中心，管理中心也可将相应指令传送到指定位置的路灯，进行相关控制，实现管理中心远程、实时监测路灯并及时进行路灯的维修或更换。第三章 硬件电路测试第一节 电路设计一光敏电阻光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。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。光敏电阻原理图如图 3.1 所示：图 3.1 光敏电阻原理图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。下面给出几个典型应用电路。一些光敏电阻实物图如图 3.2 所示：3.2 光敏电阻实物图二稳压二极管稳压二极管概述：稳压二极管又叫齐纳二极管是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。稳压二极管是根据击穿电压来分档的因为这种特性稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性，稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用通过串联就可获得更多的稳定电压。稳压管工作原理：稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN 结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。我们把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。 这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。图 3.3 稳压二极管三发光二极管发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体。两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理，而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。LED是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。LED照明即是发光二极管照明，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。 图 3.4 发光二极管四固态继电器（SSR）固态继电器有三部分组成：输入电路，隔离（耦合）和输出电路。按输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离，它是用半导体器件代替传统电接点作为切换装置的具有继电器特性的无触点开关器件。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。固态继电器工作可靠，寿命长，无噪声，无火花，无电磁干扰，开关速度快，抗干扰能力强，且体积小，耐冲击，耐振荡，防爆、防潮、防腐蚀、能与TTL、DTL、HTL等逻辑电路兼容，以微小的控制信号达到直接驱动大电流负载。固态继电器如图 3.5 所示：图 3.5 固态继电器五光控电路光控路灯控制器可以自动实现白天光线较暗和晚路灯自动点亮，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。整个电路由电源电路，光控电路等部分组成。电源由家用电路供电，光敏控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光亮程度相对应的电压信号。从而实现白天灯泡不亮晚上灯泡自动点亮。总体原理图如图 3.6 所示：3.6 光控电路原理图第二节 实物图图 3.7 实物图 第四章 电路的检测与调试第一节 安装调试过程4.1 安装过程 由老师分完组，每组下发一套工具，经分工后，大家按电路原理图组装电路，并尽量布局合理，连接美观。4.2 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：二极管主要分为三种：整流二极管、稳压二极管、发光二极管；此外，还有开关二极管。先打磨引脚，再用指针表测试，因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，且红笔接正极，黑笔接负极，为截止，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。等各项功能都正常后，再用市电调试。12V 电源接于 D1 的阴极与地之间，用万用表测量 C1 两端电压，当光线较强时，C1 两端电压为 0.5V 以下，用一黑色合子将感光孔处挡住，此时 C1 两端的电压变为高于 10V，此时继电器吸合，若听不到继电器吸合的声音，查看 D5 是否接反，若 D5 接反，由于 VT3 直接将正电源与地短接，电流较大，有可能损坏 VT3。若以上测试正常，便可以直接接入 220V 市电进行调试。在进行这一步时，操我们千万不要用手直接去接触电路板上的任何金属部分。先用万用表测量 CW2 两端电压，接上电源后，电源指示灯点亮，CW2 两端电压在 12V 左右，否则说明整流电路有问题，可查看 4 个二极管有没有焊反。由于二只发光二极管和光敏电阻直接伸出外壳，因此在安装这几只元件时，全部在线路板的焊接面，对于光敏电阻直接将元件焊接于线路板的焊接面上，两只发光二极管先折弯，发光面从线路板上的二只孔出伸出。第二节 安装调试过程中所遇问题及解决方法故障寻、检常用方法如下：直观检查法 电阻法 电压法 电流法通过眼、耳、鼻、手来查找故障部位。即是看元器件有无断线、互碰、烧焦、脱焊等现象；听声音有无异常；闻有无焦味；摸器件是否过热等。用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值，粗查是否有短路、断路或元器件错焊等情况。用万用表测量电路中各点对地的电阻以及元器件的阻值，以此来判断故障部位测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。将本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住，引脚分别接在电灯的开关位上，用手轻拍驻极体，这时灯应亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体，这时灯不亮，说明光敏电阻完好，这时即告本套件制作成功。若不成功请仔细检查有无虚假错焊和拖锡短路现象。第五章 总结与展望为了节约电能，市场上出现了多种节电照明灯，如声光双控灯、微波感应灯和热释远红外感应灯等。据调查，微波感应灯的抗干扰性能不是很理想；红外感应灯的性能比较理想，但价格较高，多用于一些管理完善的宾馆等场所。从性价比角度考虑的话，普通住宅楼、办公楼道等普通场所还是以声光双控灯为主。本次课设是楼道声光控制灯的设计，我学会了很多知识。掌握了声光控制的工作原理、更多的电子器件、更美观的连接电路在 PCB 板上、焊接等。连电路时，本以为会很快完成，但要不能交叉，美观，用了一下午的时间。同时焊接，要小心翼翼，还有技巧，就要通过多次练习，我明白了实践的复杂、辛苦和重要性。按照正确的电路图，焊接也成功了，使我觉得要有丰富的理论基础。这次做的课设是与生活实际相关的，使我明白科学技术在推动生活进步方面的重要地位，使我对专业更加了解、喜爱。展望电子产业，新型电子信息产品和相关服务培育成为消费热点，信息技术应用有效带动传统产业改造，信息化与工业化进一步融合。稳步推进电子信息加工贸易转型升级，鼓励加工贸易企业延长产业链，促进国内产业升级。形成一批具有国际影响力、特色鲜明的产业聚集区。产业创新体系进一步完善。这就要求学生们有更渊博的知识，所以应在以后的学习中多学一些知识，同时更应培养动手能力。未来电子业加速行业解决方案的开发和推广，组织开展行业应用试点示范工程，支持 RFID（电子标签）、汽车电子、机床电子、医疗电子、工业控制及检测等产品和系统的开发和标准制定。我们应该开拓眼界，学习多方面的有用知识。结束语本次光控路灯系统的设计，我学到了很多东西，弥补了以前专业课所遗忘了的知识！锻炼了我主动学习的能力，与他人的合作能力。还从各种渠道还获得一定的资料加以研究学习，通过自己的独立动手老师的耐心指导下，让我学会了分析电路设计电路的步骤，提高了我的综合能力，而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，才能在这显示而又充满排挤的社会生存下来！在这次的设计中，我发觉自己还有很多不足，还得不断的充电，以便使自己的能力再有所提高。谢 辞在毕业论文完成的过程中，更是走的很困难。完成了这篇论文之时，最深的感触就是时间紧张，专业知识很是缺乏，在此感谢帮助过我的人，没有他们的帮助，我是不可能顺利完成论文的。特别是感谢指导老师在完成整个毕业论文的过程中，给予我悉心的指导和帮助。老师的严谨的治学态度、勤奋的工作作风、平易近人的处世风范，给我留下了深刻的印象，将会在我今后的学习和生活中时刻影响我。值此论文完稿之际，特此向老师致以衷心的感谢!参考文献1.数字电子技术基础（第五版） 主编：阎石 高等教育出版社2.电子技术基础模拟部分（第五版）主编：康华光 高等教育出版社3.数字电路逻辑设计 主编：韩振振 大连理工大学出版社，20004.电子技术基础课程设计主编：任为民 中央广播电视大学出版社，19975.实验电子技术 主编：李振声 国防工业出版社，2003