光控自动路灯的设计与制作论文说明书--学位论文.doc

四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)论文题目: 光控自动路灯的设计与制作 专 业: 电气自动化技术 班 级: 电 气 四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书学 生姓 名学号班级专业电气自动化技术设计（或论文）题目光控自动路灯的设计与制作指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注讲师四川信息职业技术学院设计（论文）内容： 1.分析电路，画出光控自动控制电路图； 2.根据电路图焊接硬件； 3.有光敏度调节，有防干扰功能，能实现自动控制。进度安排： 6月：任务下达，理解消化任务要求；初步设定方案确定； 7月8月：总体方案确定，草图绘制； 9月：中期检查。查找问题，分析解决难点； 10月中旬：完成硬件连接及调试； 10月下旬-11月上旬：完成论文，准备答辩； 11月中旬-12月：答辩。主要参考文献、资料： 1 吕强电子技术基础机械工业出版社，2006 2 陈有卿555时基电路电子工业出版社，2007 3 徐立娟电力电子技术人民邮电出版社，2010 4 阎石电子技术基础课程设计中央广播大学出版社，1997 5 李振声实验电子技术国防工业出版社，2003 6 张绪光电工技术高等教育出版社，2003 7 张晓东电工实用电子制作国防工业出版社，2005审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书学 生姓 名学号班级电气专业电气自动化技术设计（或论文）题目光控自动路灯的设计与制作指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注讲师四川信息职业技术学院设计（论文）内容： 1.分析电路，画出光控自动控制电路图； 2.根据电路图焊接硬件； 3.有光敏度调节，有防干扰功能，能实现自动控制。进度安排： 6月：任务下达，理解消化任务要求；初步设定方案确定； 7月8月：总体方案确定，草图绘制； 9月：中期检查。查找问题，分析解决难点； 10月中旬：完成硬件连接及调试； 10月下旬-11月上旬：完成论文，准备答辩； 11月中旬-12月：答辩。主要参考文献、资料： 1 吕强电子技术基础机械工业出版社，2006 2 陈有卿555时基电路电子工业出版社，2007 3 徐立娟电力电子技术人民邮电出版社，2010 4 阎石电子技术基础课程设计中央广播大学出版社，1997 5 李振声实验电子技术国防工业出版社，2003 6 张绪光电工技术高等教育出版社，2003 7 张晓东电工实用电子制作国防工业出版社，2005审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 四川信息技术学院毕业设计（论文）目 录摘 要1第1章 绪 论2第2章 设计思路32.1 整体方案的设计32.2 工作原理32.3 设计任务及目标3第3章 光控自动电路设计43.1 相关元器件介绍43.1.1 光敏电阻43.1.2 整流二极管43.1.3 三极管53.1.4 继电器63.1.5 555时基电路73.2 光控自动电路设计93.2.1 电源电路93.2.2 光控电路93.2.3 路灯控制电路103.2.4 整体电路113.2.4 元器件清单113.3 电源设计123.3.1 路灯电源123.3.2 控制电路电源12第4章 光控自动电路制作与调试134.1 光控自动电路制作134.2 光控自动电路的调试14结 论15致 谢16参考文献17II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。该系统通过对光控电路的设计、制作。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；555时基电路；光电转换第 1 页第1章 绪 论随着夜晚的来临，城市里华灯初上，人民消除了白天的繁忙，漫步穿行于城市的街道上，在那霓虹灯漫彩的灯光下，一个个孩子欢快地玩耍着，一对对男女漫步于小道里、花园中，一辆辆汽车奔驰与公路上。我们经常可以看到，每天傍晚，当天色较暗，路边的路灯便自动点亮，每到清晨，当太阳照亮整个街道是，一排路灯就自动熄灭。其实实现这些功能并是不哪位辛勤的街道管理者，而是光电器件的杰作。其中，起主要作用的，就是光敏电阻。路灯已经成为一个城市照明系统不可分割更无可替代的一部分，在城市照明中发挥着举足轻重的作用，而其所依靠的就是路灯自动的控制。其中，起主要作用的，就是光敏电阻。路灯控制方式有很多，可以用PLC、单片机以及更多的方法。本系统采用的是光敏电阻，555时基电路自动控制路灯。本系统重点讨论的问题：实现光控路灯的原理设计。具体要求如下：采用光敏电阻进行光控；选择光敏电阻器件作为光控电路的主元件；设计光控电路原理图；硬件制作。第2章 设计思路2.1 整体方案的设计本次毕业设计题目光控自动路灯的设计与制作。此课题的设计方法多种多样，可以采用单片机，PLC以及更多的方法。要求以路灯为控制对象，完成电路的设计与硬件的制作，实现以光线强弱和演示两种方式为控制路灯的亮灭功能。其中硬件电路部分包括两个部分：控制电路部分，路灯电路部分。本系统采用的是较为简单且经济的一种，用到555时基电路，光敏电阻，继电器等原件。2.2 工作原理光控自动路灯设计原理如图2-1所示，其主要部分是555集成电路控制上。图2-1 光控路灯工作原理图2.3 设计任务及目标根据所学知识画出设计原理图;分析模块电路的功能；按原理图焊接好电路，然后调试，直到达到毕业设计任务书的要求；完成课题设计说明书。第3章 硬件设计3.1 相关元器件介绍3.1.1 光敏电阻光敏电阻器又叫光感电阻，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；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。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）。通常，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。一般光敏电阻器结构如图3-1所示。光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性，光谱特性，频率特性，温度特性。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。没有极性，纯粹是个电阻期间，使用时可加直流也可以加交流。图3-1 光敏电阻结构图3.1.2 整流二极管整流二极管一种用于将交流电转变为直流电的半导体器件。如图3-2所示，通常它包含一个PN结，有正极和负极两个端子。P区的载流子是空穴,N区的载流子是电子，在P区和N区间形成一定的位垒。外加使P区相对N区为正的电压时，位垒降低，位垒两侧附近产生储存载流子，能通过大电流，具有低的电压降（典型值为0.7V）,称为正向导通状态。若加相反的电压,使位垒增加，可承受高的反向电压，流过很小的反向电流（称反向漏电流），称为反向阻断状态。整流二极管具有明显的单向导电性。整流二极管可用半导体锗或硅等材料制造。硅整流二极管的击穿电压高，反向漏电流小，高温性能良好。通常高压大功率整流二极管都用高纯单晶硅制造(掺杂较多时容易反向击穿）。这种器件的结面积较大，能通过较大电流（可达上千安），但工作频率不高，一般在几十千赫以下。整流二极管主要用于各种低频半波整流电路，如需达到全波整流需连成整流桥使用。 图3-2 1N4001整流二极管3.1.3 三极管三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件，其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。三极管工作原理晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，三极管结构如图3-3所示，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。图3-3 三极管结构对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e 、基极b和集电极。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Eb。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。3.1.4 继电器继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。继电器一般有两股电路，为低压控制电路和高压工作电路。其接线图如图3-4所示。图3-4 电磁继电器接线图3.1.5 555时基电路555概述555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。 工作原理555电路的内部电路方框图如图3-5所示。它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关管T，比较器的参考电压由三只5K电阻器构成的分压器提供。它们分别使高电平比较器A1的同相输入和低电平比较器A2的反相器、输入端的参考电平为2/3Vcc和1/3Vcc。A1与A2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。当输入信号自6脚，即高电平触发输入并超过参考电平2/3Vcc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1/3Vcc进，触发器复位，555的3脚输出高电平，同时放电开关管截止。Rd是复位端（4脚），当Rd=0,555输出低电平。平时Rd端开路或接Vcc。Vc是控制电压端（5脚），平时输出2/3Vcc作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，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，通常接一0.01uF的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电通路。 图3-5 555内部功能图引脚555的各个引脚功能如图3-6所示： 图3-6 555引脚实物图1脚：外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。2脚：低触发端Tr。3脚：输出端Vo。4脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论Tr、Th处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6脚：高触发端TH。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。8脚：外接电源Vcc，双极型时基电路Vcc的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路Vcc的范围为3 18V。3.2 光控自动电路设计3.2.1 电源电路电源电路为555时基模块供电，其电路如图3-7所示。T为变压器将家庭电压220V交流电变压成12V交流电，VD1将12V交流电半波整流成直流电12V，然后经C1滤波给555时基模块提供稳定的直流电。图3-7 电源电路3.2.2 控制电路如图3-8所示，光控电路有光敏电阻Rl和电位器Rp组成，Rl和Rp构成分压器，利用分压点a的电平高低随环境光线强弱而改变这一特性来控制555时基电路的置位或复位。时基电路接成施密特触发器，白天外界自然光线较强，Rl呈现低电阻，当分压点a电平高于2/3的电源电压时，时基电路处于复位状态。其输出端（3脚）输出低电平，三极管VT截止，继电器K不动作。傍晚天色渐暗，Rl的光照强度逐渐减弱，其等效电阻值也随之增大，分压点（a点）电平开始下跌，当低于1/3电源电压时，时基电路置位，输出端（3脚）跳变为高电平，VT导通，K得吸合，其常开触点k-1闭合。调节电位器RP的阻值可改变分压点的电平高低，所以能调节电路的光控灵敏度，使电路在需要开灯的环境下其继电器K得电吸合。图3-8 控制电路图3.2.3 路灯控制电路路灯控制电路，其电路如图3-9所示。用家庭用电交流220V提供电源，当继电器常开触点吸合时，电流经继电器和白炽灯构成回路，白炽灯点亮；当继电器常开触点由吸合变为断开时，白炽灯熄灭。图3-9 路灯控制电路图3.2.4 整体电路综上所述，整体设计电路由以上三部分构成，如图3-10所示。家庭用电220V经变压器变压，稳压二极管稳压然后电容滤波给控制电路提供12V直流电，光线经光敏电阻光电转换后，光敏电阻和电位器分压控制555集成模块的输入电压，555集成模块根据输入电压的大小，当低于1/3电源电压时，时基电路置位，输出端（3脚）跳变为高电平，三极管导通，继电器动作，路灯点亮；当高于2/3的电源电压时，时基电路处于复位状态，其输出端（3脚）输出低电平，三极管截止，继电器常开触点断开，路灯熄灭。从而实现了白天路灯不亮，傍晚路灯自动点亮的自动控制。本电路特点是光控有两个起控点，即开灯光照起控点（不大于1/3VDD）和熄灯起控点（不大于2/3VDD），两个起控点的阀值电平存在1/3电源电压的回差，这就避免了单起控点电路在光照强度正好处于起控临界值状态时点灯出现频繁闪亮的现象。R1和C2组成干扰脉冲吸收电路，可防止因短暂光线（如雷电闪光，车辆灯光等）导致的告饶电路正常工作的现象。图3-10 整体电路图3.2.4 元器件清单在本系统设计的电路所用的元器件如下表3-1所示。表3-1 元器件清单表序号元器件名称型号规格数量备注1电阻100k，2k2R1，R22电容0.01F，100F，220F3C1，C2，C33二极管1N4001，1N41482VD1，VD24三极管80501VT5继电器T73-12V1K6电位器330K1Rp7变压器220V/12V1T8光敏电阻55491RL9555集成电路NE555155510白炽灯40W1EL3.3 电源设计3.3.1 路灯电源路灯采用的白炽灯，从而其电源采用的是普通家庭用电，使得白炽灯能在正常额定电压范围内工作，达到正常的亮度。3.3.2 控制电路电源在设计的电路中，电容，三极管，二极管的工作电压都比较低，555模块的工作电压范围也是516V，为使个元器件都能正常工作，所以在本系统的控制电路采用普通家庭用电的220V经变压后半波整流加滤波后得到的直流12V供电。第4章 光控自动电路制作与调试4.1 光控自动电路制作1、对照电路图，按顺序装上电子元件；电阻、电容、二极管、三极管、继电器等。2、焊接电路，先焊接控制电路，后接主电路。在焊接电路的过程中避免桥连，在焊接继电器的时候，线圈触点接控制电路，然后主电路接成常开。焊接完成后的电路如图4-1所示，整体电路如图4-2所示。图4-1 电路PCB板图图4-2 整体电路图4.2 光控自动电路的调试1、经检查连接无误后。在确保安全情况下，通电调试，检查电路是否正确，各元器件是否有损坏，继电器能否触发。2、光控灵敏度调试。通电后将光敏电阻器完全遮挡和无完全遮挡自然光情况，测量a点点位高低，对电位器进行调试。确保白天有光情况下，a点点位高于2/3Vcc；晚上无光情况下，a点点位低于1/3Vcc。确认能够感知自然光线自然控制后将电路进行封装，封装后再进行测试，确保封装后与封装前无光敏度变化。封装后有光情况如图4-3所示，无光的情况下灯泡点亮如图4-4所示。光敏电阻图4-3 封装后实物图图4-4 无光灯泡点亮图第 17 页结 论本系统主要介绍了光路控制，介绍了光敏电阻、继电器、整流二极管，三极管555集成电路在光控系统中的应用，555集成电路及其他元件的引脚和在系统中的电路图。本设计利用了光敏电阻的特性，设计的硬件系统结构简化，操作人员劳动强度小。本文设计的光控自动路灯基本实现了路灯白天路灯不亮，傍晚路灯点亮自动控制的功能，内容涉及光敏电阻、继电器、555时基电路以及电路涉及等诸多方面的知识。采用555时基电路设计出的光控控制器，能够避免一些短暂光线的干扰。控制装置具有成本低、抗干扰能力强、控制性能好，在控制电路方面还能设计出延时功能等优点。通过本次毕业设计，我更加了解了我所学的专业，更好的掌握了专业知识，做到了学以致用，知道了可以通过自己所学的知识来帮助人们提高生活质量。让自己在理论知识和自学能力方面得到很好的理解和提高。也通过这次毕业设计增长了新的知识，开阔了自己的眼界，掌握了又一门新技术。同时，也和老师、同学们进行了很好的交流和互动。我相信本设计当中一定会存在很多不足，请老师多多批评，指导！致 谢这次论文是在我的导师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，金老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。几个月来，刘老师不仅在学习上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向金老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢亲爱的同学们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!参考文献1 吕强电子技术基础机械工业出版社，20062 陈有卿555时基电路电子工业出版社，20073 徐立娟电力电子技术人民邮电出版社，20104 阎石电子技术基础课程设计中央广播大学出版社，19975 李振声实验电子技术国防工业出版社，20036 张绪光电共技术高等教育出版社，20037 张晓东电工实用电子制作国防工业出版社，2005四川信息职业技术学院毕业设计（论文）评语学生姓名我是你的范儿学号1126595455班级电气专业电气自动化技术设计（论文）题目光控自动路灯的设计与制作指导教师半妆红豆指导老师考核意见 等级： 指导教师：答辩评语等级： 答辩老师： 总评成绩等级： 考核小组组长：备注以上两项成绩综合后，指导老师考核成绩占总分的60%，答辩成绩占总分的40%，按五级记分（优、良、中、及格、不及格）。