光控开关电路设计.docx

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光控开关电路设计

课程设计说明书

题目：

光控开关电路设计

课程名称：

模拟电子技术基础

学院：

电子信息与电气工程学院

学生姓名：

学号：

201102010063

专业班级：

自动化2011级2班

指导教师：

杨欣

2013年6月7日

课程设计任务书

设计题目

光控开关电路设计

学生姓名

王祯宇

所在学院

电子信息与电气工程学院

专业、年级、班

自动化2011级2班

设计要求：

1、设计制作一个光控开关电路；

2、用光敏二极管作为感光元件；

3、通过电位器调节感光灵敏度；

4、当光线低于设定值时，输出继电器动作，LED灯亮。

学生应完成的任务：

设计一个光控开关逻辑电路设计，并利用Multisim软件进行电路仿真。

利用AltiumDesigner软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。

根据设计原理对电路进行安装调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。

参考文献：

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2005.

[2]秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].北京：

北京大学出版社，2012.

[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2006.

[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2005.

[5]谷树忠，刘文洲，姜航AltiumDesigner教程[M].北京：

电子工业出版社，2010.

工作计划：

5月27日—29日完成原理图的设计；5月29日—31日进行PCB设计；6月3日号—4日制作PCB板；6月5日—7日电路板安装与调试，提交课程设计报告。

任务下达日期：

2013年5月27日

任务完成日期：

2013年6月7日

指导教师（签名）：

学生（签名）：

光控开关电路

摘要：

此光控灯电路是基于光电传感器特性的基础上而设计的。

该光控开关由光控部分，开关部分，LED灯三部分组成。

当自然光的亮度（或人为亮度）发生改变时，光控灯将随着“开”和“关”。

适合作为街道、宿舍走廊或其它公共场所照明灯，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。

它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，适合于各种楼房走廊的照明设备，降低能耗，节约能源。

关键词：

光敏二极管；电压比较器；继电器；晶体三极管

目录

1.设计背景………………………………………………………………1

1.1满足现实生活需求…………………………………………………1

1.2适应现代科技发展…………………………………………………1

2.设计方案………………………………………………………………1

2.1可供选择方案...........................................................................................1

2.2方案论证...................................................................................................2

3.方案的实施……………………………………………………………2

3.1原理图的设计………………………………………………………2

3.2PCB板的设计和制作…………………………………………………4

3.3元器件的组装与焊接……………………………………………6

3.4光控开关的调试…………………………………………………6

4.结果与结论……………………………………………………………6

4.1.光控开关设计结果………………………………………………6

4.2.结论………………………………………………………………6

5.收获与致谢……………………………………………………………7

6.参考文献………………………………………………………………8

7.附件……………………………………………………………………8

1.设计背景

1.1满足现实生活需求

在现代社会现实生活中我们无时无刻不在使用这电灯，现在市场上出现了各种各样的灯，比如：

白炽灯，节能灯，彩灯等等，但是不论如何都少不了控制这些灯的开关。

因此，设计一个可行性的开关显的尤为的重要。

本次设计就是为了满足现实生活的需求而设计的光控开关。

1.2适应现代科技发展

随着现代科学技术的发展传统式开关已经不能满足现代生活。

在现代社会很多地方夜晚需要长明灯，比如一些公共场所，一些生产车间。

如果这些地方使用传统的开关很可能产生夜晚开灯之后，等到白天的时候就会忘记关灯而造成严重的能源浪费。

还有在一些生产过程中，我们能把这些光控开关当做报警装置的一部分。

当人手触碰到那些危险区域之前，由于人手的遮光而使得光线变暗而触发开关产生报警。

因此我们的光控开关的设计是很有必要很有意义的一件事。

2.设计方案

2.1可供选取方案：

方案一：

用µA741与光敏二极管构成光控部分

通过改变µA741的正向与反向输入电压的不同使µA741的输出端输出稳定的高电平或低电平从而使8050晶体三极管导通或截止来控制继电器的锡合与断开。

方案二：

用555定时器构建单稳态电路与光敏二极管够成光控部分

用555定时器构建的单稳态触发器同样能输出稳定的高电平或低电平从而使8050晶体三极管导通或截止来控制继电器的锡合与断开。

2.2方案的论证和选取：

用µA741与光敏二极管构成的光控电路部分，电路结构更加简单可行，现实情况更容易制作。

因此，通过比较最终方案选用方案一。

3.方案实施

3.1原理图的设计：

设计原理：

光敏二极管也叫光电二极管，光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。

无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。

当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化，此时光敏二极管导通。

因此可以通过改变光照的强度来控制µA741正向和反向输入端电压的变化使正向和反向输入电压产生电压差，从而使µA741输出一个稳定的高电平或低电平，使8050晶体三极管导通或截止，既而使继电器锡合和断开，而控制LED灯的亮与灭。

元器件的选取

通过对设计原理的分析可以选取以下元器件

表3.1元器件表

电阻10k

2个

光敏二极管

1个

小电位器

1个

µA741

1个

8050

1个

5v固态继电器

1个

LED灯

1个

1N4007

1个

用Mltisim仿真软件仿真原理图及分析如下：

图3.1无光照是LED灯变亮

图3.2有光照时LED灯变灭

上面图1，图2分别用Multisim仿真软件模拟了有光和无光时LED灯的变化情况。

由于仿真软件无法模拟出光照强度的变化，我们选用滑动变阻器R2来代替光敏二极管。

上图3.1与图3.2中由电阻R1和滑动变阻器R2共同分得VCC的5V电压，电阻R4和滑动变阻器R3共同分得VCC的5V电压。

µA741的正向输入电压取自滑动变阻器R3，反向输入电压取自电阻R1。

通过调节滑动变阻器R3能改变此光控开关的灵敏度。

从µA741的输出端接一个保护电阻R5再接入到8050晶体三极管的基极。

8050晶体三极管的发射极接地，集电极通过整流二极管1N4007与电源VCC相连构成通路。

5V固态继电器的一端与8050晶体三极管的集电极和VCC相连，另一端与LED灯相连。

当无光照时，由于光敏二极管反向接在电路中，因为光敏二极管具有单向导电性，无光照时光敏二极管处于截止状态，用滑动变阻器代替光敏二极管时，即通过调节滑动变阻器使电阻变大，使滑动变阻器分得的VCC的电压变多，从而使得R1上分得的电压变少，既而使得µA741反向输入端的电压变小。

当反向输入端的电压变的小于正向输入端的电压时，如图1中µA741正向输入端电压为4.284V，反向输入端电压为3.125V时，µA741电压比较器的输出为高电平4.118V。

（只要µA741的反向输入端电压小于正向输入端的电压，电压比较器的输出恒为高电平4.118V。

）由于µA741的输出为高电平4.118V足以是8050晶体三极管导通。

从而使5V固态继电器锡合相当于开关闭合而使LED灯导通发光。

当有光照时，光敏二极管由于受到光照产生光电流，用滑动变阻器反映出来即是滑动变阻器R2的阻值变小。

即可通过滑动滑动变阻器的滑片使其阻值变小，便能模拟出光敏二极管受光照时的变化。

当滑动变阻器R2电阻变小时，R2上分得的电压变小，即固体电阻R1上分得的电压变大，即µA741的反向输入端的电压变大。

当µA741反向输入端的电压比正向输入端的电压大，即上图2中µA741的正向输入电压4.286V，反向输入电压4.717V时，µA741的输出变为低电平881.772mV。

（只要µA741的反向输入电压大于正向输入电压，其输出恒为低电平881.772mV）由于从µA741输出的低电平不足以使8050晶体三极管导通。

因此不能使得5V固态继电器锡合，相当于开关断开而不能使LED灯导通，所以LED灯变灭。

3.2ＰＣＢ板的设计和制作

PCB元原理图的绘制

首先根据multisim软件的仿真原理图用Altiumdesigner09软件绘制出制作PCB板的原理图3.3如下：

图3.3PCB板的原理图

PCB板原理图的导入

用Altiumdesigner09软件将PCB原理图导入到PCB如下图3.4：

图3.4PCB图

PCB设计规格见，附件表

PCB板的转印、腐蚀、打孔

在PCB转印和腐蚀的时候切记不能把上边的油墨线碰掉，否则会造成铜线的断开而导致PCB的制作失败。

在打孔的过程中要把握打孔的大小和方位，稍有错误就能导致制版的失败

3.3元器件的组装与焊接

在元器件的组装过程中要分清楚各个电阻的阻值大小，1N4007整流二极管的组装方向，以及µA741芯片的安装方向要安装正确，光敏二极管和LED灯的安装要分清楚正负极。

在焊接元器件的时候要注意不要产生虚焊，由于某些元器件的焊盘之间的距离过小，在焊接的过程中要小心焊接不能让两个焊盘连接产生短路。

3.4光控开关的调试

元器件的安装和焊接完成以后要对所设计产品进行调试，在调试的过程中，要注意电源电压不能太高（电压在5V到6V之间），电压过高会导致晶体三极管的击穿而使整个设计的产品报废。

调试过程中通过调节滑动变阻器R3的阻值来调节光控开关的灵敏度。

如果滑动变阻器R3的阻值过大可能导致光控开关的灵敏度过低，而使光控开关不能工作。

通过调试要找到一个合适的临界点，使所设计的光控开关工作恰到好处。

4.结果与结论

4.1光控开关设计结果

本次课程设计，成功设计出光控开关，并且成功组装和焊接，通过调试，能使所设计光控开关工作。

但是，工作状态不是太稳定，出现了有时不会工作的情况。

4.2结论

本次设计通过Multisim仿真软件，仿真出在理想状态下所设计的电路能正常的工作，在仿真软件上能够通过改变滑动电阻器R2的阻值来模拟光电二极管在有光照和无光照的情况下的工作状态，来控制LED灯的亮与灭。

但是在现实情况下所设计的产品却不能正常工作。

所以可以看到电子元件在理想状态和现实状态下工作是有很大的差别的。

5.收获与致谢

本次课程设计，我们历时两周，在这次课程设计之前我们老师就给我们说过让我们提前为这次课程设计做准备，所以在这次课程设计开始之前我们就想好了自己要设计的课题，也为此做了相应的准备。

本次设计开始之前准备的时候感觉设计的课题没有多大的难度，因为自己心想着各种元器件的功能自己已经了解，设计光控开关的原理自己在心里也很清楚，想到这次的课程设计应该不会有太大的困难。

但是当课程设计开始之后发现事实情况并没有自己想象的那么容易。

首先，在用Multisim仿真软件进行电路仿真的时候我们就遇到了困难。

在用Multisim软件仿真的时候我们无法模拟出光照强度的变化，也就是说我们无法用光敏二极管来进行电路的仿真，最后在杨欣老师的帮助下我们选择了用滑动变阻器来代替光敏二极管，从而解决了这个问题。

其次我们在进行PCB板制作的时候，我们也遇到了困难，在进行转印的时候我们总是转印失败，失败一次就得请老师打印一次电路图。

最终我们在失败了两次的情况下成功的制作出了一个光控电路的PCB板子。

本次课程设计，我最大的收获就是通过自己反复的查阅资料，反复的翻看课本对各个以前自己自认为已经掌握的知识有了更深层次的认识，对各种元器件的用法有了更深的了解。

而且通过电路的仿真与PCB板的制作我对Multisim仿真软件和AltiumDesigner软件的功能和操作有了更加熟悉的掌握。

今天我已明白课程设计对我来说的意义，它不仅仅是让我们把所学的理论知识与实践相结合起来，提高自己的实际动手能力和独立思考的能力，更重要的是同学间的团结合作精神才能更好的克服困难。

这本次课程设计过程中，我首先要向要向我们的指导老师，杨欣老师表示感谢，没有他认真负责的指导我们不可能那么顺利的完成本次课程设计。

再者我要感谢我的队友，没有我们的共同合作就没有我们的设计成果。

还有要感谢学校给我们提供了这次课程设计的机会，放心的给我们提供了那么多的实验设备以及设计所需的各种元器件和材料，让我们来完成这次课程设计。

6.参考文献

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2005.

[2]秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].北京：

北京大学出版社，2012.

[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2006.

[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2005.

[5]谷树忠，刘文洲，姜航AltiumDesigner教程[M].北京：

电子工业出版社，2010.

7.附件

表7.1

电源线和接地线线宽

0.6mm

若电源线和接地线从两个焊盘间穿过线宽

0.3mm

焊盘内径

0.9mm

焊盘外径

X：

2.0mmY：

1.6mm

表7.2材料清单

电阻10k

2个

电阻5.1k

1个

小电位器100k

1个

µA741

1片

8050

1个

1N4007

1个

5V固态继电器

1个

LED灯

1个

光敏二极管

1个

二脚Header

1个

八脚底座

1个

制作PCB板材料

1片

图7.1设计原理图

图7.2Altiumdesigner09原理图

图7.3Altiumdesigner09PCB图

指导教师评语：

课程设计报告成绩：

，占总成绩比例：

40％

课程设计其它环节成绩：

环节名称：

原理设计，成绩：

，占总成绩比例：

20％

环节名称：

PCB设计，成绩：

，占总成绩比例：

20％

环节名称：

安装调试，成绩：

，占总成绩比例：

20％

总成绩：

指导教师签字：

年月日

本次课程设计负责人意见：

负责人签字：

年月日