多功能LED灯的设计设计报告汇总.docx
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多功能LED灯的设计设计报告汇总
电子技术基础
课程设计
题目名称：
交直流多功能LED灯电路的设计
姓名：
刘丰华
学号：
20124054
班级：
2012级05班
指导教师：
夏鸣凤
评语：
成绩：
重庆大学电气工程学院
2014年6月21日
摘要
多功能LED灯是是按照人们设计要求进行智能控制的一种电路。
随着社会的发展和人们生活水平的提高，人们对智能化电器的要求也越来越高，仅仅起照明的台灯已不能满足人们的追求，集成了多种功能，具有自控控制模式的LED灯备受人们青睐。
多功能LED灯可用多种方法实现，经过本学期数字电子技术的学习，我们学习了74LS系列部分芯片及NE555的使用方法，并基于这些芯片自行设计了多功能多功能LED灯电路。
对灯的控制主要有三种模式，即应急控制、定时控制、自动控制。
手动控制通过拨动开关，控制灯亮灭；定时控制通过用户设定等待时间、灯亮时间，实现自主控制灯亮灭的时间；自动控制通过此电路感应光强度、感应人在与否，实现灯随环境的需要自动亮灭，即当光强度低（黑夜）、有人在靠近灯时，灯自动点亮，而光强度高时（白天）或无人在感应范围内时不发光。
此多功能LED灯智能化程度较高，具有便携、节能、应急和手电等功能适应了当代人们的需求，能够应用于多种场合。
利用手动控制模式，应用在LED台灯控制电路或家居照明电路；利用自动控制模式，应用在楼道、车库的照明电路，以达到便利、节能目的；利用定时控制模式和自动控制模式，应用在街道的路灯，以达到综合控制的效果。
设计具有一定的技术支撑，且整个电路成本较低，具有较好的推广性。
关键词：
多功能LED灯74LS芯片NE555multisim仿真自动控制
一、电路功能及原理
1.电路功能说明
1）该灯供电电路是交流220伏，在停电与脱离220伏供电时，具有直流供电的功能；即在220伏供电时，同时为该灯的蓄电池（锂电池）充电，蓄电池（锂电池）即为提供照明电力。
2）光敏启动电路：
该电路是在天色进入旁晚时，即自动开启灯（最小灯光），在白天自动锁定关闭，在需要时通过手动开启、关闭灯光。
3）红外热释电感应电路：
光敏启动电路检测出是旁晚或昏暗的环境后，以及有手动开灯后，该电路被供电而工作，即当有人接近或者离开时实现对灯光的渐亮渐暗自动调节。
4）光源恒流驱动电路：
LED光源的驱动电路就是把12V或者6V直流电压变换成稳定的恒流源，选择驱动电路外围器件少的驱动芯片是制作成本的首要考量。
5）调光电路：
根据使用场景，具有手动调光和自动调光功能；自动调光主要是由红外热释电感应电路完成；手动调光是通过按钮开关选择亮启灯珠组数达到调光。
6）定时电路：
要求设计电路能达到0—999秒定时开关的功能，当达到设置的开关定时后，电路自动打开开关，开启灯，在达到预置的灯亮定时后，电路自动关闭开关，灯灭。
2.三种方式控制LED灯的原理
1）三种方式控制LED灯原理框图：
2）三种控制方式说明：
①应急控制最优先，应急开关与通常的灯控制方式相同。
②手动控制优先于自动方式，通过接通手动开关，并手动设置开、关灯的时间来控制灯的亮、灭。
③自动方式则是通过光敏电阻自动测光判断。
在白天或者自然光足够明亮的状态下，红外热释电传感器即使有感应也不会导致灯亮。
仅当夜晚或者自然光足够黑暗的状态下，光敏电阻测光判断为暗，红外热释电感应电路被供电工作，在有人接近或者离开时实现对灯光的渐亮渐暗调节。
图2三种方式控制电路原理图
二、元器件说明及参数选择与计算
1.光敏电阻
图3光敏电阻实物图光敏电阻内部构造图
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。
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，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
这些材料在特定波长的光照射下，产生载流子参与导电，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。
光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。
光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm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。
其基本特性及其主要参数如下：
1）暗电阻、亮电阻
光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻值称为暗电阻，或暗阻。
此时流过的电流称为暗电流。
例如MG41-21型光敏电阻暗阻大于等于0.1M。
光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻或亮阻。
此时流过的电流称为亮电流。
MG41-21型光敏电阻亮阻小于等于1k。
亮电流与暗电流之差称为光电流。
显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。
2）伏安特性
在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与流过光敏电阻的电流之间的关系，称为伏安特性。
3）光电特性
光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。
光敏电阻的光电特性呈非线性。
因此不适宜做检测元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。
4）光谱特性
对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。
硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域，因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。
5）频率特性
当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零。
这说明光敏电阻有时延特性。
由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。
多数光敏电阻的时延都较大，因此不能用在要求快速响应的场合，这是光敏电阻的一个缺陷。
6）温度特性
光敏电阻和其他半导体器件一样，受温度影响较大，当温度升高时，它的暗电阻会下降。
温度的变化对光谱特性也有很大影响。
在本设计中，光敏电阻主要用于检测环境中光的强弱，从而通过改变自身电阻改变电路输出电压，控制Led灯的亮灭。
所选择的光敏电阻的暗阻应越大越好，而亮阻应越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。
选用常规的光敏电阻能达到我们的要求。
2.热释电元件RE200的性能
图4热释电元件RE200实物图
灵敏元面积2.0×1.0mm2；基片材料-硅；基片厚度0.5mm；工作波长7-14μm平均透过率＞75%；输出信号＞2.5V（420K1Hz调制频率0.3-3.0Hz带宽72.5dB增益）噪声＜200mV（mVp-p）（25℃）；平衡度＜20%；
工作电压2.2-15V；
工作电流8.5-24μA（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）；
源极电压0.4-1.1V（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）；
工作温度-20℃-+70℃；保存温度-35℃-+80℃；视场139°×126°
3.红外热释电处理芯片BISS0001
图5红外热释电处理芯片BISS0001芯片红外热释传感器集成块
BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件，构成被动式的热释电红外开关。
电子爱好者社区7`L~.x0~%LX
采用16脚DIP封装；CMOS工艺；数模混合；具有独立的高输入阻抗运算放大器；内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰；内设延迟时间定时器和封锁时间定时器。
管脚图：
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图6红外热释电处理芯片BISS0001管脚图
图7BISS0001热释红外开关应用图
4.四运放集成电路LM324AD
图8LM324引脚图
LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
5.双D触发器CD4013
图9双D触发器CD4013
CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。
在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上高电平完成。
。
在本设计中，双D触发器CD4013主要作为T’触发器使用，如上图所示：
触发器的
接到D，由D触发器的状态方程
=D可知,
=
因此组成了T’触发器，起翻转的功能。
6．BCD拨码开关
图10拨码开关外形图及
在某些单片机或者PLC（可编程逻辑控制器）应用系统中,有时只需要进行少量的十进制数据设定,例如,设定温度恒定在30℃。
这些参数具有两个特点：
一是都由十进制数字（0～9）组成;二是设定值可能随时需要改变。
对于符合上述特点的输入场合,使用BCD拨码盘较为合适，在系统外部人工进行数据设定或修改。
由处于前面板的拨码盘和处于后侧板的接线端组成。
拨码盘由上下两个拨盘按钮和夹在按钮中间的拨位数码指示器组成。
拨位数码指示器是可随拨盘的拨动进行转动0～9十个数字,用以显示拨码盘当前数值。
上面的拨码按钮为增量按钮,每按下一次,拨码盘正相旋转1/10周,拨位数码指示器显示的数值加1,连续按十次,数据将被还原。
下面的拨码按钮为减量按钮,每按下一次,拨码盘反相旋转1/10周,拨位数码指示器显示的数值减1。
接线端向外引出标有8、4、2、1、A（或者C）的五个引脚，其中A（或C）为输入控制线，另外4根是BCD码输出信号线。
在实际应用中,BCD拨码盘可以直接插入BCD拨码盘插座中使用,也可以采取从5个引脚上分别焊接引线的方式使用。
BCD拨码开关是十进制输入，BCD码（即二-十进制）输出，又称为8421拨码开关。
每位BCD拨码开关可输入1位10进制数，4片BCD拨码开关拼接可得4位10进制输入拨码组。
当拨盘拨到不同的位置时，输入控制线A（或C）分别与4根BCD码输出线中的某根或某几根接通，其接通的BCD码输出线状态正好与拨盘指示的10进制数相一致，符合2－10进制编码关系。
例如,当前拨码盘拨位数码指示器的显示数据为7时,图8中的4、2、1引脚均与A导通,8引脚与A不导通;当前拨码盘拨位数码指示器的显示数据为4时,仅有4引脚与A导通,其余三个引脚与A均不导通。
拨码盘从0拨到9,A引脚与8、4、2、1四个引脚的导通的状态如表1所示。
此表中的0表示输入控制线A与输出线不通,表中的1表示输入控制线A与输出线相通。
表1BCD拨码盘状态表
位置
8
4
2
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
l
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
l
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
三、仿真电路设计与说明
1、220V转5V电路
图11220V转5V电路仿真及波形图
2、应急控制电路
图12应急控制电路仿真图
应急控制方案由应急开关与LED驱动电路组成，实现在必要的时刻应急照明的目的。
3、光敏控制电路
图13光敏测光电路仿真及波形图
说明：
由于光敏电阻在multisim仿真软件中不存在，可以选择用滑动变阻器、电位器或者一大一小电阻与一个单刀双掷开关代替。
我们分别以100M欧和100欧的电阻模拟黑暗和明亮情况下光敏电阻的阻值。
后面的电路通过光控电路（光敏电阻测光，NE555组成施密特触发器）判断目前所在环境的光强度的强弱。
如果目前的光强度很低，光敏电阻的阻值较大，使施密特电路输出低电平，Q3输出高电平，将为后续的感应电路供电。
反之，若当前环境光强度被判为高，则Q3输出为低电平，不会为后续的热释电感应电路供电，灯不会亮。
在验证结果时，发现由高电阻（暗环境）回到低电阻（亮环境）时，高电平到低电平有延迟，经分析测试，是由于C1影响，使得Q2发射极输出电平由高变低时，边沿变得平缓，如果减小C1电容，可加快高电平向低电平转换，反之增大C1电容则延迟更多时间。
4、红外热释感应控制电路：
方案一：
图14红外热释感应控制电路仿真及波形图
说明：
红外热释传感器是接受人体辐射的红外线，其原理是：
人体温恒定于37度左右，发出波长10μm左右的红外线。
当人体进入检测区，体温与环境温度有差别，红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强，聚集到红外感应源（热释电元件）上。
而此时红外感应源失去电荷平衡，向外释放电荷，产生△T。
经处理，向外围电路输出高或者低电平。
仿真电路图与原图有较大差别，因为在Multisim软件中没有红外热释传感器这个器件，而通过上网查阅相关资料，了解到现在的红外热释器件之中都包含了相应的放大电路，所以我们采用简化措施，用脉冲信号代替红外感应电路，当人靠近时，输出高电平，即相当于脉冲中的高电平，当人远离时，红外传感器输出低电平，即相当于脉冲中的低电平，以此来达到仿真的目的。
方案二：
图15红外热释电传感器与处理芯片BISS0001的信号采集与处理
上图中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。
若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。
SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。
输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，其值为：
触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，值为图中，R6可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选10K，实际使用时可以用3K，可以提高电路增益改善电路性能。
5、渐亮渐暗电路：
图16渐亮渐暗电路仿真及波形图
说明：
以上电路中的信号发生器用于模拟两个条件（黑暗、人靠近）条件下输出电平的情形，并把此信号的积分输出与由555电路输出的矩形脉冲波的积分输出的三角波信号进行对比，最后得到占空比逐渐增大（减小）的波形，达到渐亮（渐暗）的目的。
6、定时控制电路
1）仿真图
图17定时控制multisim仿真图
在上图中：
7400组成基本RS触发器，并与复位开关共同实现电路复位功能。
555组成多谐振荡器产生脉冲，为后续电路（74160）提供时钟信号。
4013双D触发器通过连线，维持阻塞型T‘触发器，具有翻转的功能。
160实现计数功能。
由于multisim仿真软件的问题，在multisim中并不能实现预置数功能，而在protues仿真软件中，设计出相同的电路，实现了预置数，并且电路的输出信号能控制灯的亮灭。
电路仿真图如下：
图18定时控制protues仿真图
2）仿真过程说明：
在电路接通后，从按下复位开关时算起。
7432的输入由RS触发器与拨码开关的一端组成，U5、U6、U7开始计数。
当计数达到预置数的时候，拨码开关与160的输出端电路截止，7432的输入变化，进而引起4013翻转，输出低电平，U5、U6、U7停止计数。
与此同时，7432的输入变化，引起4013的输出变化，使还未计数的U10、U11、U12开始计数，并同时使二极管D1导通，驱动Led发光。
当U10、U11、U12达到预置数时，拨码开关与160的输出端电路截止，进而引起4013U9A的翻转，160停止计数，D1截止，灯灭。
3）仿真原理说明
表2左边三个160计数原理
操作
或门输入
或门
输出
T’触发器脉冲
信号沿种类
T’触发器输出
作用
1
2
3
初态
现态
初始态
0
0
0
0
0
无
0
清零
按下复位键
1
0
1
0
1
上升沿
1
计数
复位键弹回
0
0
0
1
0
下降沿
1
保持
达到预置数时
0
1
1
0
1
上升沿
0
清零
表3右边三个160计数原理
操作
或门输入
或门
输出
T’触发器脉冲
信号沿种类
T’触发器输出
作用
4
5
6
初态
现态
初始态
0
0
0
0
0
无
0
清零
左边自动触发
1
0
1
0
1
上升沿
1
计数
中间态
0
0
0
1
0
下降沿
1
保持
达到预置数时
0
1
1
0
1
上升沿
0
清零
备注：
①T’触发器为上升沿触发；
②拨码开关右边为导通状态，电平为1，左边不导通，电平为0；
③拨码开关的使用见上拨码开关使用说明。
7、总体仿真图
四、电路焊接与调试
1、220V转5V电路
本部分电路由于焊接困难，没有相应的器件，未予以焊接制作实物，电路直接使用USB串口输出5V供电。
2、应急控制电路
应急电路部分是三个部分中最简单的一项，在焊接完成后，经过测试，灯亮，效果良好。
遇到问题：
无
注意事项：
应急电路为有紧急情况时需要打开LED灯，因此他的优先级高于任何一个控制电路，只要按下应急开关，无论电路或者外界环境处于什么样的状态，LED灯均必须予以显示。
3、光敏控制电路
在制作电路的初期，由于没有PNP三极管，所以无法达到所要求的功能，在经过思考与仿真中进行测量后，发现次PNP三极管的输入与输出存在非的关系，及输入高电平时输出低电平，输入低电平时输出高电平。
因此我们采用了用两个非门来代替，改动如下（在仿真和实物测试时均满足设计要求）：
图19PNP三极管替换图
在实物制作的后期阶段，在实验室领到了元件PNP三极管，因此通过焊接制作出了光敏控制单元电路，在光强时，灯不亮，光弱时，自动开启灯光。
4、红外热释感应控制电路
将光敏控制电路的输出信号引出到此部分作为电源供电。
由于在焊接之前我们错误的理解了红外感应模块所集成的电路，以为此集成模块包含了信号采集及处理电路，直接就能输出高低电平以显示是否有人接近处于感应范围内，结果此集成模块未包含信号处理电路，需要我们自行焊接，所以此模块是后期加上去了，线路连接较为零散，可能导致电路出现故障，未能实现功能。
另一方面，可能集成模块买的质量存在问题，所以一直调试不出想要的结果。
5、渐暗渐亮电路
在此部分调试时，接一个高电平在第二个电路输入端，模拟黑暗情况。
可观察到发光二极管延迟零点几秒后开始发光，此现象符合仿真结果中输出矩形波延迟几秒后才出现的情况。
断开高电平输入，可看到发光二极管延迟零点几秒熄灭。
测试中渐亮渐暗效果较为明显，比较成功，但是延迟时间较短，可能是设置参数出现了一些小问题。
6、定时控制电路
1）焊接实物图
2）实现功能情况
定时控制电路是三个部分中最为复杂，管脚、焊点最多的部分，不管是仿真还是实物焊接，都是最困难的，恰好也是我主要负责的电路。
在做的过程中遇到了较多的问题。
只实现了部分功能，主要有产生技计数脉冲，灯亮，拨码开关的预置数功能。
未实现的功能主要有不能操控复位开关和达到预置数是不能控制LED灯的亮灭。
3）遇到问题：
①管脚多，焊接困难；
②未接数码管显示不易于直观观测；
③复位电路功能没法实现
④达到预置数时不能自动控制灯的亮灭。
⑤焊接过程耗时较长。
4）解决方案：
①在焊接前，熟悉各个元器件的引脚图，以及各元件之间的连接大致分布，首先在万用板上大致摆放所需要的元器件并不断改进布局，结合管脚图尽可能使线路更简洁合理。
对于拨码开关，不能使其漂浮在空中，所以我们采取了一泓最特的方式，即将拨码开关嵌入万用板中，万用板质量很好，且一不小心会使万用板损坏导致功亏一篑，所以这个部分的工作量极大，大约耗费了三个小时，但最终使布线简洁了约40%，也欣慰了不少。
整体来看我们的下哪路布局是最工整简洁美观合理的。
②在仿真的过程中，能够正确复位，但实际中没有达到要求，可能是由于双D触发器很不稳定导致的。
③在拨码开关正确预置数的前提下，达到预置数我们并没能实现定时开灯功能。
可能原因为焊接出现短路等问题，从而导致逻辑关系错误，无法实现相应功能。
但我们仔细检查过多次，各个焊点之间都用万用表进行了测试。
确认了没有短路情况的发生，所以具体原因有待进一步加以研究。
如果有可能，希望能利用暑假进行再一次焊接尝试做出完整的电路。
④整个焊接过程耗费了大量时间，从排版到焊接完成用了整整一天一夜时间，由于采用的是双孔连接在一起的万用板，所以焊接带来了一些额外的问题，因为万用板本身比较小而需要焊接的元件很多，双孔就会减少很所走线的机会，也会增加电路短路的几率。
双孔万用板示例如下：
图20双孔万用板示例图
5）电路测试
在测试阶段，由于电路焊接完成时没有实现所有功能，所以测试变得尤为重要，知道如何根据一个已知的电路图来进行设计，只能说是学会了照本宣科，模仿能力较强，但是测试阶段会出现很多意想不到的问题，若是不能对电路有较好的极为准确的把握与深刻的认识，测试就会变得相当困难。
例如我所负责的定时控制阶段。
不能正确使用定时控制来开启与关闭LED灯，一般同学可能只是测测是否短路，断路，也寻找不出较好的方法，一头雾水不知如何着手。
我主要检测步骤如下：
①首先检测自己的NE555组成的多斜振荡器，由于产生的是近乎秒脉冲的输出信号，所以我采用输出信号接一个发光二极管的方式来检测是否有输出矩形波。
结果发现发光二极管做周期闪烁，且周期几乎一秒，验证了设计的正确性，实现了想要的功能。
②接下来有脉冲我便验证计数器是否能正常工作，同时为简化验证流程，我把拨码开关预置数一起验证了，及用万用表测量拨码开关的输入与输出，输入端接160的输出，输出端接二极管的输入。
结果发现拨码开关能够预置数，但是输出却不能正确控制LED灯的状态，因此极有可能是7432或门出现了问题，不能正确输出高低电平来触发T’触发器翻转。
③再找到问题可能的根源后，下一步我继续验证7432的输入输出特性，及给或门的输入端加高低电平，结合其真值表予以验证。
但遗憾的是我们尝试了很久，并未检测出故障原因所在。
总之，电路检测与测试是整个电路设计极其重要也是极其考验人能力的一部分，我们在以后的学习和科研工作中，都应该加强自己这方面能力的培养，不断提高自己的科研素养与动手实践能力。
7、电路总体功能与测试
1）总体实物图
2）实现功能与测试
由于部分电路未能实现功能，所以功能测试只能按模块进行，整体测试达不到题目的要求。
五、心得体会与分工
1.心得体会
从这一刻开始，我真正找到了做课题的味道！
要真正做好
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