何祥课设报告 自动保存的 2.docx
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何祥课设报告自动保存的2
沈阳航空航天大学
课程设计
（说明书）
自动调光台灯
班级/学号04020202-058
学生姓名何祥
指导教师江秀红
沈阳航空航天大学
课程设计任务书
课程名称电子技术课程设计
院（系）电子信息学院专业通信工程
班级04020202学号2010040202058姓名何祥
课程设计题目自动调光台灯
课程设计时间:
2012年12月31日至2013年1月13日
课程设计的内容及要求：
一、设计说明
设计一个自动调光台灯，能根据周围环境照度强弱自动调整台灯发光量。
当环境照度弱，它发光亮度就增大；环境照度强，发光亮度就减暗。
二、技术指标
1.台灯具有正常和可调两种工作模式。
2.台灯额定电压和额定功率分别为12V和25W。
3.采用220V市电作为主电源。
三、设计要求
1.在选择器件时，应考虑成本。
2.选择合适的感光器件。
3.根据技术指标通过分析计算确定电路形式和元器件参数。
4.画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。
四、实验要求
1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路。
2．进行实验数据处理和分析。
五、推荐参考资料
1．沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术.[M]北京：
人民邮电出版社，1993年
2．童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础.[M]北京：
高等教育出版社，2006年
3．戴伏生主编.基础电子电路设计与实践.[M]北京：
国防工业出版社，2002年
4．谭博学主编.集成电路原理与应用.[M]北京：
电子工业出版社，2003年
5．孙俊人主编.新编电子电路大全.[M]北京：
中国计量出版社，2001年
六、按照要求撰写课程设计报告
指导教师年月日
负责教师年月日
学生签字年月日
成绩评定表
评语、建议或需要说明的问题：
指导教师签字：
日期：
成绩
一、概述
灯的历史悠久，一般认为电灯是由美国人汤马士·爱迪生所发明。
但倘若认真地考据，另一位美国人亨利·戈培尔比爱迪生早数十年已发明了使用相同原理和物料、而且可靠的电灯泡，而在爱迪生之前很多其他人亦对电灯的发明作出了不少贡献。
1801年，英国一名化学家HumphryDavy将铂丝通电发光。
他在1810年亦发明了电烛，利用两根碳棒之间的电弧照明。
1854年，亨利·戈培尔使用一根炭化的竹丝，放在真空的玻璃瓶下通电发光。
他的发明今天看来是首个有实际效用的白炽灯。
他当时试验的灯泡已可维持400小时，但是并没有即时申请设计专利。
1850年，英国人约瑟夫·威尔森·斯旺开始研究电灯。
1878年，他以真空下用碳丝通电的灯泡得到英国的专利，并开始在英国建立公司，在各家庭安装电灯。
1874年，加拿大的两名电气技师申请了一项电灯专利。
他们在玻璃泡之下充入氦气，以通电的碳杆发光。
但是他们无足够财力继续发展这项发明，于是在1875年把专利卖给爱迪生。
爱迪生的最大发现是使用钨代替碳作为灯丝。
之后在1906年，通用电器发明一种制造电灯钨丝的方法。
最终廉价制造钨丝的方法得到解决，钨丝电灯泡被使用至今。
随着时代的进步，人们越来越离不开电了。
提到电，人们肯定会想到照明设备灯，灯的发明确实是伟大的。
而本设计的目的主要是从用户的实际需要出发，用单晶硅和单片机方式来控制照明电路，提高实用价值，降低成本。
本课题要求设计一个自动调光台灯，能根据周围环境照度强弱自动调整台灯发光量。
当环境照度弱，它发光亮度就增大；环境照度强，发光亮度就减暗。
2、方案论证
技术指标中要求台灯具有正常和可调两种工作模式，且台灯额定电压和额定功率分别为12V和25W，采用220V市电作为主电源。
可利用单结晶体管等制作张弛振荡器调节晶闸管的导通角，进而改变台灯亮度；还可利用单片机进行光强的检测，再利用PWM对灯进行调光，下面是这两种方案的介绍。
方案一：
本方案的交流电源经降压后，为装有光敏元件的台灯供电；再利用二极管的单向导通性交流电整流为单一方向的脉动直流电压。
此脉动电压与单结晶体管、电容、光敏元件等构成张弛振荡器，控制桥路中晶闸管的导通角大小，从而改变灯泡两端电压值，实现自动调光。
电路的基本原理如图1所示。
图1方案一自动调光台灯整体设计原理框图
方案二：
基于C51单片机和PWM调光的台灯以STC89C51作为主控芯片，设置了手动控制和自动控制。
在手动控制时，分为三档，输出不同的PWM占空比对台灯的电流进行控制，从而实现了对光度的手动调节。
在自动控制时，通过ADC0809模拟-数字转换芯片不断检验光敏电阻的电压来间接测量感应光度，将电压和预设的阈值进行对比，调整PWM的占空比对台灯的电流进行控制，从而实现了对光度的自动调节。
总体框图如图2所示。
:
图2基于单片机的自动调光台灯原理框图
本设计采用的是方案一，方案一的电路比较简单，性价比较高，且在实际生活中广泛被应用。
三、电路设计
3.1认识晶闸管
一种以硅单晶为基本材料的P1N1P2N2四层三端器件，创制于1957年，由于它特性类似于真空闸流管，所以国际上通称为硅晶体闸流管，简称可控硅T。
又由于可控硅最初应用于可控整流方面所以又称为硅可控整流元件，简称为可控硅SCR。
在性能上，可控硅不仅具有单向导电性，而且还具有比硅整流元件（俗称“死硅”）更为可贵的可控性。
它只有导通和关断两种状态。
可控硅能以毫安级电流控制大功率的机电设备，如果超过此频率，因元件开关损耗显著增加，允许通过的平均电流相降低，此时，标称电流应降级使用。
可控硅的优点很多，例如：
以小功率控制大功率，功率放大倍数高达几十万倍；反应极快，在微秒级内开通、关断；无触点运行，无火花、无噪音；效率高，成本低等等。
可控硅的弱点：
静态及动态的过载能力较差；容易受干扰而误导通。
可控硅从外形上分类主要有：
螺栓形、平板形和平底形。
3.1.1结构和符号
晶闸管主要有塑封型、小型平面型和螺栓型等几种。
晶闸管有三个电极：
阳
极a、阴极k和门极g。
单向晶闸管的内部结构和电路图形符号如图3所示。
它是由四层半导体P-N-P-N叠加而成，形成三个PN结，由外层P型半导体引出阳极a，外层N型半导体引出阴极k，中间P型半导体引出门极g。
图3单向晶闸管的内部结构和电路图形符号
3.1.2工作原理
可控硅是P1N1P2N2四层三端结构元件，共有三个PN结，分析原理时，可以把它看作由一个PNP管和一个NPN管所组成，其等效图解如图4所示
图4可控硅的等效图解
当阳极A加上正向电压时，BG1和BG2管均处于放大状态。
此时，如果从控制极G输入一个正向触发信号，BG2便有基流ib2流过，经BG2放大，其集电极电流ic2=β2ib2。
因为BG2的集电极直接与BG1的基极相连，所以ib1=ic2。
此时，电流ic2再经BG1放大，于是BG1的集电极电流ic1=β1ib1=β1β2ib2。
这个电流又流回到BG2的基极，表成正反馈，使ib2不断增大，如此正向馈循环的结果，两个管子的电流剧增，可控硅使饱和导通。
由于BG1和BG2所构成的正反馈作用，所以一旦可控硅导通后，即使控制极G的电流消失了，可控硅仍然能够维持导通状态，由于触发信号只起触发作用，没有关断功能，所以这种可控硅是不可关断的
3.1.3工作特性
为了便于理解，下面用实验来反映单向晶闸管的工作特性。
图5单向晶闸管的工作特性试验电路
①正向阻断
在图5a中，晶闸管加上正向电压，即晶闸管阳极接电源正极，阴极接电源负极。
开关S不闭合，指示灯不亮。
这说明晶闸管加正向电压时，但门极未加正向电压时，晶闸管不会导通，这种状态称为晶闸管的正向阻断状态。
②触发导通
在图5b中，晶闸管加正向电压，且开关S闭合，在门极上加正向电压，此时指示灯亮，表明晶闸管导通，这种状态称为晶闸管的触发导通状态。
晶闸管导通后，将S断开，灯仍亮，说明晶闸管一旦导通，门极便失去作用。
要使晶闸管关断，必须将正向阳极电压降低到一定数值，使流过晶闸管的电流小于维持电流而关断。
③反向阻断
在图5c中，晶闸管加反向电压，即a接电源负极，k接电源正极，此时不论开关S闭合与否，指示灯始终不亮。
这说明单向晶闸管加反向电压时，不管门极加怎样的电压，它都不会导通，而是处于截止状态，这种状态称为晶闸管的反向阻断状态。
结论：
综合上述，晶闸管导通必须具备两个条件：
一是晶闸管阳极与阴极之间接正向电压；二是门极与阴极之间也接正向电压。
晶闸管一旦导通，去掉门极电压晶闸管仍然保持导通状态。
关断晶闸管的方法有：
一是将阳极电压降到足够小或加反向阳极电压；二是将阳极瞬间开路。
工作特性和参数如图6所示
3.2整流电路
如图6所示是典型的正极性桥式整流电路，VD1～VD4是一组整流二极管，T1是电源变压器。
图6正极性桥式整流电路
3.2.1桥式整流电路具有下列几个明显的电路特征和工作特点
（1）每一组桥式整流电路中要用四只整流二极管，或用一只桥堆（一种4只整流二极管组装在一起的器件）。
（2）电源变压器次级线圈不需要抽头。
（3）对桥式整流电路的分析与全波整流电路基本一样，将交流输入电压分成正、负半周两种情况进行。
（4）每一个半周交流输入电压期间内，有两只整流二极管同时串联导通，另两只整流二极管同时串联截止，这与半波和全波整流电路不同，分析整流二极管导通电流回路时要了解这一点。
3.2.2电路工作原理分析
（1）正半周电路分析
T1次级线圈上端为正半周时下端为负半周，上端为负半周时下端为正半周，如图6中次级线圈交流输出电压波形所示。
当T1次级线圈上端为正半周期间，上端的正半周电压同时加在整流二极管VD1负极和VD3正极，给VD1反向偏置电压而使之截止，给VD3加正向偏置电压而使之导通。
与此同时，T1次级线圈下端的负半周电压同时加到VD2负极和VD4正极，给VD4是反向偏置电压而使之截止，给VD2是正向偏置电压而使之导通。
上述分析可知，T1次级线圈上端为正半周、下端为负半周期间，VD3和VD2同时导通。
（2）负半周电路分析
T1次级线圈两端的输出电压变化到另一个半周时，次级线圈上端为负半周电压，下端为正半周电压。
次级线圈上端的负半周电压加到VD3正极，给VD3反向偏置电压而使之截止，这一电压同时加到VD1负极，给VD1正向偏置电压而使之导通。
与此同时，T1次级线圈下端的正半周电压同时加到VD2负极和VD4正极，给VD2反向偏置电压而使之截止，给VD4正向偏置电压而使之导通。
由上述分析可知，当T1次级线圈上端为负半周、下端为正半周期间，VD1和VD4同时导通
3.3张弛振荡电路。
利用单结管的负阻特性和RC的充放电特性组成频率可变的——张弛振荡电路。
如图7所示
图7张弛振荡电路
工作原理：
电源未接通前，C1上的电压为零，开关闭和后，C1通过R以时间常数R*C1充电，C1上的电压Uc逐渐升高至峰点电压UP时，e—b1导通，单结管进入负阻状态，C1通过e—b1经R1放电。
于是在R1两端产生输出脉冲UR1。
由于R的阻值较大，当C1上的电压降到谷点电压UV时，经过R供给的电流小于谷点电流，不能满足导通的要求，于是e—b1之间的电阻Rb1迅速增大，单结管恢复阻断状态。
然后C1又重新充电重复上述过程。
由于C1的放电时间常数（Rb1+R1）*C1远远小于充电时间常数R*C1,所以C1上的电压Uc呈锯齿波,R1上的电压UR1为正向脉冲。
图8晶闸管和张弛电路组成的控制电路
图8电路工作原理：
接通电源后，将通过电阻R2R5向电容C1充电（设C1上的起始电压为零），电容两端电压Vc按τ=（R2+R5）C1的指数曲线逐渐增加。
当Vc升高至NPN三极管导通电压，三极管NPN导通使单结晶体管达到峰点电压VP时，单结晶体管由截止变为导通，电容向电阻R4放电，由于单结晶体管的负阻特性,且R4又是一个100Ω的小电阻，电容C的放电时间常数很小，放电速度很快，于是在R4上输出一个尖脉冲电压VE。
如图9所示
图9R4两端的波形
在电容的放电过程中，单结晶体管VE急剧下降，当VE≤VV（谷点电压）时，单结晶体管便跳变到截止区，输出电压VG降到零，即完成一次振荡。
放电一结束，电容又开始重新充电并重复上述过程，结果在C上形成锯齿波电压，而在R4上得到一个周期性的尖脉冲输出电压VE。
调节R2R5（或变换C1）以改变充电的速度，从而调节图中的图9中脉冲时刻，如果把VE接到晶闸管的控制极上，就可以变控制角α的大小。
3.4光敏电阻控制电路
因为台灯具有正常和可调两种工作模式，所以电阻控制端由固定电阻阻值和光敏电阻两种工作模式可调。
又因为在Multisim中没有光敏电阻，所以用滑动变阻器来代替光敏电阻来达到电阻的阻值的变换，因此来控制台灯的自动亮暗。
控光敏电阻控制电路如图10所示。
图10光敏电阻控制电路
工作原理：
当S拨向光敏电阻控制工作模式时，光敏电阻R6取代R1，当周围光线较弱时，R6呈现高电阻，VD6右端电位升高，电容C1充电速率加快，振荡频率变高，单结晶体管导通角增大，电灯两端电压升高、高度增大。
当周围光线增强时，R6电阻变小，与上述相反，电灯两端电压变低，高度减小。
四、性能的测试
4.1电源变压电路的测试
表1电源变压电路测试数据表
交流电源电压（V）
交流电源频率（Hz）
变压器耦合系数
电路供电电压（V）
220
50
0.23
50.6
4.2晶闸管工作控制角和导通角的测试
α角称为控制角（又称移相角），θ角称为导通角。
控制角是晶闸管阳极从开始承受正向电压到出现触发电压vG之间的角度。
改变α角度，就能调节输出平均电压的大小。
α角的变化范围称为移相范围，通常要求移相范围越大越好。
经过π以后，u2进入负半周，此时电路a端为负，b端为正，晶闸管T两端承受反向电压而截止，所以io=0，vo=0。
工作波形如图11所示
图11工作波形
在第二个周期出现时，重复以上过程。
晶闸管导通的角度称为导通角，用θ表示。
则应有：
θ=π-α。
当电源电压为
时,灯泡上的直流平均电压可以用控制角α表示，即
从公式中可以当α=0时（θ=π）晶闸管在正半周全导通，U=0.45V2,输出电压最高,相当于不控二极管单相半波整流电压。
若α=π,U=0，这时θ=0，晶闸管全关断。
当晶闸管正向导通时,其两端电压与灯相比可忽略不计,此时,U2=50.6V,用万用表测得Ulav=9.593。
根据运算公式得α角为99度，θ=81度所以其导通角为91度~180度，其余角度范围即（138度~360度）晶闸管不导通。
4.3张弛振荡电路的测试
表2振荡电路的测试数据表
充电时间常数τ
晶闸管控制角α
0.066s
99度
五、结论
实验结果基本符合课程设计题目的要求，采用220V市电作为主电源，并且用变压器将220V输入电源转换，为12V25W台灯供电；设计的台灯既有普通台灯的手动调光功能又有自动调光的功能。
实验电路简单，易于操作，输出结果令人满意。
台灯具有正常和可调两种工作模式。
六、性价比
调光台灯小巧、精致、造型美观、携带方便、价格低廉、耗电量低、性价比高，是许多学生和家庭用户作为照明工具的首选器材之一。
并且调光台灯的亮度能在很大范围内调节，对保护视力起着很好的作用。
调光台灯是日常生活中必不可少的照明工具，和我们的生活息息相关。
而现在市场上的台灯大都是普通台灯即不具有自动调光能力，本方案解决了台灯不能够自动调节亮暗的缺陷。
可以帮助我们解决经常无法调节台灯亮暗的烦恼。
还可以节约电能，根据我们的环境的需要来自动调节，并且可以保护我们的眼睛，同时，本设计的制作成本非常低，和普通台灯的制作成本相差无几，但就节能和保护视力的方面考虑，具有更加用户体验，其优越性是显而易见的，此次，本设计出的自动调光，客户还可以依据自己的需要来进行购买，还与国家的可持续发展的目标不谋而合，会得到国家大力支持。
总之，自动调光台灯不仅功能完善，而且价格便宜，适应人群广泛，所以其开发和实用价值非常强。
七、课设体会及合理化建议
通过这次课设，学会了Multisim软件的基本操作和具体应用，对自己的课设题目有了深刻的理解。
通过查找有关的参考文献，能够自行设计电路图，独立完成课设题目，对自己所学的知识有了一个系统的全面的复习，把自己所学的知识应用到了具体的实践活动中去，同时也锻炼了自己的动手能力。
时间虽然有些短暂，但是这期间的学习过程是最重要的，在调试过程中遇到了一些难题，如在设计题目的开始，由于审题的不清及对题目的不了解，在刚刚开始的时候就走了许多弯路，后来经过多次的失败后对自己的题目进行了重新考虑，最终确立了正确的方案，完成了课设题目。
我觉得电路是否成功这个结果并不是最重要的，重要的是学习的过程，在这个过程中我锻炼了自学能力并培养了坚持的信念，而这些恰恰是我日后学习工作所需要的。
参加工作后身边没了老师的指导，靠的就是自己的自学与坚持。
非常感谢这次的课设，在此向我的指导教师致以深深的谢意，感谢老师的耐心指导。
在课程设计的过程中也可以看到我们的不足，如原理知识掌握不实，曾经学过的知识如今却不会应用，软件的应用也不熟练，希望日后会提供给我们更多的锻炼机会来培养我们的实践能力。
参考文献
1．沙占友、李学芝著.中外数字万用表电路原理与维修技术.[M]北京：
人民邮电出版社，1993年
2．童诗白、华成英主编者.模拟电子技术基础.[M]北京：
高等教育出版社，2006年
3．戴伏生主编.基础电子电路设计与实践.[M]北京：
国防工业出版社，2002年
4．谭博学主编.集成电路原理与应用.[M]北京：
电子工业出版社，2003年
5．孙俊人主编.新编电子电路大全.[M]北京：
中国计量出版社，2001年
6.阎石主编.数字电子技术.[M]北京：
高等教育出版社，2006年
7.王良等.综合电子设计与实践.东南大学出版社.2002.3.
8.康光华.电子技术基础.高等教育出版社，2005.
10.姚福安.电子电路设计与实践[M]济南：
山东科学技术出版社，2001年
11.刘贵栋主编.电子电路的Multisim仿真实践[M].哈尔滨：
哈尔滨工业大学出版社，2008年.
12.曾新民,曾天剑1运算放大器应用手册.[M]1电子工业出版社,1990,31.
附录I：
总电路图
附录II：
元器件清单
方案一电子元器件清单
序号
编号
名称
型号
数量
1
R1
电阻
100
1
2
R2
电阻
2K
1
3
R3
电阻
300
1
4
R4
电阻
100
1
5
R5
电阻
1K
1
6
R6
滑动变阻器
（光敏电阻）
150
1
7
C1
电容
0.022uF
1
8
VD1—VD5
整流二极管
1N4007
1
9
NPN
三极管
1
10
VS
单向可控硅
1A/440V
1
11
Lamp
灯泡
12V，25W
1
12
Button
单向开关
1
13
S
单刀双向开关
1
升级会员 