1、<p><b>　　光學課程設計</b></p><p>　　設計課題：光控自動照明系統(tǒng)設計</p><p>　　學校： </p><p>　　學院： </p><p>　　專業(yè)： </p><p><b>　　學生姓名： <

2、;/b></p><p><b>　　指導老師： </b></p><p><b>　　12年 11 月</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文主要展現(xiàn)了光控路燈原理圖的設計過程。并用Multisim v11.0進行了仿真。通過把

3、整個任務進行分塊設計的方式，把設計分成電源變換模塊，開關控制模塊，開關模塊。分別介紹了各個模塊的原理以及相關調試。然后，把各個模塊組裝在一起進行了性能分析。最后，組裝真實電路，并展示成品。</p><p>　　關鍵詞：光控路燈 Multisim v11.0 仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Th

4、is paper is the presentation of the circuit design of street lamps controlled by light.And the design is simulated using Multisim v11.0.The whole process is divided into three parts:the part for power shifter,the part fo

5、r switch controller and the part for switch.Also ,the theoriy of each part has been discussed in detail in this paper.Then ,the three parts are assembled and tested together by the software.At last, assembly the real cir

6、cuit, and show finished.</p><p>　　Key words: street lamps controlled by light Multisim v11.0 simulation</p><p><b>　　1概述</b></p><p>　　如今，光電產業(yè)的結合已經(jīng)是未來光機電一體化趨勢的代表。這一結合最與

7、我們息息相關的就是街道上光控路燈的使用。我們經(jīng)?？梢钥吹?，每天傍晚，當天色較暗，路邊的路燈便自動點亮；每到清晨，當太陽照亮整個街道時，一排路燈就自動熄滅。其實，實現(xiàn)這些功能的并不是哪位辛勤的街道管理者，而是光電器件的杰作。其中，其主要作用的，就是光敏電阻的使用。</p><p>　　本文所要做的，便是用軟件模擬整個光控路燈的實現(xiàn)過程，仿真成功后制作真實電路。仿真所用的軟件是Multisim v11.0。它是一款基

8、于Windows 操作環(huán)境下的電路設計工具。利用Multisim v11.0,能夠實現(xiàn)繪制電路原理圖并提供連續(xù)性的仿真信息。這樣可以極大地縮短系統(tǒng)開發(fā)的時間和成本?？梢哉f，如今，基于電子計算機的EDA（電子設計自動化）已經(jīng)成為廣大電子開發(fā)人員的首選。</p><p>　　最后說明一下本文重點討論的問題：實現(xiàn)光控路燈的原理圖設計，具體要求如下：</p><p>　　1）采用光敏電阻進行光控&

9、lt;/p><p>　　2）在適當強光下，燈滅；弱光下，燈亮。</p><p>　　4）選擇適當?shù)墓饷綦娮杵骷鳛楣饪仉娐返闹髟?lt;/p><p>　　5）設計合適的光控電路原理圖；</p><p>　　6）利用Multisim v11.0軟件模擬此電路，分析各參數(shù)。</p><p>　　7）按照仿真成功的原理圖制作實驗

10、電路并進行調試。</p><p><b>　　2設計思路</b></p><p>　　根據(jù)課題要求，我們可以將設計分成三個模塊：電源變換模塊，開關控制模塊，開關模塊。</p><p>　　路燈一般使用交流市電作為供電電源。而我們電路中的各種控制電路則需要使用直流電，所以，必須進行電源變換。常用的方法是整流濾波后進行穩(wěn)壓。</p>

11、<p>　　若要滿足路燈在室外光強強時關閉，弱時開啟，也就是要一個回差控制。顯然，要實現(xiàn)這個功能需要使用具有回差特性的原件。一般是用斯密特觸發(fā)器或滯回比較器。我們可以專門用基本原件來設計斯密特觸發(fā)器，但是目前已有專用的集成原件，如555定時器，使用這些集成芯片不但方便，而且性能穩(wěn)定。</p><p>　　最后，要實現(xiàn)對燈開關的控制，必須使用具有模擬開關特性的器件，如三極管，場效應管等。這里，我們使用一種

12、叫做雙向晶閘管的器件，用它作為開關原件可以有更好的效果。</p><p>　　最后把三個部分連接起來，便構成了整個控制系統(tǒng)：它的工作方式可以定性的解釋為：當光照在光敏電阻上時，其阻值發(fā)生改變，從而其兩端的電壓也會相應變化，用這個電壓去控制光路控制模塊，使之有不同的輸出，這個輸出又去控制開關進行相應的改變。而由于開關控制模塊在輸入上升和下降是有不同的控制電壓，故整個系統(tǒng)在正反向的控制光強也不同。（如下圖）</

13、p><p>　　下面，我們根據(jù)以上思路進行各部分的設計。</p><p><b>　　3電路原理</b></p><p>　　3.1電源變換模塊的設計</p><p>　　一般地，電源變換采用整流濾波后穩(wěn)壓的方法。具體電路如下：</p><p>　　首先，市電經(jīng)過變壓器耦合進行降壓，然后通過一個由二極

14、管組成的整流橋進行整流。二極管整流的原理是：如上圖，當變壓器副邊輸出在正半周時，電流分別經(jīng)過D1，R1，D4回到變壓器；當變壓器副邊輸出在負半周時，電流分別經(jīng)過D3，R1，D2回到變壓器。這樣，不管是在正半周還是負半周，始終有電流流過R2，而且方向不變。這叫做全波整流。我們可以單獨看看全波整流的效果，測試圖如下：</p><p><b>　　測試結果見下圖：</b></p>&

15、lt;p>　　由圖可見，經(jīng)過整流后輸出只有正半周。</p><p>　　電容C1（見圖1）起著濾波的作用。即濾去交流分量。一般地，電容越大，濾波效果愈好。</p><p>　　最后一部分是集成的三段穩(wěn)壓器。只要提供的輸入電壓滿足其要求，它的輸出端就能輸出一個穩(wěn)定的電壓。波形：</p><p>　　通過如上處理，交流輸入可以相當于一個穩(wěn)定的直流輸出，這給后面的控

16、制部分提供了穩(wěn)定的直流電壓。</p><p><b>　　3.2開關控制模塊</b></p><p>　　開關控制模塊主要用555定時器搭成的斯密特觸發(fā)器構成。</p><p>　　下面介紹一下此模塊的原理：</p><p>　　555定時器是一個多功能的集成芯片，利用它可以極其方便的構成多諧振蕩器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，斯密特

17、觸發(fā)器。而本文正是使用555定時器構成斯密特觸發(fā)器來完成對開關的控制功能。它的內部組成如下：</p><p>　　它主要分為3個部分：比較部分，鎖存部分，輸出部分。</p><p>　　比較部分有放大器C1，C2組成。由圖可見,。根據(jù)輸入端口和與這兩個電壓的關系組合，可以使鎖存器處于不同狀態(tài)，從而輸出處于相應的狀態(tài)。</p><p>　　根據(jù)電壓比較器的特點和與非門

18、鎖存器的真值表，我們可以得到如下的狀態(tài)關系表：</p><p>　　不難發(fā)現(xiàn)，如果把和接在一起作為輸入，當它們在和之間變化時，如果變化的方向不同，那么輸出有不同的狀態(tài)。這就可以構成斯密特觸發(fā)器。以下是具體連接圖：</p><p><b>　　下面具體來看：</b></p><p>　　1）當< 時，由上表，=1，=0，=1；</p&

19、gt;<p>　　2）當<< 時，==1，保持不變；</p><p>　　3）當>時，=0，=1，=0；</p><p><b>　　再看從下降的過程。</b></p><p>　　1）當<<時，==1，=0保持不變；</p><p>　　2）當< 時，=1，=0，=1。

20、</p><p>　　由上面的分析，可以畫出如下輸入輸出特性曲線：</p><p>　　可見，這是典型的斯密特觸發(fā)器工作狀態(tài)圖。它的回差電壓是-=。利用這點，我們可以很好的實現(xiàn)光控的回差特性。</p><p>　　下面我們來測試一下斯密特觸發(fā)器的特性。測試圖如下：</p><p>　　根據(jù)前面的分析，若Vcc為12V，則兩個回差點分別是4V，

21、8V。如果輸入一個合適的正弦波，那么我們可以想見，當電壓有0升到8V的過程中，輸出為高電平；過了8V以后變低電平；當電壓下降時，降到4V以前，會保持低電平，低于4V后會到高電平。輸出將是矩形波。以下是輸出結果：</p><p>　　從上圖可見，我們的預想完全和實際一樣。</p><p><b>　　3.3開關模塊</b></p><p>　　這

22、部分就是一個雙向晶閘管。首先介紹一下該器件。它是由2個反向并聯(lián)的晶閘管構成。</p><p>　　圖a)是器組成圖。它是由P，N型材料如圖疊在一起構成的。中間抽出一個引線作為控制電極G。當G上不加電壓是，不管A，K之間為何種電壓，總有PN結處于反偏，器件不導通；但是但AK間加上正向電壓后，若GK間也加上正向電壓，則下面的ＰＮ結導通。圖b)是其等效圖。這是VT2基極有電流，其發(fā)射極的電流將為；而VT2的發(fā)射極又是V

23、T1的基極，那么VT1的發(fā)射極電流將為，VT1的發(fā)射極又是VT2的基極，如此循環(huán)下去，電流會在正反饋的作用下很快放大，是管子處于導通狀態(tài)。這個過程叫做觸發(fā)式導通。</p><p>　　雙向晶閘管是由2個反向并聯(lián)的晶閘管構成，工作原理與上面相似，但是它在AK間的電壓為正負極性時，只要G有觸發(fā)電壓，都可以導通。所以，在交流供電時也可以使用。</p><p>　　我們可以來看一下雙向晶閘管的工作

24、情況，測試圖如下：</p><p>　　可見，當電壓超過2V后雙向晶閘管開始導通。一旦導通，其電阻比較小。</p><p><b>　　4分析調試</b></p><p>　　以上，我們分別介紹了各部分的原理，現(xiàn)在我們生成總體原理圖。</p><p>　　考慮到555的輸入電壓如何使其按照期望達到相應臨界點（1/3Vcc

25、、2/3Vcc），我們采用了光敏電阻。</p><p>　?、佼斢泄庹諘r，光敏電阻阻值變小，斯密特觸發(fā)器輸入電壓會上升，當達到2/3Vcc時，輸出低電平，晶閘管斷開，燈滅。</p><p>　　②當無光照時,光敏電阻阻值變得很大，斯密特觸發(fā)器輸入電壓會下降，當達到1/3Vcc時，輸出高電平晶閘管接通，燈亮。</p><p>　　光照亮度變化時，上述變化會自動發(fā)生。&

26、lt;/p><p>　　首先我們必須根據(jù)所選用的光敏電阻的型號來設置一些參數(shù)。</p><p>　　由圖4-1可見，我們主要是通過光敏電阻R3和電阻R4分壓來控制的。R3的阻值在2個光照回差值時必須有如下關系：</p><p><b>　　和 </b></p><p>　　所以，R3的阻值在2個光照回差值時分別應該為和&l

27、t;/p><p>　　據(jù)此，我們選了光電阻阻值為10k-20k的光敏電阻R4和0-100k的滑動電阻R3作為調試所用。次電阻組合還可以決定根據(jù)光強的強弱來控制電路。</p><p>　　上面是全局圖。R4是光敏電阻。</p><p>　　當外界有光照射到光敏電阻上時,波形圖如下：</p><p>　　光照降低時時，光敏電阻阻值會上升，斯密特觸發(fā)器

28、輸入電壓會下降。波形圖如下：</p><p>　　最后，需要說明的是，有時候由于車輛的閃光燈或者夜雨天氣的閃電等會誘導光控出現(xiàn)錯誤，所以我們加入了電容C3和可變電阻R6起一個延時作用（如圖13）。只要在延時時間內外界偶然刺激消失了，那么燈泡不會有反應。對于還有其他的沒有說明的電阻和電容，都是因為在連接各個模塊是為了避免各自輸入輸出電阻的互相影響而加入的，其參數(shù)值都是經(jīng)過多次試驗選定的，所以對仿真結果無影響。<

29、;/p><p><b>　　5 真實電路</b></p><p><b>　　電路作品如下：</b></p><p><b>　　6小結與心得</b></p><p>　　本次設計中最復雜的是各個模塊的連接。因為連接時各個模塊的輸入輸出電阻相互影響，所以結果會與單獨分析有出入，甚至

30、有很大差別。所以連接時要加入電阻電容等器件。這點在設計時花了很多時間。真實電路調試與仿真調試亦有很大區(qū)別。</p><p>　　通過本次課程設計，讓我真正體驗了一次探索學習的過程。在設計中一次次遇到問題時的苦惱，一次次解決問題時的欣喜，一次次在眾多心儀的方案中取舍時的糾結，都給我留下了深刻的印象。</p><p>　　本次設計的主要收獲是不但鞏固了電子技術的相關知識，也體驗了計算機輔助設計

31、（CAD）的過程。更重要的是，讓我提高了根據(jù)需求主動獲取知識和靈活使用理論知識的能力。</p><p>　　雖然本次設計原理圖有比較好的仿真結果，但是實際還是和理論仿真有一些出入的。唯一不足的就是不能精確地確定光強為何值時電路工作，只能是個大概。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 華成英，童詩白.模擬