光电电路课程设计报告(光控窗帘)

课程设计报告课程光电电路课程设计题目光控窗帘系别物理与电子工程学院年级10级专业班级学号学生姓名指导教师职称讲师设计时间2013.4.15~2013.4.25目录一题目要求与方案论证 (2)1.1光控窗帘 (2)1.1.1题目要求 (2)1.1.2 方案论证 (2)二电子线路设计与实现 (6)2.1光控自动窗帘的设计 (6)三结果与分析 (8)3.1 光控自动窗帘的实现 (8)四总结与体会 (11)参考文献 (12)一题目要求与方案论证1.1光控窗帘1.1.1题目要求光控自动窗帘是利用自然光线自动控制窗帘开闭的家用自动控制装置。

具体要求如下：（1）白天室内需要阳光照明，窗帘自动拉开；晚上窗帘自动拉合。

（2）设置两个手动开关，打到一个开关时窗帘拉开，打到另一个开关时窗帘拉合。

（3）电路由光控电路和直流电动机正反转驱动与延时控制电路组成。

光控电路由光敏三极管构成，受光线的照射，光敏三极管内阻降低，无光照时，光敏三极管内阻增大。

电动机正转将窗帘打开，反转将窗帘闭合。

1.1.2 方案论证1、系统框图系统组成如图1所示。

系统分为输入端和控制器两部分。

图1 系统组成框图2、设计思想采用555时基集成电路来实现光控自动窗帘电路和延时控制电路，环境光线的照射来实现窗帘的自动开合（窗帘在清晨能自动拉开，在傍晚能自动关闭）。

利用单刀双掷开关，阻值1kΩ和2MΩ的两个电阻来组合实现光敏三极管的功能。

当白天有光照的时候，光敏三极管内阻降低，相当于单刀双掷开关接1kΩ的电阻；无光照时，光敏三极管内阻增大，相当于单刀双掷开关接2MΩ的电阻。

直流电动机正反转驱动则通过两个接向相反的发光二极管的发光情况来体现。

3、555芯片介绍555定时器由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。

虚线边沿标注的数字为管脚号。

其中，1脚为接地端；2脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V—3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V—18V范围内使用。

如下图2所示。

图2 555定时器内部框图及脚排列555定时器工作时过程分析如下：5脚经0.01uF电容接地，比较器C1和C2的比较电压为：UR1=2/3VCC、UR2=1/3VCC。

当VI1＞2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器置0，G3输出高电平，放电三极管TD导通，定时器输出低电平。

当VI1＜2/3VCC，VI2＞1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出高电平，基本RS触发器保持原状态不变，555定时器输出状态保持不来。

当VI1＞2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出低电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器两端都被置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。

当VI1＜2/3VCC，VI2＜1/3VCC时，比较器C1输出高电平，比较器C2输出低电平，基本RS触发器置1，G3输出低电平，放电三极管TD截止，定时器输出高电平。

4、三极管功能的介绍三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。

分成NPN 和PNP两种。

我们仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。

图3 NPN三极管图4 三极管来作开关使用的原理图(1)电流放大下面的分析仅对于NPN型硅三极管。

如图3所示，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。

这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。

三极管的放大作用就是：集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话），并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即电流变化被放大了β倍，所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。

如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。

如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I 可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。

我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。

(2)偏置电路三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。

这有几个原因。

首先是由于三极管BE结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生（对于硅管，常取0.7V）。

当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。

但实际中要放大的信号往往远比 0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。

如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。

另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小的信号无效（因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了）。

而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。

这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。

(3)开关作用下面说说三极管的饱和情况。

像面5那样的图，因为受到电阻 Rc的限制（Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压），集电极电流是不能无限增加下去的。

当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。

一般判断三极管是否饱和的准则是：Ib*β〉Ic。

进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。

这样我们就可以拿三极管来当作开关使用：当基极电流为0时，三极管集电极电流为0（这叫做三极管截止），相当于开关断开；当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。

如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。

二电子线路设计与实现2.1光控自动窗帘的设计图5 光控窗帘仿真图光控自动窗帘是利用自然光线自动控制窗帘开闭的家用自动控制装置。

白天室内需要阳光照明，窗帘自动拉开；晚上窗帘自动拉合。

仿真实现部分图如图6所示。

当电路开关D闭合时，光控电路作用，当开关space打到电阻1kΩ时相当于白天光敏三极管阻值较小时的情况，而开关space打到2MΩ时相当于晚上光敏三极管阻值较大的情况。

图6 光控电路实现部分除此以外，还设置了两个手动开关，手动控制的前提是将开关D打开，当开关B闭合且开关C断开时窗帘拉开，当开关B断开且开关C闭合时窗帘闭合。

图7 手动电路控制部分三结果与分析3.1 光控自动窗帘的实现开关打到电阻1kΩ相当于清晨光敏晶体管在自然光线的照射下导通，此时555的2脚和三极管的基极为低电平，三极管截止，使第一个555内部的单稳态触发器动作（变为暂态），其3脚输出高电平，第二个555的2脚为高电平，3脚为低电平，使电动机M正转，将窗帘拉开。

当窗帘拉开到位后，第一个555 又由暂态变为稳态，其3脚恢复为低电平，使电动机M停转。

当开关打到电阻2MΩ时相当于傍晚光线暗淡时，光敏晶体管截止，第一个555因2脚为高电平而不能被触发，其3脚为低电平。

三极管因基极变为高电平而导通，其集电极电压下降，使第二个555的2脚产生低电平触发电压，555内部的单稳态触发器翻转，由稳态变为暂态，3脚输出高电平，使电动机M反转，窗帘开始闭合。

窗帘闭合到位后，单稳态触发器恢复为稳态，第二个555的3脚变为低电平，电动机M停转。

采用手动控制时，应将开关D关断，使光控电路失效。

闭合开关B且打开开关C时，第一个555触发翻转，电动机M正转，将窗帘拉开；闭合开关C且打开开关B时，第二个555触发翻转，电动机M反转，将窗帘闭合。

调节电位器R1和R3，可以改变电动机的运转时间。

3.1.1光控实现窗帘的拉合利用单刀双掷开关，阻值1kΩ和2MΩ的两个电阻来组合实现光敏三极管的功能。

当白天有光照的时候，光敏三极管内阻降低，相当于单刀双掷开关接1kΩ的电阻（如图8）；正向发光二极管亮，表示直流电动机正转。

图8 有光照时的光控模拟结果傍晚无光照时，光敏三极管内阻增大，相当于单刀双掷开关接2MΩ的电阻（如图9）。

反向二极管发光，说明直流电动机反转。

图9 无光照时的光控模拟结果3.1.2手动实现窗帘的拉合手动实现窗帘的拉合,其过程与光控的一样。

首先断开所有的开关，开关D的断开是使光控系统无法工作。

如果使开关B闭合，开关D断开（如图10）。

其功能和有光照射时电路实现的功能一样，可以直流电动机正转，窗帘打开。

图10 手动控制窗帘打开仿真模拟如果使开关B断开，开关C闭合（如图11）。

其功能和没有光照射时电路实现的功能一样，可使直流电动机反转，窗帘闭合。

图11 手动控制窗帘闭合仿真模拟实验结果基本符合课题的要求。

在光敏三极管功能实现方面,本来是想用滑动变阻器来实现的,但是由于滑动变阻器接入电路的不稳定性,使得电路的功能实现不稳定。

所以使用利用单刀双掷开关和两个电阻的组合来实现光敏三极管的功能，而且在阻值选择方面需要考虑到实际情况。

四总结与体会近两周的光电子课程设计让我学到了很多。

这次的课程设计完全由自己摸索完成，当然我们也找了很多的资料。

我们的课题为“光控自动窗帘”，这个课题与我们生活紧密相连。

开始的时候我们小组的成员头脑一片空白，不知道从哪边下手。

后来，我们上网查了一些资料，连了一些电路，但是仿真不起来，我们都有一些茫然。

之后发现我们连接的电路只是依葫芦画瓢，并没有理解其中的道理，所以到网上、去图书馆找相关元器件的性能，在了解了器件性能的基础上我们重新连接并研究了电路。

我们发现其实要实现光控自动窗帘还是比较简单的，只需要两个555芯片、三极管、光敏三极管和相关的配件就可以完成的。

光敏电阻的实现我们就采用单刀双掷开关的电阻来模拟。