自动光控制路灯电路设计(已实现)

电子线路课程设计

题目路灯控制器设计

专业班级09物电电信一班

学生姓名徐旷怡陈梦达周吉指导教师张丹

二O一二年十一月

路灯控制器的设计

设计说明：

安装在公共场所或道路两旁的路灯，通常是随环境的亮和暗而自动的关断和开启或者自身亮度，同时可以对消耗的电功率进行测量。实验时用1W白光LED （3.3V@300mA）代替路灯，用调光台灯替代环境光线变化。（LED采用恒流供电，电流变化可以与LED亮度的变化约为线性变化。）

设计要求：

基本部分

1、自制电路供电的稳压电源；

2、LED采用恒流供电。

3、该控制器具有环境亮度检测和控制功能，当处于暗（亮）环境下能够自

动开（关）灯，为了演示方便，在现场演示时，当调光台灯（模拟自然光）较暗（较亮）时相当于暗环境（亮环境），此时另一个白光LED（模拟路灯）将被点亮（熄灭），以此实现光控功能。

发挥部分

1、设计一个环境光线检测器，其输出电压能随光线近线性变化；

2、受控的LED灯能随环境光线的明暗变化调整亮度，使在LED灯光照射范围内的光照强度保持恒定。

一、设计方案

为了实现LED灯随环境光线的明暗变化调节亮度，我们使用了光敏三级管3DU33和运算放大器构成的基本电路。通过光敏三级管得感光特性控制第一级运算放大器的输入电压，然后通过反馈来调节LED灯的明暗变化。实现该电路的电路原理图如下：

图1

二、原件清单

三、电路原理

我们设计的电路原理图可以分为三个组成部分：电压控制电路，运算放大器比较电路和电流负反馈电路。

1、运算放大器比较电路

如图2，电压控制电路是根据3DU33的感光特性来控制支路电压值得变

化。当有光照（1000lx）的情况下流过光敏三极管的光电流有10mA，这时电阻R1(1k)就会分得大部分电压，于是支路的电压就很小甚至为零；反过来，当环境光线不充足时，流过光敏三极管的暗电流只有几十微安，这时电阻R1分压就会降低，支路就会获得更大的电压。通过光敏三极管的特性进行线性分压，从而能很好的控制运算放大器输入电压的变化来调节LED灯。

图2

R1阻值计算：要想LED能随外界光照强度发生比较明显的变化，也就是光敏三极管的感光电流发生是那个变化时，R1上的电压能有比较明显的变化。根据3DU33的电流特性可知，其光电流大概是10mA，此时要想使R1上分得所有的电压，则R1阻值与光电流应为电源电压，由此可算出R1的阻值在800欧姆左右。

2、运算放大器比较电路

如图3，根据运算放大器两个输入端(N、P)虚断虚短的特性来控制输出端电压的范围。N端的电压值是外加的可变电压，这个设定电压和P端电压进行比较来调节使得运算放大器处于动态平衡状态。在这个实验中，我们多次的调节滑动变阻器R4来改变N端电压，最终使得N端电压为3—5V 时，LED灯才会随着光照强度有明显的变化。

运算放大电路的工作原理：当外界光变强时，运算放大器P端电压会变小，从而使输出端的电压变小，LED灯变暗。随着LED的变暗，P端电压增大，但是N端电压不变，输出电压变小，使P端电压变小，从而最终达到平衡，由于调节过程很快，所以人眼分辨不出来，看到的LED光是稳定的。

图3

3、电流负反馈电路

如图4，该电路是运算放大器LM358、三极管Q2和电阻R5组成的电流负反馈电路。这是路灯控制电路很重要的一个组成部分，它的反馈调节的灵敏程度直接反映出LED灯对环境光线的自动调节能力。这个电路还设置有个保护电路，稳压管D2的稳压值是6V，当运算放大器AR2输出高于6V电压时稳压管起到保护电路的作用。而在电路中，三极管的作用是不可以忽视的。LED灯的额定电流是300mA，运算放大器输出电流是达不到这个要求的，这时三极管就起到放大电流的作用，基极的电流经过放大后可以满足LED灯对电流的要求。

图4

四、电路电阻值估算及调试

电路在最初设计时电阻用的是滑动变阻器，这样便于调试。主要是R1和R5的估算。我们提供的输入电压和LED灯的电压都是6v。那么要使LED灯能达到额定工作状态，R5=8V/0.3A=30Ω。对于R1的估算就必须根据光敏三极管的电流变化范围。因为光敏三极管在光照的情况下电流达到10mA，这时要是电阻R1分压基本上达到提供的电源电压，于是可以求出R1=8V/0.01A=800Ω。

电阻值估算完了，就可以进行焊接了。焊接完成之后就是电路性能的测试和调试了。我们在电路的测试和调试中用了大量的时间，这也是模拟电路设计中最重要的一个环节了。最初调试的时候我们没有太在意比较电压，直接给了比较电压一个很高的电压6V，这时整个电路知识起到一个开关控制的作用，不管怎么调节R1和R5都实现不了设计的电路功能。之后就没有在进行调节了，转过来分析电路原理，思考是不是哪个部分设计出现了问题还是电路没有焊接好。在经过

了仔细的测量阻值和电压电流，我们排除了电路没有焊接好的原因。在分析电路的功能时，我们意识到比较电路的电压是一个调节的电压，于是我们又进行测试，这次将比较电压降低了，4V左右。根据估算的电阻值，我们把滑动变阻的阻值调到电阻值附近，这次测试电路达到了预期的LED灯随环境光变化的功能。

五、焊接调试过程中遇到的问题、错误及改进方法

1、开始焊接的时候，觉得焊接部分比较简单，就没有认真去对待，导致运算放大器的很多引脚都接错，还有的线也没有连，这样如果直接接电源调试的话很容易烧坏元器件破坏电路。所以以后要认真对待焊接这一部分，这一部分的好坏也直接影响了后面的调试部分。

2、R1阻值选取错误：刚开始没有经过严密的计算就根据直观感觉选了R1的阻值，结果过大，当外界光照强度发生变化的时候，R1上的电压变化很小，导致LED亮度不随外界光照强度发生变化而且一直很亮。后来根据计算选取R1的阻值之后，电路的整体效果就得到饿了很大的改善。

3、AR1的N端外加电压值选取错误：调试时发现LED灯亮度随外界光照强度的变化不是那么明显，基本是只是开关左右。于是检查电路是发现，AR1的N端外加的定值电压为2伏，太小了，这样使LED灯一直比较亮，而当外界光照强到一定程度时，LED突然变暗，基本上看不到线性变化。当我们把N端电压提高到3~5V时就较好地改善了这个问题。

4、开始我们给两个运算放大器的供电是5V，但是在这种情况下，Q2始终是截止的，LED没有电流流过，一直是暗的。后来通过老师的指导后，知道是运算放大器的供电电压太小，使输出电压太小，不足以是三极管导通。当我们把运算放大器的电压提高到8V时，就解决了这个问题。

六、课程设计体会

通过这次的模拟电子线路的课程设计，我们不仅加深了对模拟电路的理解，分析电路调试电路的能力也得到了提高，更明白了团队协作对于电子线路设计的重要性。恩，虽然我们的课程设计比较简单，可我们没有马虎对待，从电路原理图绘制到电路板的焊接再到电路的调试，都是很认真的完成。

以后的学习，我们会更加努力。不会因为简单而敷衍，从简单的做起，学习课程的思想，逐步加深理解，才能更好的掌握复杂的技术和知识！