光控路灯控制器的设计

第一章绪论
1.1选题背景:
光电子技术是继微电子技术之后近30年来迅猛发展的综合性高新技术。

1962年半导体激光器的诞生是近代科学技术史上一个重大事件。

经历十多年的初期探索，从70年代后期起，随着半导体光电子器件和硅基光导纤维两大基础元件在原理和制造工艺上的突破，光子技术与电子技术开始结合并形成了具有强大生命力的信息光电子技术和产业。

光电子技术是一个比较庞大的体系，它包括信息传输，如光纤通信、空间和海底光通信等；信息处理，如计算机光互连、光计算、光交换等；信息获取，如光学传感和遥感、光纤传感等；信息存储，如光盘、全息存储技术等；信息显示，如大屏幕平板显示、激光打印和印刷等。

其中信息光电子技术是光电子学领域中最为活跃的分支。

在信息技术发展过程中，电子作为信息的载体作出了巨大的贡献。

但它也在速率、容量和空间相容性等方面受到严峻的挑战。

采用光子作为信息的载体，其响应速度可达到飞秒量级、比电子快三个数量级以上，加之光子的高度并行处理能力，不存在电磁串扰和路径延迟等缺点，使其具有超出电子的信息容量与处理速度的潜力。

充分地综合利用电子和光子两大微观信息载体各自的优点，必将大大改善电子通信设备、电子计算机和电子仪器的性能。

1.2光电子技术简介：
光电子技术激光在电子信息技术中的应用形成的技术。

光电子技术确切称为信息光电子技术。

20世纪60年代激光问世以来，最初应用于激光测距等少数应用，到70年代，由于有了室温下连续工作的半导体激光器和传输损耗很低的光纤，光电子技术才迅速发展起来。

现在全世界敷设的通信光纤总长超过1000万公里，主要用于建设宽带综合业务数字通信网。

以光盘为代表的信息存储和激光打印机、复印机和发光二极管大屏幕现实为代表的信息显示技术称为市场最大的电子产品。

人们对光电神经网络计算机技术抱有很大希望，希望获得功耗的、响应带宽很大，噪音低的光电子技术。

光电子技术又是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、处理和接收，涵盖了新材料（新型发光感光材料，非线性光学材料，衬底材料、传输材料和人工材料的微结构等）、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。

光电子技术科学是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。

第二章系统整体设计
2.1 光控制路灯控制器课程设计的目的
1. 能够全面的巩固和应用课程中所学的基本理论的基本方
法，并初步掌握综合系统设计的基本方法。

2. 能合理、灵活的应用各种标准集成电路等器件实现规定的
系统设计。

3. 培养独立思考、独立准备资料、独立设计规定功能的综合
设计能力。

4. 培养独立进行试验，包括电路布局、安装、调试和排除故
障的能力。

5. 培养书写综合设计实验报告的能力。

2.2 光控制路灯控制器的设计任务与要求
利用光照的强度作为路灯的起控点，实现光线较亮时，自动关闭，晚上光线较暗时，自动开启路灯的控制。

了解常用路灯控制的各种方法，及各自的优缺点，通过相互的比较，确定设计方案，并对所用传感器进行选型，同时加以电路的设计与分析，完成设计任务。

2.3 方案论证
方案一：目前大多数的路灯控制采用以时间控制来实现，实
际使用中由于冬天和夏天的白天长短不一，因此这种控制方式必然造成在光线充足的情况下，路灯也有时会亮着，从而造成了大量的能源浪费，而各种照明灯也都具有一定的使用时限，在光线充足的情况下仍继续使用，必然增加每天开启灯的时间，会缩短灯的使用寿命。

方案二：本设计主要是运用光敏元件的特性来实现当光照强度足够进自动关闭路灯，而当光照强度不足时，控制继电器吸合，接通路灯回路的电源，达到自动开启路灯的功能。

该设计运用方案二，相对于方案一来说，方案二不仅弥补了资源的浪
费，同时也增加了灯的使用寿命。

该方案利用光照强度为传感器，目前最为常用且性价比较高的就是光敏电阻，利用其光线较强时，电阻值较低，而光线较暗时则电阻较大的特点，利用电桥，可将光线信号转换成电信号，再通过电压比较器等方式，可以有效地完成控制需要。

这类设计中，只要能将光线信号取出，整个设计也便完成了大半，至于控制部分的设计，可采用继电器输出，这样就算驱动较大的路灯负载，只需再加接触器便可完成。

2.4 电路原理图
一．电路原理图：
图2-1 光控电路原理图
二．电路原理：
220V市电经电容C3降压，D1-D4组成的桥式整流电路后，R7限流，在CW2两端形成一个稳定的12V直流电压，一路经R8点亮发光管LED1，作为电源指示，另一路作为系统的工作电源。

接通电源后，如果是白天，光线较强，光敏电阻R2两端的电压很小，CW1截止，流入VT2基极的电流很小，VT1截止，VT3也截止，继电器不工作。

当光线变暗时，R2两端的电压不断上升，当这个电压高于CW1的击穿电压时，VT2导通，相继VT1和VT3也导通，继电器得电吸合，其触点控制路灯点亮。

当光线再次变亮时，CW1
截止，相应导致VT1、VT2、VT3截止，继电器断开。

第三章硬件电路测试
3.1 所需器件及器件的介绍
1、光敏电阻
光敏电阻器概述：光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

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。

光敏电阻工作原理：光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。

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，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。

在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。

光照愈强，阻值愈低。

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。

在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，从而实现光电转换。

光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

图3-1 光敏电阻原理图
2、稳压二极管
稳压二极管概述：稳压二极管(又叫齐纳二极管)是一种硅材料制成的面接触型晶体二极管，简称稳压管。

此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。

稳压管在反向击穿时，在一定的电流范围内（或者说在一定功率
损耗范围内），端电压几乎不变，表现出稳压特性，因而广泛应用于稳压电源与限幅电路之中。

稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,稳压管主要被作为稳压器或电压基准元件使用.其伏安特性见图1,稳压二极管可以串联起来以便在较高的电压上使用,通过串联就可获得更多的稳定电压。

稳压管工作原理：稳压管也是一种晶体二极管，它是利用PN结的击穿区具有稳定电压的特性来工作的。

稳压管在稳压设备和一些电子电路中获得广泛的应用。

我们把这种类型的二极管称为稳压管，以区别用在整流、检波和其他单向导电场合的二极管。

稳压二极管的特点就是击穿后，其两端的电压基本保持不变。

这样，当把稳压管接入电路以后，若由于电源电压发生波动，或其它原因造成电路中各点电压变动时，负载两端的电压将基本保持不变。

图3-2 稳压管符号
3、发光二极管
发光二极管简称为LED。

由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

它是半导体二
极管的一种，可以把电能转化成光能；常简写为LED。

发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

3.3 发光二极管
4、继电器
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

电磁继电器原理图如图3.4所示：
图3.4 电磁继电器
5、桥式电路
桥式整流电路如图3.5所示，图中B为电源变压器，它的作用是将交流电网电压e1变成整流电路要求的交流电压，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。

图3.5 桥式整流电路
桥式整流电路的工作原理可分析如下。

为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。

在e2的正半周，电流从变压器副边线圈的上端流出，只能经过二
极管D1流向RL，再由二极管D3流回变压器，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。

在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。

在e2的负半周，其极性与图示相反，电流从变压器副边线圈的下端流出，只能经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流回变压器，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。

电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。

综上所述，桥式整流电路巧妙地利用了二极管的单向导电性，将四个二极管分为两组，根据变压器副边电压的极性分别导通，将变压器副边电压的正极性端与负载电阻的上端相连，负极性端与负载电阻的下端相连，使负载上始终可以得到一个单方向的脉动电压。

3.2 实物图
图3.6 实物图1
图3.7 实物图 2
第四章电路的检测与调试
4.1 调试过程
由于本制作采用市电直接供电，因此操作时要特别小心，否则容易发生触电事故。

在调试时若有直流稳压电源，可采用12V 直流电源进行调试。

等各项功能都正常后，再用市电调试。

12V电源接于D1的阴极与地之间，用万用表测量C1两端电压，当光线较强时，C1两端电压为0.5V以下，用一黑色合子将感光孔处挡住，此时C1两端的电压变为高于10V，此时继电器吸合，若听不到继电器吸合的声音，查看D5是否接反，若D5接反，由于VT3直接将正电源与地短接，电流较大，有可能损坏VT3。

若以上测试正常，便可以直接接入220V市电进行调试。

在进行这一步时，操作者千万不要用手直接去接触电路板上的任何金属部分。

先用万用表测量CW2两端电压，接上电源后，电源指示灯点亮，CW2两端电压在12V左右，否则说明整流电路有问题，可查看4个二极管有没有焊反。

由于二只发光二极管和光敏电阻直接伸出外壳，因此在安装这几只元件时，全部在线路板的焊接面，对于光敏电阻直接将元件焊接于线路板的焊接面上，两只发光二极管先折弯，发光面从线路板上的二只孔出伸出。

4.2 调试过程中出现的问题
1.检测电路板的连接情况，发现有的地方没有连接好，重新将其进行焊接。

2.在电路板焊接好后，将其接入5V电源，发现在有光时仍然会发光。

4.3 问题的解决办法
利用万用表测试光敏电阻的阻值，发现在有光时阻值为4.2K，无光时为5.7K，相差阻值很小，故将其移动到光线比较好的地方，再次检测，达到预期的效果。

第五章总结与展望
通过这学期对光控路灯控制器的设计，我深刻的理解了“学以致用”这句话。

正所谓“纸上谈兵终觉浅，觉知此事要躬行”。

学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期在光电子技术刚学完之际，紧接着来一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。

这样不仅能加深我们对电子电路的任职，而且还及时、真正的做到了学以致用。

理论联系实际是很重要的，空有理论知识而没有实际的动手操作是不会对理论知识有进一步的了解的。

通过本次的课程设计，我学到了很多东西，从自己动手设计原理图到电路板的焊接，都是一个个需要信心和耐心的过程。

在设计过程中，和老师的悉心指导是分不开的，对于学生的问题，老师都很耐心的给予细致的讲解。

对于电路的设计，要积极培养自己的动手能力。

在反复摸索中学会实际的效果。

同时小组成员之间的团结合作也是很重要的。

当然，丰富的理论知识在设计中是坚固的基础。

参考文献：
[1]《数字电子技术基础》（第五版）主编：阎石高等教育出版社
[2]《电子技术基础模拟部分》（第五版）主编：康华光高等教育出版社
[3]《数字电路逻辑设计》主编：韩振振大连理工大学出版社，2000
[4]《电子技术基础课程设计》主编：任为民中央广播电视大学出版社，1997
[5]《实验电子技术》主编：李振声国防工业出版社，2003。