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东北石油大学课程设计2013年3月1日课程光电检测技术题目光控节能路灯的电路设计院系电子科学学院专业班级应物1学生姓名明学生学号指导教师大庆石油学院课程设计任务书课程光电检测技术题目光控节能路灯电路的设计专业应用姓名学号0909主要内容：应用光敏二极管，与非门，继电器等，设计一光控节能电路，实现节能路灯控制。基本要求：1）研究光敏二极管，与非门，继电器的功能特性，实现节能。2）设计光控节能路灯电路的功能框图。3）设计光控节能路灯电路中的光电检测电路、驱动电路、逻辑电路。4）使电路的工作电流不大于1mA。5）调试安装。6）完成课程设计总结报告。主要参考资料：1）陈有卿编著.新颖集成电路制作精选[M].人民邮电出版社,2005.4.2)陈振官，陈宏威等编著.光电子电路制作实例[M].2006.4.3)黄继昌等编著.检测专用集成电路及应用[M].2006.10.完成期限2013.2.25~2013.3.1指导教师专业负责人2013年2月25日第1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。世纪60年代激光问20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2章光控节能路灯工作原理根据课题要求，我们可以将设计分成三个模块：电源变换模块，开关控制模块，开关模块。路灯一般使用交流市电作为供电电源。而我们电路中的各种控制电路则需要使用直流电，所以，必须进行电源变换。常用的方法是整流滤波后进行稳压。若要满足路灯在室外光强大于15Cd/m^2时关闭，小于10Cd/m^2时开启，也就是要一个回差控制。显然，要实现这个功能需要使用具有回差特性的原件。一般是用斯密特触发器或滞回比较器。我们可以专门用基本原件来设计斯密特触发器，但是目前已有专用的集成原件，如555定时器，使用这些集成芯片不但方便，而且性能稳定。最后，要实现对灯开关的控制，必须使用具有模拟开关特性的器件，如三极管，场效应管等。这里，我们使用一种叫做双向晶闸管的器件，用它作为开关原件可以有更好的效果。最后把三个部分连接起来，便构成了整个控制系统：它的工作方式可以定性的解释为：当光照在光敏电阻上时，其阻值发生改变，从而其两端的电压也会相应变化，用这个电压去控制光路控制模块，使之有不同的输出，这个输出又去控制开关进行相应的改变。而由于开关控制模块在输入上升和下降是有不同的控制电压，故整个系统在正反向的控制光强也不同（如下图）。电源变换模块开关控制模块开关模块负载电灯图2.1整体设计思路第3章光控节能路灯电路设计3.1电源变换模块电路设计一般地，电源变换采用整流滤波后稳压的方法。具体电路如下：首先，市电经过变压器耦合进行降压，然后通过一个由二极管组成的整流桥进行整流。二极管整流的原理是：如上图，当变压器副边输出在正半周时，电流分别经过D1，R2，D4回到变压器；当变压器副边输出在负半周时，电流分别经过D3，R2，D2回到变压器。这样，不管是在正半周还是负半周，始终有电流流过R2，而且方向不变。这叫做全波整流。电容C1起着滤波的作用。即滤去交流分量。我们可以看一下C1端输出的波形：可见，其输出基本上为一个定值，电压波动很小。一般地，电容越大，滤波效果愈好。最后一部分是集成的三段稳压器。只要提供的输入电压满足其要求，它的输出端就能输出一个稳定的电压。我们结合整个电源模块来看一下各个部分的波形：其中，T3是变压器副边输出电压，T1是滤波后输出电压，T2是三端稳压器的输出。可见，经过三端稳压器后，输出电压的纹波更小。通过如上处理，交流输入可以相当于一个稳定的直流输出，这给后面的控制部分提供了稳定的直流电压。3.2开关控制模块电路设计开关控制模块主要用555定时器搭成的斯密特触发器构成。图3.1电源变换电路整体图下面介绍一下此模块的原理：555定时器是一个多功能的集成芯片，利用它可以极其方便的构成多谐振荡器，单稳态触发器，斯密特触发器。而本文正是使用555定时器构成斯密特触发器来完成对开关的控制功能。它的内部组成如下：它主要分为3个部分：比较部分，锁存部分，输出部分。比较部分有放大器C1，C2组成。由图可见123RCCVV,213RCCVV。根据输入端口1IV和2IV与这两个电压的关系组合，可以使锁存器处于不同状态，从而输出处于相应的状态。根据电压比较器的特点和与非门锁存器的真值表，我们可以得到如下的状态关系表：1IV2IV1CV2CVQDT状态OV23CCV13CCV010on023CCV13CCV11保持保持保持23CCV13CCV101off123CCV13CCV001off1图3.2555定时器组成电路表3.1555定时器工作状态表不难发现，如果把1IV和2IV接在一起作为输入，当它们在23CCV和13CCV之间变化时，如果变化的方向不同，那么输出有不同的状态。这就可以构成斯密特触发器。以下是具体连接图：下面具体来看：1）当IV13CCV时，由上表，1CV=1，2CV=0，OV=1；2）当13CCVIV23CCV时，1CV=2CV=1，OV保持不变；3）当IV23CCV时，1CV=0，2CV=1，OV=0；再看从23CCV下降的过程。1）当13CCVIV23CCV时，1CV=2CV=1，OV=0保持不变；2）当IV13CCV时，1CV=1，2CV=0，OV=1。由上面的分析，可以画出如下输入输出特性曲线：图3.3555定时器构成斯密特触发器可见，这是典型的斯密特触发器工作状态图。它的回差电压是23CCV-13CCV=13CCV。利用这点，我们可以很好的实现光控的回差特性。根据前面的分析，若Vcc为12V，则两个回差点分别是4V，8V。如果输入一个合适的正弦波，那么我们可以想见，当电压有0升到8V的过程中，输出为高电平；过了8V以后变低电平；当电压下降时，降到4V以前，会保持低电平，低于4V后会到高电平。输出将是矩形波。3.3开关模块电路设计这部分就是一个双向晶闸管。首先介绍一下该器件。它是由2个反向并联的晶闸管构成。图a)是器组成图。它是由P，N型材料如图叠在一起构成的。中间抽出一个引线作为控制电极G。当G上不加电压是，不管A，K之间为何种电压，总有PN结处于反偏，器件不导通；但是但AK间加上正向电压后，若GK间也加上正向电压，则下面的ＰＮ结导图3.5斯密特触发器输出特性通。图b)是其等效图。这是VT2基极有电流I，其发射极的电流将为I；而VT2的发射极又是VT1的基极，那么VT1的发射极电流将为I，VT1的发射极又是VT2的基极，如此循环下去，电流会在正反馈的作用下很快放大，是管子处于导通状态。这个过程叫做触发式导通。双向晶闸管是由2个反向并联的晶闸管构成，工作原理与上面相似，但是它在AK间的电压为正负极性时，只要G有触发电压，都可以导通。所以，在交流供电时也可以使用。我们可以来看一下双向晶闸管的工作情况，测试图如下：3.4整体电路图图4-1总体电路图图3.6双向晶闸管测试图图3.7双向晶闸管测试结果上面是全局图。R3是光敏电阻。我们首先选取光敏电阻的2个临界值来看输出波形。（1）R3=0.5k。从上面的分析可见，这时双向晶闸管应该截止。RL右端电压应该就是交流正弦波。此时加在RL上的电压为0，灯泡不发光。（2）R3=2k。从上面的分析可见，这时双向晶闸管应该导通。RL右端电压应该就是幅值较小的交流正弦波。此时加在RL上的电压不为0。灯泡发光。下面是验证波形图。该波形的幅值比380V小很多。当然，我们也可以选其他任何阻值。理论上我们应该可以作出输出波形与R3的关系。但是pspice软件中只有参数扫描有类似功能，但是它却只能做瞬态分析，不能满足我们对交流信号的要求。另外，要作出斯密特触发器的特性曲线必须要时域来回变化的输入波形，但是参数扫描的每一个波形都是从0开始，不能反映斯密特触发器反向特性。所以我们采用如下等价的方法来证明该电路的正确性.首先，我们用参数扫描来给出当R3变化时的斯密特触发器的输入波形。我们让R3在0.1K到2.1K间取值，得到下图。下面是斯密特触发器输入与输出的值与R3的关系：假设开始时光照低，灯泡处于点亮状态，光敏电阻阻值极大，斯密特触发器输入图3.8R3变化时的输入图3.9R3变化时的输入与输出电压极小。随着光照升高，光敏电阻阻值会下降，斯密特触发器输入电压上升。由上图只要输入低于8V（也就是光照低于15cd/m^2），输出始终保持高电平。这时按照图3-13的双向晶闸管的特性曲线，晶闸管会保持导通。如果从时域波形来看，必能得到图4-3一样的图。灯泡保持发光。一旦超过8V输入（也就是光照高于15cd/m^2），输出变为低电平。这2点由上图都能很好看出来。但是，正如前面所说，参数扫描是无记忆性的，它的每条曲线都是从0状态给出。但斯密特触发器本身是记忆性原件，故上面仿真的只是输入由0升高时的状态。对于输入降低时的情况，只能由前面相关的多组波形间接分析。光照降低时时，光敏电阻阻值会上升，斯密特触发器输入电压会下降。但是由图3-8所示的斯密特触发器输入输出特性曲线，此时阈值点将变成4V，这点由图3-10也可以说明。在到4V以前灯泡会保持熄灭。一旦低于4V(对应光照低于10cd/m^2)灯泡点亮。由于软件本身的因数我们不能直接给出波形，但是可以参考多个波形如上分析。至此，我们通过各种手段论证了该电路图的可行性。最后，需要说明的是，有时候由于车辆的闪光灯等会诱导光控出现错误，所以我们加入了电容C3起一个延时作用（如图4-1）。只要在延时时间内外界偶然刺激消失了，那么灯泡不会有反应。对于还有其他的没有说明的电阻和电容，都是因为在连接各个模块是为了避免各自输入输出电阻的互相影响而加入的，其参数值都是经过多次试验选定的，所以对仿真结果无影响。第4章电路的检测与调试4.1安装调试过程安装过程由老师分完组，每组下发一套工具，经分工后，大家按电路原理图组装电