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LED照明自动控制装置
毕业设计(论文)
论文题目:
LED照明自动控制装置
所属系部:
电子工程系
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年月日
摘要
随着城市市政建设发展,传统路灯控制与维护手段以远远不能适用城市现代化发展速度。
城市市政建设日新月异,宽阔街道,各种各样路灯给城市带来了光明同时也增添了城市魅力。
但是由于道路路灯众多,传统人工管理模式已经和快速现代化城市建设不相适应。
本文将介绍用小器件模拟现实物品。
设计个简单基于光电传感器控制继电器路灯控制系统,阐述系统控制原理。
关键词:
光敏电阻CD4011555定时器
前言
路灯在我们日益更新生活中越来越普遍,一般路灯是白天关闭,夜晚开启。
如果人工控制路灯开关,不但费时费力,而且在天气变化时,不容易掌握开关路灯时间,给群众带来很大不便。
在本设计中介绍一种自动光控灯,这样不但省时省力,节约资源,而且可以提高灯寿命。
采用555时基电路施密特触发器,及电阻、发光二极管或与非门组成自动光控灯电路,会给我们带来新颖智能便利;当光线好时,灯不会发光,到光线很差时,灯会自动开启照明。
本文介绍光控灯只有1个NE555芯片、非门CD4011、贴片电阻和贴片电容等构成,却可以模拟光控灯,也达到了节电节能目,同时它原理也有广泛应用。
一、设计目和要求
1、设计作用、实用价值
通过自动控制路灯电路有效节约了能源,减少了人力和物力浪费。
随着LED产业技术进步、成本进一步降低,以及人们对环保、安全、节能等要求不断提高,LED在特种领域应用规模将不断扩大,它已经趋向取代传统照明白光LED光效,由于白光LED具有长寿命、无污染、低功耗优点。
在人们工作生活中扮演越来越重要角色。
所谓光控路灯,就是能够在黄昏时自动接通路灯电源,在黎明时自动关闭路灯,实现对路灯自动控制。
关于路灯自动控制电路。
基本原理都是相同,即利用自动控制理论如何让实现自动控制。
实现方式可谓各种各样,五花八门,这也是由于具体使用要求和环境差异所决定。
常见控制方式有声控,光控以及声光结合控制,当然还可以利用单片机,DSP等微控制器来实现。
在保证足够可靠性基础上,为了尽量节约成本,利用简易分立元件来实现,显得既经济又实用,在提倡节约型社会今天无疑值得推广。
2、设计要求
设计一个路灯自动控制开关电路,用光敏电阻实现自控,能在天黑时自动点亮路灯,天亮后又自动关灯。
控制电路用电池供电,熄灯后电路耗电小。
(1).利用光敏电阻作为光敏传感器,555作为滞后比较器来设计电路。
(2).当光线强到一定程度时,555输出发生跳变,当光线暗到一定程度时,555输出也要发生跳变。
二、设计方案
1、方案一
利用单片机定时器功能,实施简洁方便,主要缺点是当控制系统断电或死机以后,需要人工重新定时。
2、方案二
利用光敏元件特性来实现当光照强度足够能自动关闭路灯,用继电器替代单片机功能,此方案设计难度低、成本低等优点,设计方框图如图1所示。
图1设计框图
2、设计思路与原理
电路采用光敏电阻来感受外界光强弱,然后采用数字电路中应用广泛时基定时器NE555及与非门CD4011组成,并结合光敏元件定时控制路灯亮暗。
在发射结接上一个继电器,可以控制外接电路开路或短路。
此设计也可以看做是一个用发光二极管指示光控开关。
采用直流12V供电,主要控制电路由光敏电阻、CD4011、555定时器组成。
白天RG阻值小,CD4011第1脚为低电平,11脚也为低电平,继电器K1、K2不工作,路灯都不亮,随着傍晚来临,RG阻值变大,CD4011第1脚变高电平,11脚也为高电平,Q1导通,K1得电,Q2导通,555定时电路工作,K2吸合,此时路灯都亮,随着C2充电,到后半夜,C2充电电压大于三分之二VCC时,555第三脚变为低电平,K2断电,只有一半路灯得电照明,到第二天白天又回到初始状态,全暗。
图2-1电路原理图
3、实现功能
功能:
1、因为每天天黑时间不是完全一样,所以不能以时间来确定每天晚上几点亮灯,路灯控制系统中要求路灯根据光线亮暗来选择打开路灯,而且亮暗定义要是可调,而不是一成不变。
2、到半夜时候行人稀少,需要关闭掉一半路灯,达到节能效果又有必要照明功能,什么时候关闭,时间也需要能可调。
三、元器件选择
1、LED发光原理
发光二极管核心部分是由p型半导体和n型半导体组成晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。
在某些半导体材料PN结中,注入少数载流子与多数载流子复合时会把多余能量以光形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。
PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。
这种利用注入式电致发光原理制作二极管叫发光二极管,通称LED。
当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色光线,光强弱与电流有关。
2、LED光源基本特征
2.1发光效率高
白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明/瓦,荧光灯50~70流明/瓦,钠灯90~140流明/瓦,大部分耗电变成热量损耗。
LED光效经改良后将达到达50~200流明/瓦,而且其光单色性好、光谱窄,无需过滤可直接发出有色可见光。
目前,世界各国均加紧提高LED光效方面研究,在不远将来其发光效率将有更大提高。
2.2耗电量少
LED单管功率0.03~0.06瓦,采用直流驱动,单管驱动电压1.5~3.5伏,电流15~18毫安,反应速度快,可在高频操作。
同样照明效果情况下,耗电量是白炽灯泡八分之一,荧光灯管二分之一、日本估计,如采用光效比荧光灯还要高两倍LED替代日本一半白炽灯和荧光灯。
每年可节约相当于60亿升原油。
就桥梁护栏灯例,同样效果一支日光灯40多瓦,而采用LED每支功率只有8瓦,而且可以七彩变化。
2.3使用寿命长
采用电子光场辐射发光,灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。
而采用LED灯体积小、重量轻,环氧树脂封装,可承受高强度机械冲击和震动,不易破碎。
平均寿命达10万小时。
LED灯具使用寿命可达5~10年,可以大大降低灯具维护费用,避免经常换灯之苦。
2.4安全可靠性强
发热量低,无热辐射,冷光源,可以安全抵摸:
能精确控制光型及发光角度,光色柔和,无眩光;不含汞、钠元素等可能危害健康物质。
内置微处理系统可以控制发光强度,调整发光方式,实现光与艺术结合。
2.5有利于环保
LED为全固体发光体,耐震、耐冲击不易破碎,废弃物可回收,没有污染。
光源体积小,可以随意组合,易开发成轻便薄短小型照明产品,也便于安装和维护。
3、光敏电阻介绍
3.1光敏电阻器
光敏电阻器是利用半导体光电效应制成一种电阻值随入射光强弱而改变电阻器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。
图3-1光敏电阻结构图
3.2结构
光敏电阻器都制成薄片结构,以便吸收更多光能。
当它受到光照射时,半导体片(光敏层)内就激发出电子—空穴对,参与导电,使电路中电流增强。
为了获得高灵敏度,光敏电阻电极常采用梳状图案,它是在一定掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成。
一般光敏电阻器结构如右图所示。
光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片(或树脂防潮膜)和电极等组成。
光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。
3.3光敏电阻工作原理
光敏电阻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。
用于制造光敏电阻材料主要是金属硫化物、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光敏电阻体及梳状欧姆电极,接出引线,封装在具有透光镜密封壳体内,以免受潮影响其灵敏度。
在黑暗环境里,它电阻值很高,当受到光照时,只要光子能量大于半导体材料禁带宽度,则价带中电子吸收一个光子能量后可跃迁到导带,并在价带中产生一个带正电荷空穴,这种由光照产生电子—空穴对了半导体材料中载流子数目,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,由光子激发产生电子—空穴对将复合,光敏电阻阻值也就恢复原值。
在光敏电阻两端金属电极加上电压,其中便有电流通过,受到波长光线照射时,电流就会随光强而变大,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。
半导体导电能力取决于半导体导带内载流子数目多少应用:
光敏电阻属半导体光敏器件,除具灵敏度高,反应速度快,光谱特性及r值一致性好等特点外,在高温,多湿恶劣环境下,还能保持高度稳定性和可靠性,可广泛应用于照相机,太阳能庭院灯,草坪灯,验钞机,石英钟,音乐杯,礼品盒,迷你小夜灯,光声控开关,路灯自动开关以及各种光控玩具,光控灯饰,灯具等光自动开关控制领域。
4、NE555引脚功能及工作原理
555定时器是一种将模拟电路与数字电路功能巧妙结合在一起多用途单片集成电路。
施密特触发器是一种整形电路,它能将边沿变化缓慢电压波形整形为边沿陡峭矩形脉冲。
与普通触发器相比,它有以下特点。
具有两个稳定状态,但没有记忆作用,输出状态需要相应输入电压来维持。
属于电平触发,能对变化缓慢输入信号作出响应,只要输入信号达到某一额定值,输出即发生翻转。
具有回差特性,电路对从低电平上升和从高电平下降输入信号具有不同阈值电压,这种回差特性使其具有较强抗干扰能力。
所以用555定时器构成施密特触发器来做控制电路。
图3-1NE555芯片图及结构图
555时基电路是一种双极型时基集成电路,工作电源为4.5V—18V,输出电流为200mA,工作可靠。
它含有两个电压比较器,一个基本RS触发器,一个放电开关T,比较器参考电压由三只5KΩ电阻器构成分压,它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2反相输入端参考电平为2∕3Vcc和1∕3Vcc。
C1和C2输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过了2∕3Vcc时,触发器复位,555输出端3脚输出低电平,同时放电,开关管导通;当输入信号自2脚输入并低于1∕3Vcc时,触发器置位,5553脚输出高电平,同时放电,开关管截止。
是复位端,当其为0时,555输出低电平。
平时该端开路或接Vcc。
Vco是控制电压端(5脚),平时输出2∕3Vcc作为比较器A1参考电平,当5脚接一个输入电压,即改变了比较器参考电平,从而实现对输出另一种控制,在不接外加电压时,通常接一个0.01µF电容器到地,起滤波作用,以消除外来干扰,确保参考电平稳定。
T为放电管,当T导通时,将给于脚7电容器提供低阻放电电路。
555电路引脚功能如下图:
表3-1芯片引脚功能
5、CD4011
CD4011真值表:
逻辑表达式:
A=Y.B
X
Y
Q
动作
0
0
?
禁止
0
1
1
设定
1
0
0
重置
1
1
不变
无
(1)当X=0、Y=0时,将使两个NAND门之输出均为1,违反触发器之功用,故禁止使用。
如真值表第一列。
(2)当X=0、Y=1时,由于X=1导致NAND-A输出为”1”,使得NAND-B两个输入均为”1”,因此NAND-B输出为”0”,如真值表第二列。
(3)当X=1、Y=0时,由于Y=0导致NAND-B输出为”1”,使得NAND-1两个输入均为””1,因此NAND-A输出为”0”,如真值表第三列。
(4)当X=1、Y=1时,因为一个””1不影响NAND门输出,所以两个NAND门输出均不改变状态,如真值表第四列。
CD4011引脚图及引脚功能:
图3-3CD4011引脚图
管脚功能:
1A数据输入端2A数据输入端3A数据输入端4A数据输入端
1B数据输入端2B数据输入端3B数据输入端4B数据输入端
VDD电源正VSS地
1Y数据输出端2Y数据输出端3Y数据输出端4Y数据输出端
CD4011内部结构框图:
图4-4CD4011内部逻辑结构图
6、90139012
半导体三极管也称为晶体三极管,可以说它是电子电路中最重要器件。
它最主要功能是电流放大和开关作用。
三极管顾名思义具有三个电极。
本设计中是用于电流放大。
9013是一种低电压,大电流,小信号NPN型三极管和9012(PNP)相对。
图3-59013NPN型三极管
7、电位器
作用:
调节电压(含直流电压与信号电压)和电流大小。
结构特点:
电位器电阻体有两个固定端,通过手动调节转轴或滑柄,改变动触点在电阻体上位置,则改变了动触点与任一个固定端之间电阻值,从而改变了电压与电流大小。
四、电路安装与调试
1、电路安装与焊接
电路安装要注意几个原则:
先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等;一定要注意排版,不能东倒西歪,方向应尽量一致;布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板周边,以起一定屏蔽作用;最好分模块安装。
按电路原理图组装电路,此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊,更不能出现过焊,因为有些器件,不能耐高温,比如焊接三极管时,电烙铁绝对不能停留太久;同时过焊铜片将脱落,给焊接带来不必要麻烦、也将影响板子视觉效果。
焊接时注意有极性元件如电解电容、三极管等元件时千万不要装反,注意极性正确,否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。
2、调试过程
光敏电阻测试:
用指针式万用表两表笔分别接光敏管两极,凸面朝向阳光,应为低电阻,若为高阻,对调两表笔为低阻说明此管是好。
二极管测试:
二极管具有单相导电性,所以,在测试时,红笔接负极,黑笔接正极,若是导通,发光二级管亮。
则表明二极管是正常,若不是则表明二极管是坏。
检查电路在通电调试之前,必须认真检查电路连线是否正确,对照电路图按照一定顺序逐级检测,特别要注意电源是否接错,电源与地是否有短接,二极管是否接反,轻轻拨一拨元器件,观察焊点是否牢固。
电解电容器极性检测:
电解电容正负极性不允许接错,当极性接反时,可能因电解液反向极化,引起电解电容器爆裂。
当极性标记无法辨认时,可根据正向连接时漏电电阻大、反向连接时漏电电阻相对小特点判断极性。
交换表笔前后两次测量漏电电阻,阻值大一次,黑表笔接触是正极,因为黑表笔与万用表内电池正极相接(采用数字万用表时,红表笔接电池正极)。
但用这种办法有时并不能明显地区分正、负向电阻,所以使用电解电容时,要注意保护极性标记。
调试先用万用表测量电路有关点电位是否正常。
检查发光二极管是否正常工作。
发现不正常现象时,及时找出原因进行修改,注意接线不得有误,接入电源。
在光电二极管有光与无光情况下看总体电路工作情况。
观察灯泡是否按要求进行变化。
如不能顺利完成以上功能,则应认真检查电路连接及功能设计是否有误并作出相应调整。
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。
3、实物图
结束语
灯是居家照明重要组成部分(如楼道、卫生间、小巷等),普通白炽灯寿命短,光效低造成了能源巨大浪费。
在地球资源日渐衰竭今日,环保、节能是当今各产业发展重心,尤其是需要消耗大量电力照明产业,在灯种研发上,更是趋向环保、节能特性上著眼。
因此,开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保光源对居家照明节能具有十分重要意义。
由此LED灯诸多优点在未来有可能取代传统照明设备,尤其是白光LED,更被灯饰界寄以厚望,是照明产品新兴光源,有「绿色照明」光源之称,未来将光芒耀眼,发展潜力无限。
白光LED具有体积小、发热量低、寿命长、耗电量小、反应速度快等众多优点,却无白炽钨丝灯泡高耗电、发热量大,光效能低,易碎及萤光粉灯废弃物含汞污染环境等缺点,因此十分被灯饰业者看好。
通过学习了本次设计,我学到了很多以前专业课上没学过东西,弥补了以往专业课所学过而遗忘了知识。
在中国这个高速发展国家,只有不断更新自己,不断吸取知识精华,才能在这现实而又充满排挤社会上生存下来!
在这次设计中,我发觉自己还很弱,还得不断充电,以使自己能力再有所提高……
谢辞
长途跋涉,为是到达终点甘甜和芳香。
论文写到这里,大学生活也要慢慢划上句号。
从开学初资料查找,论题选择,到中间思忖和写作,再到最后修改与润色,这篇拙文也就这样静静地躺在您手里,只怪自己知识积淀得还不够深厚,但还是有很多人需要感谢,我真心存感激。
感谢我论文指导老师——刘老师谆谆教诲,感谢您在忙碌教学工作和生活中抽出时间来给我们解答各种问题,悉心指导,提出了许多宝贵意见。
刘老师和蔼赢得了我们许多同学敬佩,希望敬爱老师您能够健健康康、快快乐乐度过每一天!
感谢所有教过或没教过我们全学院老师,因为你们课堂上指导和课外交流,我们才可以学习到很多知识和做人道理,为论文写作做准备,为今后人生做准备……
参考文献
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电子工业出版社,2003。
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人民邮电出版社,2005。
[3]周志敏,周纪海,纪爱华《LED驱动电路设计实例》北京:
电子工业出版社,2003。
[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京:
高等教育出版社,2006:
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[5]王卫平,陈粟宋《电子产品制造工艺》北京:
高等教育出版社,2005。
[6]XX文库,豆丁网。
附录1元器件清单
序号
名称
规格
位号
数量
1
贴片电阻
2K
R1-R5
5
2
卧式电位器
50K
RP1、RP2
2
3
光敏电阻
5mm
RG
1
4
发光二极管
5mm
D1-D11
11
5
电解电容
470uF
C1
1
6
2200uF
C2
1
7
10uF
C4、C5
2
8
贴片电容
103
C3
1
9
三极管
(贴片)
9013(J3)
Q1
1
10
9012(2T1)
Q2
1
11
集成电路
(贴片)
CD4011
U1
1
12
NE555
U2
1
13
继电器
12V
K1、K2
2
附录2电路原理图
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