光控灯的设计

目录

一、摘要： (2)

二、设计目的： (3)

三、课程设计任务书： (3)

1、设计要求 (3)

2、设计任务 (3)

3、设计成果 (3)

四、光控灯的设计思路与原理： (3)

五、光控灯电路的设计方案： (4)

方案一 (4)

方案二 (4)

方案的确定 (5)

六、所用器件的选用及说明： (5)

（1）数字万用表 (6)

（2）电烙铁 (6)

（3）光敏电阻 (7)

（4）三极管 (7)

（5）LED灯 (8)

七、电路说明： (8)

八、制作和调试过程： (8)

九、参考文献： (9)

附录: (10)

Protel电路原理图 (10)

电路仿真图 (11)

电路实物图 (12)

简易光控灯的设计

一、摘要：

光控电灯，就是用光线来控制电灯所需的电流，让电流接通或断开，以达到开关电灯的目的。其主要元器件是光控管，当光线照射时，产生能控制开关电路的电流，起到控制作用。目前，江河、海洋的灯塔，公路的路灯，和其他一些无人值守而又需要照明的地方，普遍采用光控灯。

本课题介绍的光控自动照明灯，电路简单，使用方便。通过光控照明电路，以达到节省能源的目的，该设计主要介绍的是关于光控的电路设计。光控是通过光敏电阻来实现的，当光敏电阻在有光的时候灯就会慢慢的熄灭。在较黑暗或完全没有光照的时候灯就会亮起来，这样就达到了节电和节能的目的，和延长了灯的寿命。在实际生活中节电节能，能够实现更多的自动化。

在现代社会中，某些场所灯光已经不再满足与单纯的手动开关，而是向智能和人性化方向发展，方便与节能已经是主题口号，所以各种光控灯应运而生，而且在光控基础上在发展成为更实用的声光控照明灯，所以研究光控的原理是非常有必要的。

光控灯电路作为一种简单的实用电路现在已经渗透到我们生活中很多方面，最常见的如光控照明灯，就是指在有光情况下会自动熄灭，当夜幕来临的时候等会自动的亮起来，很适合做路灯和走廊灯的控制，起到了很好的节能效果。现在的一些小孩玩具中也应用到这一原理，把光控集成电路植入于玩具当中（常见于轮滑鞋），遮光时就会出现闪光效果，非常有趣。

二、设计目的：

1、通过解决一、两个实际问题，巩固和加深对常用传感器的结构、原理、特性的认识和基本知识的理解，提高综合运用课程所学知识的能力。

2、培养根据课题需要选学参考书籍，查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。

3、通过实际电路方案的分析比较，设计计算，元件选择，安装调试等环节，初步掌握简单传感器电路的分析方法和工程设计方法。

4、掌握常用仪器设备的正确使用方法，学会简单传感器控制电路的实验调试和整机指标测试方法，提高动手能力。能在教师指导下，完成课题任务。

5、了解与课题有关的电子线路以及元器件工程规范，能按课程设计任务书的要求编写设计说明书，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图等。

6、培养严肃认真的工作作风和科学态度。通过课程设计实践，逐步建立正确的生产观点、经济观点和全局观点，获得初步的应用经验，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。

7、了解与课程有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，编写设计说明书。提高自己的动手能力，培养严肃、认真的工作作风和科学态度。

三、课程设计任务书：

1、设计要求：利用光敏电阻设计一个简易光控灯，当用不透光的物体罩住光敏电阻时，LED灯点亮；移去遮光物体时，红色LED发光二级管变暗。

2、设计任务：

（1）传感器的选型

（2）电路设计

（3）电路元器件的选择

（4）利用Protel绘制电路图

（5）焊接电路板

（6）撰写说明书

3、设计成果：

（1）设计计算说明书一份

（2）电路板一块

四、光控灯的设计思路与原理：

采用光敏电阻来感受外界光的强弱并利用电路将其转化为电信号，然后由电信号的改变来控制PNP型三极管发射极与基极间的电压差，从而控制改变发光二极管两端的电压，进行控制红色LED灯的亮灭。此设计也可以看作是一个用发光二极管指示的光控开关，要求电路在日光照射下，电路上电以后，发光二极管是熄灭的；没有光的照射时，发光二极管是亮的。

当接通+5V的电源时，在光线充足的情况下光敏电阻的阻值变得会很小，分压较小，然后利用PNP型三极管的导通特性，给三极管的基极以相应的电压，产生电压差，从而来控制它的导通与截止，来实现光源的强弱控制红色LED灯的通断。

五、光控灯电路的设计方案：

方案一：袖珍光控延时时照明灯电路设计

如下图所示，其中，THW8778为功率开关集成电路，工作电压为3~24V，输出电流可达1A，静态电流大小为1μA。THW8778的5脚为控制端，只要此端的电压大于1.6V，输入端1脚即与输出端2,3脚接通；小于1.6V则断开，故通过改变5脚的电压可控制外接负荷的通断。

在白天或夜晚有灯时，光敏电阻VD1呈低阻，VT截止THW8778因5脚电压为0V而断开灯泡EL不亮，此时整个电路所消耗的电流约为2μA。在傍晚光线由强逐渐变弱时，VT 由截止逐渐饱和导通，R2上的压降也逐渐增大，但由于C1的阻隔作用，此缓慢变化的电压仍不会使THW8778的5脚电压大于1.6V，故EL仍然不会亮。如果在晚上停电或关灯时，光线突然变得很弱，则VD1呈高阻，VT逐渐饱和导通，在R2产生压降，由于C1上电压不能突变，故THW8778的5脚得到一个大于1.6V的触发电压，使THW8778的1脚与2,3脚接通，EL的LED灯变亮。同时经VD2、R3给C2充电，这时即使通过C1加至THW8778的5脚电压消失，但由于C2两端的电压不能突变，故THW8778的5脚电压仍然大于1.6V，EL 的LED灯仍然点亮。随着C2的充电，THW8778的5脚电压逐渐减小，当小于1.6V时，THW8778断开，EL的LED灯熄灭。在上图中所示的元件参数可使EL的LED灯持续点亮约30s。在EL 的LED灯熄灭后，C2经R5、EL、R4和VD3放电，以是下次工作延时准确。显然，如果将开关S1闭合，则此灯可用作停电时的延续照明。又如果将开关S1改为按钮开关，则每按一次S1，灯即点亮30s。由于EL的LED灯熄灭时整个电路消耗的电流极小，故不需要设置电源开关。

方案二：简易光控灯的电路设计

如下图所示，VD为光敏电阻，随着光强的增加电阻的阻值会减小，而当无光照的情况下时，光敏电阻的阻值相对于R1可以忽略不计。VT为PNP型的三极管在电路中起到了通断电

路的作用。PNP型三极管当发射极的电压与基极的电压差大于0.7V时，三极管将正向导通，R1，R2为两个定值电阻，R2的作用是起到限流的作用，控制流进EL的LED灯的电流，使其流过得电流在其合理的范围内工作。R1的阻值为120k的电阻，它在电路中的作用是控制VT的PNP型三极管的基极电压。整个电路接在+5V的电路中，当白天或晚上光线比较暗的时候，VD的电阻将增大且远远大于R1的阻值，所以导致R1分的电压变得很小，从而使得VT的PNP型三极管的基极电压变得很小，三极管的发射极与基极的电压差变大，三极管正向导通。从而使得EL的LED灯被点亮。当白天光线比较亮的时候，光敏电阻的阻值将减小且相对于R1光敏电阻的阻值可以忽略不计。这将使得VT的PNP型三极管的基极电压将接近于发射极的电压，此时三极管将会截止。从而使得EL的LED灯熄灭。这样就使得一个简易的光控电路设计实现了。

方案的确定：

方案一与方案二的电路设计都存在各自的优缺点。方案一电路设计较为复杂，但使用性好，能够实现延时控制LED灯的亮灭。而方案二的电路设计更加简洁，不仅实现了所需要的功能，而且各种元器件也相当少同时也省去了一些芯片的控制，也更加符合传感器原理设计电路的要求。方案一与方案二相比较而言，方案一用到了THW8778芯片，的使得电路的难度增加，也增加了电路后期制作中的调试难度。而方案二电路简洁，元器件少，后期调试时更加简单一些。经过我们小组成员的讨论后，最终我们决定选择方案二的电路设计方案进行设计。

六、所用器件的选用及说明：

（1）数字万用表：

数字万用表，一种多用途电子测量仪器，一般包含安培计、电压表、欧姆计等功能，有时也称为万用计、多用计、多用电表，或三用电表。数字万用表有用于基本故障诊断的便携式装置，也有放置在工作台的装置，有的分辨率可以达到七、八位。数字多用表（DMM）就是在电气测量中要用到的电子仪器。它可以有很多特殊功能，但主要功能就是对电压、电阻和电流进行测量，数字多用表，作为现代化的多用途电子测量仪器，主要用于物理、电气、电子等测量领域。

1、电阻的测量

将表笔插进“COM”和“VΩ”孔中，把旋钮打旋到“Ω”中所需的量程，用表笔接在电阻两端金属部位。

2、二极管的测量

数字万用表可以测量发光二极管，整流二极管……测量时，表笔位置与电压测量一样，将旋钮旋到“V”档；用红表笔接二极管的正极，黑表笔接负极，这时会显示二极管的正向压降。肖特基二极管的压降是0.2V左右，普通硅整流管（1N4000、1N5400系列等）约为0.7V，发光二极管约为 1.8～2.3V。调换表笔，显示屏显示“1.”则为正常，因为二极管的反向电阻很大，否则此管已被击穿。

3、三极管的测量

将表笔插进“COM”和“VΩ”孔中，把旋钮打旋到“V”中所需的量程，用表笔接在电阻两端金属部位。其原理同二极管。先假定A脚为基极，用黑表笔与该脚相接，红表笔与其他两脚分别接触其他两脚；若两次读数均为0.7V左右，然后再用红笔接A脚，黑笔接触其他两脚，若均显示"1"，则A脚为基极，否则需要重新测量，且此管为PNP管。那么集电极和发射极如何判断呢？数字表不能像指针表那样利用指针摆幅来判断，那怎么办呢？我们可以利用“hFE”档来判断：先将档位打到“hFE”档，可以看到档位旁有一排小插孔，分为PNP和NPN管的测量。前面已经判断出管型，将基极插入对应管型“b”孔，其余两脚分别插入“c”，“e”孔，此时可以读取数值，即β值；再固定基极，其余两脚对调；比较两次读数，读数较大的管脚位置与表面“c”，“e”相对应。

4、通断测试

将黑表笔插入COM插孔，红表笔插入V/Ω插孔（红表笔极性为“+”）将功能开关置于“什么”档、并将表笔连接到待测二极管，读数为二极管正向压降的近似值。

将表笔连接到待测线路的两端如果两端之间电阻值低于约70Ω，内置蜂鸣器发声。（2）电烙铁：

电烙铁是电子制作和电器维修的必备工具，主要用途是焊接元件及导线，按机械结构可分为内热式电烙铁和外热式电烙铁，按功能可分为无吸锡电烙铁和吸锡式电烙铁，根据用途不同又分为大功率电烙铁和小功率电烙铁。

使用方法：

1、选用合适的焊锡，应选用焊接电子元件用的低熔点焊锡丝。

2、助焊剂，用25%的松香溶解在75%的酒精（重量比）中作为助焊剂。

3、电烙铁使用前要上锡，具体方法是：将电烙铁烧热，待刚刚能熔化焊锡时，涂上助焊剂，再用焊锡均匀地涂在烙铁头上，使烙铁头均匀的吃上一层锡。

4、焊接方法，把焊盘和元件的引脚用细砂纸打磨干净，涂上助焊剂。用烙铁头沾取适量焊锡，接触焊点，待焊点上的焊锡全部熔化并浸没元件引线头后，电烙铁头沿着元器件的引脚轻轻往上一提离开焊点。

5、焊接时间不宜过长，否则容易烫坏元件，必要时可用镊子夹住管脚帮助散热。

6、焊点应呈正弦波峰形状，表面应光亮圆滑，无锡刺，锡量适中。

7、焊接完成后，要用酒精把线路板上残余的助焊剂清洗干净，以防炭化后的助焊剂影响电路正常工作。

8、集成电路应最后焊接，电烙铁要可靠接地，或断电后利用余热焊接。或者使用集成电路专用插座，焊好插座后再把集成电路插上去。

9、电烙铁应放在烙铁架上。

（3）光敏电阻：

1、简介：

光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1KΩ以下。光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达 1.5M Ω。光敏电阻的特殊性能，随着科技的发展将得到极其广泛应用。光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，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。

2、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。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，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，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。

3、光敏电阻的检测：

（1）用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不变，阻值接近无穷选择大。此值越大说明光敏电阻性能越好；若此值很小或接近为零，说明光敏电阻损坏，不能使用。

（2）将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的向右摆动，阻值明显减小，此值越小说明光敏电阻性能越好。若此值很大甚至无穷大，说明光敏电阻内部开路损坏，不能使用。

（3）将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动，如果万用表指针始终停在某一位置，不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻损坏。

（4）三极管：

1、简介：

三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种控制电流的半导体器件其作用是把微弱信号放大成幅度值较大的电信号，也用作无触点开关。晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一

块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。

2、工作状态：

截止状态：当加在三极管发射结的电压小于PN结的导通电压，基极电流为零，集电极电流和发射极电流都为零，三极管这时失去了电流放大作用，集电极和发射极之间相当于开关的断开状态，我们称三极管处于截止状态。

放大状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并处于某一恰当的值时，三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置，这时基极电流对集电极电流起着控制作用，使三极管具有电流放大作用，其电流放大倍数β=ΔIc/ΔIb，这时三极管处放大状态。

饱和导通状态：当加在三极管发射结的电压大于PN结的导通电压，并当基极电流增大到一定程度时，集电极电流不再随着基极电流的增大而增大，而是处于某一定值附近不怎么变化，这时三极管失去电流放大作用，集电极与发射极之间的电压很小，集电极和发射极之间相当于开关的导通状态。三极管的这种状态我们称之为饱和导通状态。

根据三极管工作时各个电极的电位高低，就能判别三极管的工作状态，因此，电子维修人员在维修过程中，经常要拿多用电表测量三极管各脚的电压，从而判别三极管的工作情况和工作状态。

（5）LED灯：

LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料芯片，用银胶或白胶固化到支架上，然后用银线或金线连接芯片和电路板，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，最后安装外壳，所以LED灯的抗震性能好。运用领域涉及到手机、台灯、家电等日常家电和机械生产方面。

LED是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

七、电路说明：

（1）尽量按电路图中元件位置,按从左到右,自上而下的顺序插接,这样可以减少误连和错连，同时也方便调试和检查。

（2）本电路中用到特殊器件----光敏电阻(AD)。在用之前可先用万用表测试其在受光时的电阻和背光时的电阻，因为光敏电阻对光异常敏感，所以使用电路时，要避开日光灯(当然是指晚上了)直接照射，否则本电路将失控。

（3）从元件库中找出相应元件，按图插好，接上电源，即可实现白天灭晚上亮之功能。将本机放置到暗处，LED即亮，放置到亮处，LED即灭。晚上试机效果更明显，关掉日光灯，本机灯亮，打开日光灯，本机灯灭。本机可作为停电备用灯，当然也可以应用到其它场合。

（4）试验中调试，二极管LED灯最小通过电流为1mA时，灯开始发亮，不过很暗，在电流逐渐增大至10mA至13mA时候，LED灯泡最亮。

八、制作和调试过程：

电路图比较简单，可以直接看得懂，从而就开始直接焊接，本希望一遍就能成功，可是

现实并不是那么好。第一次焊接的时候完成后，发现LED灯泡很暗，并没有想象中那么好，经过仔细检查之后，发现原来是二极管的问题，又换了另一个表现好的二极管，灯泡变亮了。

接下来的几次实验，我们针对平时讲课比较抽象的内容进行测试，当然，一开始总是会出现或多或少、或大或小的问题，但经过努力，终于可以克服这些困难，能够独立的设计程序。而且我们平时遇到的困难，如果不能独立解决，首先我会先从书中寻找答案，如果找不到再问同学或者老师求解，或者从网上寻找答案，最后通过这个困难学到了之前不懂的东西，并进行运用和掌握。

可是之后又一次没有控制安全电压，居然导致了LED被烧坏，只好又去重新焊接了一个，一波三折之后，终于焊接好了电路板，并调试成功。

九、参考文献：

1、常用电子电路280例解析（张延琪主编）

2、模拟电子技术基础（杨栓科主编）

3、常用电子元器件实用手册（黄继昌主编）

4、电路（邱关源主编）

5、传感器原理及检测技术（梁福平主编）

6、百度百科

附录:

Protel电路原理图方案一的原理图

方案二的原理图

电路仿真图光照射时的电路仿真

没有光照射时的电路仿真

电路实物图光照射时的实物图

没有光照射时的实物图