传感器课程设计之简易光控灯的设计

传感器课程设计之简易光控灯的设计

一、设计目的与要求

1、设计要求

（1）初步掌握一般电子电路分析和设计的基本方法。包括：根据设计任务和指标，确定电路方案，通过设计计算选择元器件，然后安装电路，进行调试，对结果进行分析，提出改进意见，写出设计总结报告。

（2）培养学生自学能力和独立分析、解决问题的能力。包括：查阅参考资料、工具书，掌握电路调试的一般规律。

（3）掌握电子电路的安装、布线等基本技能。

（4）更加熟练地掌握常用电子仪器的正确使用方法。

2、设计目的

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 灯亮；移去遮光物体时，红色LED发光二极管不会亮。

二、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

三、编写设计报告

写出设计的全过程，附上有关资料和图纸，有总结体会。

摘要

光控灯是一种能根据环境自动实现开灯关灯等功能的装置。它是居家照明系统的主要组成部分，能够给我们的生活带来许多的方便。光控灯的应用范围很广，例如安装在楼道的走廊灯、安装在街道外的路灯等。同时也达到了省电节能和延长灯泡使用寿命的效果。在本次设计中，我们做到如下功能要求：当傍晚光强减弱到一定程度的时候，光敏电阻阻值增大，由555定时器接成的施密特触发器输出高电平，电路就会自动点亮路灯；当早上光强增大到一定强度的时候，光敏电阻阻值减小，施密特触发器输出低电平，从而实现灯自动熄灭的功能。

关键词：光敏电阻；555芯片；施密特触发器；光控灯

目录

1 光控灯原理 (4)

1.1 光控灯的意义与背景 (4)

1.2 设计思路与原 (4)

2 光控灯电路的设计方案 (4)

2.1 方案的选择和确定 (5)

2.2 元器件的选择‥ (6)

2.3 主要原器件的介绍 (6)

2.3.1 光敏电阻的介绍 (6)

2.3.2 555芯片的介绍 (7)

2.3.3 发光二极管的介绍 (8)

3 总电路设计 (8)

3.1电路功能模块图 (8)

3.2电源模块原理 (9)

3.3光控开关原理模块 (9)

3.4 电路仿真和分析 (10)

4 电路板的制作及调试 (10)

4.1 电路板的制作 (10)

4.2 测试结果 (11)

5 结束语 (11)

6 参考文献 (12)

1、光控灯原理

1.1光控灯的意义与背景

站在新世纪的门槛上，我们感受到的是高速发展的现代科技。降低能耗，节约能源、注重环保，简洁方便是当今家居生活的主题。也因如此，照明灯的需求也在不断的发展，人类有意识的采用各种方法改进它，以适应我们日常生活的各种需要。用光控开关来代替路灯开关、住宅小区的楼道上的开关，只有在光线不足时灯会自动点亮，白天光线充足时不会亮，可以达到节能的目的。同时光控电路具有电路简单，制作容易，工作可靠的特点，可广泛应用于各种楼房走廊的照明设备。

1.2 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，由电信号的变化利用555定时器接成的施密特触发器改变输出电压，从而改变发光二极管两端的电压，进而控制了灯的亮灭。此设计也可以看做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，接通+5V电源后，发光二极管是熄灭的，没有光照的时候，发光二极管是亮的。

接通+5V电压，在光线充足的情况下光敏电阻的阻值很小，分压很小，则输入555芯片的TH和TR端为高电平，此时555芯片的输出端为低电平，不能提供足够的电压给发光二极管，则灯不亮；在光线不足时，光敏电阻的阻值很大，分压很大，输入555芯片的TH和TR端为低电平，则555芯片的输出为高电平，此时可以提供足够的电压给发光二极管，灯就发光。

2、光控灯电路的设计方案

2.1.1方案的选择

方案一：采用BJT光控开关模块及LED显示模块

如图1所示，光控模块包括检测电路，BJT光控开关模块及LED显示模块。检测电路通过电路中的光敏电阻，从而使BJT光控开关处于要求的状态，从而使电路能够通过照明灯开关对光线强弱的感应控制照明灯的亮灭：光控照明灯白天自动关闭照明灯；当黄昏光线变暗时，点亮照明灯。此处用LED灯实现灯亮灭的自动控制。

图1光控电路

方案二：采用三极管和继电器控制开关模块

RL为光敏电阻器,在外界照明度强时光敏电阻呈低电阻,电流通过R1使VT1饱和导通,这样使VT2截止,VT3导通，VT4截止,这样以来继电器K不动作, 灯EL不亮.当外界照明昏暗时，RL的阻值开始变大,使得VT1截止,VT2导通,VT3 截止,VT4导通,K得电吸合,其常开触点K1闭合,灯EL点亮发光.

图2 光控电路

方案三：采用555集成电路的简易光电控制器

当光照到光敏电阻时，其电阻变小，使6脚和2脚的电压变大，经过555芯片，由555的原理可知，从输出管脚3输出低电平，此时发光二极管不能导通，是灭的；当没有光照时，其电阻变大，使得6脚和2脚的电压变小，经过555芯片，由555的原理可知，从输出管脚3输出高电平，此时发光二极管导通，灯亮。如下电路图3：

图3 光控电路

2.1.2 方案的确定

考虑到设计的难度、实现的难度、成本以及调试的难度，我们选择方案三。又由于我们已经学了数字电路和模拟电子电路，而且这个方法比较简单，又实用，能充分体现出我们对所学知识的掌握程度。所以我利用所学的数字电路方法，力求从简单的基础知识中学到更多的东西，为今后的学习做好准备，采取一种最简单的方式实现光控电路的设计——即采用555集成电路的简易光电控制器。

2.2 元器件的选择

发光二极管 1只；

555芯片（NE555P） 1只；

电容 1只（0.01uF）；

光敏电阻（5576） 1只；

可调电阻 10K 1只；

电阻（四只） 4.7K、1K、15.5K、10K各一只；

2.3 主要原器件的介绍

2.3.1 光敏电阻的介绍

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，

另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这

些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅

速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与

导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

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；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。

光敏电阻的伏安特性曲线如下：

2.3.2 555芯片的介绍

555定时电路是一种双极型的时基集成电路，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，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，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的反相输入端的参考电平为2∕3Vcc 和1∕3Vcc。C1和C2的输出端控制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的输出端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，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。 R D 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的参考电平，当5脚接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01μF 的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，确保参考电平的稳定。

T 为放电管，当T 导通时，将给于脚7的电容器提供低阻放电电路。

2.3.3 发光二极管的介绍

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。

它是半导体二极管的一种，可以把电能

转化成光能；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、总电路设计

3.1电路功能模块图

如下图所示，总体设计是通过电源电路为检测电路提供合适的工作电压。根据不同的光线强弱，作用于检测电路的光敏电阻中，从而实现555集成电路—施密特触发器光控开关，最终通过LED 灯显示出相应的结果。

图1 电路功能框图

电源电路

光敏电阻

检测电路 集成施密特触发器开关 LED 灯

3.2电源模块原理

选用电脑USB口4.5-5.5V电源作为整个电路的供电电源，USB接口共有4根线路如图3.2

图3.2 USB接口电路

其中1、4线为电源的VCC和GND，2、3为数据传输线，可直接引出1、4作为电源的VCC和GND使用。

3.3光控开关原理模块

通过以上方案的比较和选择，我们最终选择方案三作为我们的电路设计图（见图3）。其中我们将555定时器的TH和TR引脚接在一起作为输入，便搭成了施密特触发器构成开关控制的模块。具体连接图如下：

下面具体来看：

1）当

1

3

i CC

V V

<<时，由上表，

12

1,0,1;

C C O

V V V

===

2）当12

33

CC i CC

V V V

<<时，

12

1,1,;

C C O

V V V

==保持不变

3）当

2

3

i CC

V V

>时，

12

0,1,0;

C C O

V V V

===

再看从

2

3CC

V

下降的过程。

1）当

12

33

CC i CC

V V V

<<时，

12

1,1,0;

C C O

V V V

===

2）当

1

3

i CC

V V

<<时，

12

1,0,1;

C C O

V V V

===

由上面的分析，可以画出如下输入输出特性曲线：

可见，这是典型的斯密特触发器工作状态图。它的回差电压211

333

CC CC CC

V V V

-=。利用这点，我们可以很好的实现光控的回差特性。

3.4 电路仿真和分析

我们利用proteus画出图3仿真电路图。当光源靠近光敏电阻时，灯不亮；当光源远离光敏电阻时，灯亮。

4 电路板的制作及调试

4.1 电路板的制作

图5 施密特触发器输出特性

上图为我们焊接制作的电路板。

4.2 测试结果

电路板制作完成后要进行测试，使其满足要求。我们测得光敏电阻的亮电阻阻值约为0.3K ，最小暗电阻约为4K 。根据施密特触发器的特性，我们取 122(R RV1)R R +=?+ ；其中RV1为滑动变阻器，R 为光敏电阻的阻值。调节滑动变阻器的阻值可以调节光控灯的灵敏度。

当用手捂着光敏电阻时（即光强变暗），光敏电阻阻值增大，施密特触发器输出高电平，灯亮；松开手时（即光强变亮）光敏电阻阻值减小，施密特触发器输出低电平，灯熄灭。这跟我们所期望的现象很相符。

5 结束语

在本次传感器课程设计中，我们的课题是“简易光控灯设计”。这是一种光照控制照明灯。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，由电信号的变化利用555定时器接成的施密特触发器改变输出电压，从而改变发光二极管两端的电压，进而控制了灯的亮灭。即实现了如下功能：当光线较强时，在光敏电阻检测下，施密特触发器输出低电平，灯泡不亮；当光照强度较暗时，经光敏电阻调节，施密特触发器输出高电平，灯泡自动发亮。

此次的课程设计使我对光控灯控制器的工作原理及工作特点都有了进一步的了解，并对有关的知识有了更进一步的掌握，对它的性能和特点也有了更全面的把握，明白了很多关于它的很多理论和实践知识，其电路结构简单，工作性能稳定，功能容易实现，其可由常用的电子元器件构成，因此成本较低。在此基础上也确实存在着一些问题与不足，比如负载的性能稳定问题，光敏电阻的敏感性问题。

本次的光控自动照明灯的设计将我们所学知识应用于实践，深化了对数字电路设计、和模拟电子设计的认识，使我们在设计的实践中获得新知。通过两周的理论知识的复习和课设的实践操作，使我对本专业的应用领域有了更全面的认知。在老师耐心指导和同学的帮助下，让我学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图等。在此设计中利用555定时器原理和光敏效应，让我们进一步巩固和掌握前面所学的基础知识，加深对模拟电路、数字电路的理解，对元器件的使用更加清楚。

通过两周的设计，我们学会了更多的专业知识，而且在遇到困难时，我们都积极地看教材，去图书馆查阅资料，去网上搜索相关信息，直至把每一个细节，每一个原理都搞清楚弄明白为止，大大增强了我们的自学能力以及团队的合作能力。同时我也要感谢老师在课程设计上给予我们的指导、支持和帮助，这是我们能顺利完成这次课设的主要原因，尤其是老师对于技术上的指导，让我们能把系

统做得更加完善。在此期间，我学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。我也要感谢帮助过我的同学们，他们也为我解决了不少设计上的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。

6 参考文献

[1]梁福平.传感器原理及检测技术.武汉:华中科技大学出版社,2010.

[2]唐文彦.传感器.第四版.北京:机械工业出版社, 2008.

[3]袁希光.传感器技术手册.北京:国防工业出版社,1986.

[4]康华光，邹寿彬，秦臻. 电子技术基础数字部分[M].北京高等教育出版社，2005

[5]何希才.常用集成电路简明速查手册[M].北京：国防工业出版社，2006

[6]赵广林．常用电子元器件识别/检测/选用一读通[M].北京：电子工业出版社，2007

[7]何希才,伊兵.实用电子电路设计.北京:电子工业出版社,1998

[8]王楚,徐道衡.电子线路原理.北京:北京大学出版社,1995