教室自动感应照明控制系统的设计方案.pdf

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1、1 / 24 教室自动感应照明控制系统的设计 摘 要 为了适应现代电子技术飞速发展的需要，更好地培养21 世纪的应用型电子 技术人才，在自动化技术日趋成熟的今天，照明电路的自动化控制已是随处可 见的了。但是要做到功能强可靠性高、价格低廉等一系列优点，这就是我们现 在研究的课题了。照明电路不仅用在工业生产中而且已渗入到人们工作和生活 的各个角落。几乎是从小到生活照明，大到工业控制，照明电路都起到了举足 轻重的作用。自动感应照明控制系统有力地推动了各行业的技术改造和产品的 更新换代，应用前景非常广阔。 目前，在各类学校教室的照明灯由于管理不善，经常是教室空无一人，却灯火通明， 极大的浪费电源。该设

2、计题目是通过对目前市场上销售的同类产品的调查研究，找出现有 产品的不足之处和为什么没有推广的原因，设计制作适合用户使用和方便使用的产品。主 要设计内容：人体感应检测系统设计、自动照明开关控制系统设计。 一、设计原理及方框图 在光线亮时，节电开关呈关闭状态，灯不亮，夜间或光线较暗时，节电开 关呈预备工作状态。当有人经过该开关附近时，红外传感器检测到人体信号把 2 / 24 节电开关启动，灯亮，当人离去时，延时4050秒后节电开关自动关闭、灯 灭。 图 1是教室感应自动照明控制电路的原理方框图，由红外传感器、放大电 路、倍压整流、光控电路、电子开关、延时和交流开关七部分电路组成。 图 2.0 教室

3、感应自动照明控制电路的原理方框图 二、原理图及其说明 20K R1 2M R2 47K R3 36K R6 红 外 线 传 感 器 1uF C1 1uF C2 VT1 220uF C3 CW1 D1 D2 100K R4 47K R5 D5 VT2 20K R7 VT3 D3 47uF C4 R8 103uF C5 D4 DS D6-D9 BT 51K R9 51K R10 GND 220V 图2-1 红外线传感器、光控智能开关原理图 3 / 24 2.1 原理说明 电路原理：红外传感器是感应人体信号，VT1、R1、R3、C1组成放大电 路。为了获得较高的灵敏度，VT1 的 值选用大于 100

4、。R3 不宜过小，否则电 路容易产生间歇振荡， C2、D1 和 D2、C3构成倍压整流电路。 R4、R5 和光敏 电阻 D5 组成光控电路。有光照射在D5 上时，阻值变小，对直流控制电压衰减 很大。 VT2、VT3 和 R7、D3 组成的电子开关截止， C4 内无电荷，单向可控硅 MCR 截止，灯泡不亮。在MCR 截止时，直流高压经R9、R10、D4 降压后加到 C3、CW1表示任意一种电量。这里写出 分析 RC 电路任意电量的过渡过程的步骤： (1计算换路前最后时刻t=0-时电容电压uc(0-的值。分析电路时，要把电 容看作开路，按直流电路的分析方法计算； (2按换路定律 uc(0+=uc(

5、0-，写出换路后的电容电压； (3求电路中需要的f(0+值。注意使用换路后的电路，将uc(0+作为直流 电压源进行分析； 7 / 24 (4求 f( 值：注意使用换路后的电路，电容看成开路用直流电路分析方 法； (5求时间常数t：R 是从电容两端看进去的等效电阻，注意应将电压源短 路、电流源开路，再进行电阻的串并联，然后计算tRC。 (6用三要素公式求： 所以 RC延时电路的延迟时间可以通过改变RC的值来实现，它具有改变方 便，制作简单的优点，因而广泛用于对延迟时间要求不是很高，很长的电路 中。 2.2.4 光控电子开关电路的设计 光控电子开关起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。 图 2-5光

6、控电子开关原理图 2.2.5工作原理 电路如图 2-4所示， 220V交流电通过灯泡 H及整流全桥后 XC5215-6BG225I ，单 8 / 24 向可控硅 VS 因无触发电流而阻断。此时流过灯泡H的电流 2.2mA,灯泡H不能发 光。电阻 R1 和稳压二极管 DW 使三极管 V偏压不超过 6.8V，对三极管起保护作用。 夜晚，亮度小于一定程度时，光敏二极管D呈现高阻状态 100K ，使三极管 V 正向导通，发射极约有 0.8V的电压，使可控硅 VS 触发导通，灯泡 H发光。 RP 是清 晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元件。 2.2.6 红外线传感器、光控智能开关的制作与调试 本电路按要求

7、选择元器件，焊接正确，即可使用推广。若灵敏度不够，可 减小热释电红外线传感器串联的电阻R1，但 R1不够太小，应视具体情况而 定。适当减小 R1 后灵敏度仍不够时，可更换耦合电容C1，将 1uF换成 0.7uF， 效果将很显著。制作的如图2-3 所示。 图2-6 红外线传感器、光控智能开关PCB 板 2.2.7光控电子开关的安装与调试 安装时将它与受控电灯H 串联，并让它正对着天幕或房子采光窗前较明亮 的空间，避免3M以内夜间灯光的直接照射。调试宜傍晚时进行，调节RP阻值 的大小，使受控电灯H在适当的亮度下始点亮。制作的如图2-5 所示。 9 / 24 图2-7 光控电子开关的PCB 板 三、

8、照明电路中实际中元件的选用及设计 1、电路设计原理 HN911 是一款新型热释电红外探测采用双列6脚直插式封装。其管脚排1所 示。该传感器由于内部放大器可以将人体辐射保证了传感器的工作稳定性。 HN911 可在严寒或炎热等恶劣环附表为HN911 红外探测模工作原理 HN911 红外探测 模块内部电路主要放大器、比较器、电1脚输出高电平 ,2 脚输动态时 , 即有移动 发热物体传感器接收到红外输出幅度约1mV 、频率 0.3 的微弱信号。该信号经 放大器放由比较器比较, 经信号处理电路处最后由延时输出电路输出用做驱 HN911 模块内放大器具有温度补探测器工作时, 人体辐射和周当背景红外辐射增

9、强。 2、工作原理 10 / 24 采用HN911 热释电红外控制模块的照明灯电路原理图如图3-1 所示，电路中 ICl 为HN911 热释电红外传感控制模块，平时2脚输出高电平，当它探测到人体发 出的红外光线时，其输出端2脚可输出脉冲宽度大于 2s的负脉冲信号，并直接加 至555时基集成电路 IC3的触发端 2脚。 图3-1 采用 HN911 热释电红外控制模块的照明灯电路原理图 HN911 系列模块共有 3种型号，即通用型它的电路符号是：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.在这临界击穿点上 ,反向电阻降低 到一个很少的数值 ,在这个低阻区中电流增加而电压则保持

10、恒定,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 15 / 24 用.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。 稳压二极管是一个特殊的面接触型的半导体硅二极管，其V-A特性曲线与普 通二极管相似，但反向击穿曲线比较陡稳压二极管工作于反向击穿区，由于它 在电路中与适当电阴配合后能起到稳定电压的作用，故称为稳压管。稳压管反 向电压在一定范围内变化时，反向电流很小，当反向电压增高到击穿电压时， 反向电流突然猛增，稳压管从而反向击穿，此后，电流虽然在很大范围内变 化，但稳压管两端的电压的变化却相当小，利于这一特性

11、，稳压管访问就在电 路到起到稳压的作用了。而且，稳压管与其它普能二极管不同之反向击穿是可 逆性的，当去掉反向电压稳压管又恢复正常，但如果反向电流超过允许范围， 二极管将会发热击穿，所以，与其配合的电阻往往起到限流的作用。 3.2 稳压管的应用 3.2.1 浪涌保护电路 稳压管在准确的电压下击穿, 这就使得它可作为限制或保护之元件来使用, 因为各种电压的稳压二极管都可以得到, 故对于这种应用特别适宜。图中的稳压 二极管 D是作为过压保护器件. 只要电源电压 VS 超过二极管的稳压值D就导通 , 使 继电器 J吸合负载 RL 就与电源分开。 322电视机里的过压保护电路 EC 是电视机主供电压 ,

12、 当EC 电压过高时 ,D导通, 三极管 BG 导通, 其集电极电位 将由原来的高电平 (5V变为低电平 , 通过待机控制线的控 制使电视机进入待机保护状态。 323电弧抑制电路 在电感线圈上并联接入一只合适的稳压二极管( 也可接入一只普通二极管 原理一样 的话, 当线圈在导通状态切断时 , 由于其电磁能释放所产生的高压就被 二极管所吸收 , 所以当开关断开时 , 开关的电弧也就被消除了。这个应用电路在 工业上用得比较多 , 如一些较大功率的电磁吸控制电 路就用到它。 16 / 24 324 串联型稳压电路 在此电路中 , 串联稳压管 BG 的基极被稳压二极管D钳定在 13V,那么其发射极 就

13、输出恒定的 12V电压了。这个电路在很多场合下都有应 用。 4、光敏电阻器 4.1 光敏电阻的结构 光敏电阻器 photovaristor ）又叫光感电阻，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）。 通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光 的照射时，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。 4.2 光敏电阻的原理 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。 在黑暗环境里，它

14、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增加了半导体 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逐渐复合， 光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 4.3 光敏电阻的分类 根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器： 17 / 24 紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器 等，用于探测紫外线。 红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻

15、器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光 谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。 可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、 锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门 户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机 械上的自动保护装置和“ 位置检测器 ” ，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝 光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。 4.4 光敏电阻的主要参数 光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性光谱特性，频率特性， 温度特性。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流

16、通过，受 到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转 换。没有极性，纯粹是个电阻期间，使用时可加直流也可以加交流。 4.4 光敏电阻的制作材料 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，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受 潮影响其灵敏度。光敏电阻的原理结构如图2.6.1所示。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

17、照产生的电子空穴对增加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逐渐复合，光敏电 阻的阻值也就逐渐恢复原值。 18 / 24 5、7805 集成三端稳压器 启动电路帮助稳压器快速建立输出电压UO；调整电路由复合管构成；取样 电路输出固定的电压。 CW7800系列稳压器具有过热、过流和过压保护功能，提 高输出电压的电路功能。 图 2-8 7805 引脚图 集成三端稳压器根据稳定电压的正、负极性分为78， 79系 列。 附表 2 三端稳压器输出电流字母表示法 L M 无字）S H P 0.1A 0.5A

18、1A 2A 5A 10A 19 / 24 例如： 78M05三端稳压器可输出 +5 V、05 A 的稳定电压； 7912 三端稳压 器可输出 12V、1A的稳定电压。 图 2-9 外形及管脚分布 6、继电器 61 继电器的工作原理和特性 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统又称输入回路）和被控制系 统又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去 控制较大电流的一种“ 自动开关 ” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换 电路等作用。 6.1.1电磁继电器的工作原理和特性 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

19、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 ” 。 20 / 24 6.1.2 热敏干簧继电器的工作原理和特性 热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型

20、热敏开 关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件 组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。 恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。 6.1.3 固态继电器 SSR）的工作原理和特性 固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器 件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。 固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常 开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光 电隔离型为最多。 62 继电器主要产品技术参数 6.2.1 额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所

21、需要的电压。根据继电器 的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。 6.2.2直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 6.2.3 吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时， 给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所 加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5 倍，否则会产生较大的电流 而把线圈烧毁。 6.2.4 释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的 电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远 远小于吸合电流。 6.2.5 触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它

22、决定了继 电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器 的触点。 63 继电器测试 6.3.1测触点电阻 21 / 24 用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0；而常开触 点与动点的阻值就为无穷大。由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触 点。 6.3.2 测线圈电阻可用万能表R10档测量继电器线圈的阻值，从而判断 该线圈是否存在着开路现象。 6.3.3 测量吸合电压和吸合电流找来可调稳压电源和电流表，给继电器输入 一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。慢慢调高电源电压，听到继 电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。为求准确，可以试多几次而求平

23、 均值。 6.3.4 测量释放电压和释放电流也是像上述那样连接测试，当继电器发生吸 合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的 电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。一般情况 下，继电器的释放电压约在吸合电压的1050 ，如果释放电压太小小于 1/10 的吸合电压），则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工 作不可靠。 64 继电器的电符号和触点形式 继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就 画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。 继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长

24、方框一侧，这种表示 法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制 电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将 触点组编上号码，以示区别。继电器的触点有三种基本形式： 6.4.1 动合型 H 型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就 闭合。以合字的拼音字头“H ”表示。 6.4.2 动断型 D 型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断 开。用断字的拼音字头 “D ”表示。 6.4.3 转换型 Z 型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是 动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和 另一个闭合

25、，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的 成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“ 转” 字的拼音 22 / 24 字头“z”表示。 65 继电器的选用 6.5.1先了解必要的条件 控制电路的电源电压，能提供的最大电流； 被控制电路中的电压和电流； 被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的 电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否 则继电器吸合是不稳定的。 6.5.2 查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器 的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考 虑尺寸是否

26、合适。 6.5.3 注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继 电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超 小型继电器产品。 23 / 24 结束语 完成这次毕业设计的过程中，我们同组的同学们集思广益获得了不小的收 获，我们通过毕业设计可以很好的巩固自己所学的知识。在以后的学习、工作、 生活中要多动手、动脑。想和做是分不开的，一定要把想和做联系起来。用思想 指导自己，用动手证明自己的思路。 在设计的过程中，我对课本的知识有了更深的认识，对我们所学的知识更深 刻的得到应用，使我们进一步提高了设计能力和动手能力，让我们的思维更活跃 了同时让我们对芯片的使

27、用有了更深的理解和认识，对芯片的功能加以灵活运 用。让我们把自己所学的知识与实际操作相接合，善于巧妙的应用所学的芯片连 接电路。在实验的过程中难免会出现一些问题，当遇到问题时一定要用心排除， 运用所学的知识进行分析。随着电子工业日新月异地飞速发展，新知识、新技术 的不断涌现，本次毕业设计将理论和实践做到综合化、实施化、注重动手能力的 培养，有利于我们在学习过程中掌握与活学活用。有利于培养学生的创新能力和 应用能力，提高了同学处理实际问题的能力，拉近与现实的距离。同时告诉我们 在今后我们工作中肯定会遇到一些实际操作问题，要看我们如何去解决，而不应 该有问题了就停在原地希望同伴来解决，要学会耐心分

28、析。从这次设计中，我意 识到要做好一件事情，必须具有扎实的知识基础，端正实验态度，严谨的实验作 风以及“信心、虚心、耐心”只有这样，将来无论是在做事还是做人上，才能取 得成功。通过严格的科学训练和工程设计实践，树立严肃认真，一丝不苟，实事 求是的科学发展观，培养我们的动手能力和实际操作能力，并培养策划能力，在 以后的生产工作中打好基础。通过这个毕业设计使我们学到了许多，作为一名当 代大学生，要学会利用计算机、图书来查找资料，这样使我们对知识会有一个全 面的了解，也会使我们全面发展。 “不积小流无以成江海，不积跬步无以至千里。”万层高楼平地起基础是 做好一切的根基。 参加毕业设计可以开发我们的设

29、计潜能，提高我们对该专业 24 / 24 的认识，让我们成为一个懂原理，重实践的技能型人才。通过该“实践”活动 的学习，让我们对所学的专业课程有了更深厚的兴趣，它与我的生活紧密相 连。“实践是检验理论的唯一标准”我们学习专业课的目的就是要应用它来解 决人们日常生活中遇到的问题，所以在学好课本的前提下尝试动手操作培养自 己在动手方面的能力，也是作为我们陕航人应有的素质，大胆实践，努力创 新。 谢 辞 时光匆匆飞逝，三年的大学时光要告一段落了。在完成毕业设计的这几个 月时间里，我们通过查资料、整理资料、写论文。终于在今天将论文完成了。 随着毕业论文的完成，在我的身边帮助我的老师和同学，也渐渐的增多 了。在整个的论文写作中，各位老师、同学和朋友积极的帮助我查资料和提供 有利于论文写作的建议和意见，在他们的帮助下，论文得以不断的完善，最终 帮助我完整的写完了整个论文。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老 师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，才能顺利的完成论文。