光控节能路灯的设计

光控节能路灯电路设计

组员：

陶鹏鹏 1886120122 刘兵 1886120114

李晓光 1886120113 江宏南 1886120111

第一章概述

1.1光电检测技术前景

光电检测技术是一种非直接接触测量的高新技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电检测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。

光敏二极管作为一种光电器件在光电检测技术中有着非常重要的作用。在光电检测电路中，光电转换元件一般采用光敏二极管，通过对它的微弱电流的检测，来获取光信息或其它信息，其原理是把调制到光载波上的有用信号解调出来，实现光信号到电信号的转换。

1.2课题作用、实用价值

所谓光控节能路灯，就是能够在黄昏时自动接通路灯的电源，在黎明时自动关闭路灯，实现对路灯的自动控制，而且更重要的是要求节能。关于对路灯的自动控制的电路，基本原理是相同的，即利用自动控制理论如何实现自动控制。实现方式可谓各式各样，五花八门，这也是由于具体的实用要求和环境的差异所决定的。常见的控制方式有声控，光控及声光结合的控制，当然还可以利用单片机，DSP等微控制器来实现。在保证足够可靠性的基础上，为了尽量节约成本。利用简易的分立元件来实现，显得既经济又实用，在提倡节约型社会的今无疑值得推广。

1.3关于对该作品的发展前景的看法

无论大小城市都一定会有路灯，有路灯就一定要用电，而现在各个城市经济都飞速发展，许多城市都会出现用电紧张的情况。除去一些家庭的不合理造成的浪费，城市里许许多多的路灯所耗的电能也不是个小数目。每个城市的路灯都不计其数，如果平均每一盏灯耗电250瓦每小时，那么一天的耗电量会很大。再过几十年将会多么可怕！而如果我们使用光控太阳能电路，这一切将会大大改变。因为每一天都有阳光，那么假如每盏灯都安上三块太阳能电池板，并且每块的供电量为100瓦每小时，那么每天就产生3600瓦的电能，足够让一盏灯工作14.4个小时。并且光控太阳能路灯的造价也不贵，这样，节约下来的电能就很可观了。除此之外，我们还可以进一步改造，将路灯改小变成各个家庭所必需的日光灯，那么，我们很有必要利用太阳能。光控太阳能路灯很有必要代替传统的路灯。

第二章主要器件基本原理

2.1 光电二极管的基本原理

光电二极管是将光信息变成电信号的半导体器件，它的核心部分是一个PN 结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN的结面积尽量的大一点，电极面积尽量小一点，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米，它们在反向电压作用下工作，没有光照时，反向电流很小（一般小于0、1微安），称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子——空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流变大，这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接个负载，负载上就获得电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应的变化。

光电二极管作为一种光伏探测器可以在光伏型（即物外加偏压）和光电导（即物外加反向电压）两种工作模式下工作。在光导模式下，施加反向偏压后，可以增加光电二极管PN结的耗尽层宽度和结电场，在耗尽层中产生的电子空穴对由于复合较少，在结区强电场的作用下，不必经过引起复合的扩散过程，就可以对电流做出贡献，显然提高了光电二极管的光电灵敏度，但在这种模式下，由于给

光电二极管施加了反向偏置电压，必然存在较大的暗电流，由此会产生较大的噪声电流，通常在光通信等快速应用中应该使用该模式；儿童在光伏模式下，光电二极管处于零偏状态，不存在等效二极管的反偏电流，有较低的噪声，线性好，适合于比较精确的测量。

2.2 光电三极管的基本原理

光电三极管的原理分为两个部分：一是光电转换；二是光电流放大。光电转换过程与一般光电二极管相同，在集—基区进行。光激发产生电子空穴对，在反向偏置的PN结内电场的作用下，电子流向集电极被集电极所收集，而空穴流向基区与正向偏置的发射结发射的电子复合，形成基极电流，基极电流将被集电极放大，这与一般半导体三极管的放大原理相同。不同的是一般三极管的是由基极向发射结注入空穴载流子，控制发射极的扩散电流，而光电三极管的是由注入到发射结的光生电流控制的。

第三章光控节能路灯的设计

3.1 主要内容

研究光敏二极管、光电三极管、与门、非门和继电器等，设计一个光控节能电路，实现节能路灯的控制。

3.2 基本要求

1研究光敏二极管、光电三极管、与门、非门和继电器等器件的功能特性，实现节能的目的。

2设计光控节能路灯的功能框图。

3、设计光控节能路灯电路的实际电路图，要求功能仿真成功。

4、完成此次光电检测技术课程设计的实验报告。

3.3 设计方案

设计电路中，光控触发器电路部分由三极管、光电三极管、发光二极管、电阻器、电位器、与门、非门等器件组成；电源电路部分由发光二极管、电阻器、电位器组成；报警电路部分由三极管、电阻器、报警器（用灯泡表示）、与门组

成。

在白天，光电三极管受到光照导通，7408N输出高电平，然后经过非门，继电器获得低电平，这时发光二极管LED4不导通；

在傍晚，光照度逐渐减弱，光电三极管截止，7408N输出低电平，然后经过非门，继电器获得高电平，这时LED4被导通发光；

直到第二天黎明来临，光照度又逐渐增强，光电三极管再次被导通，继电器获得低电平，这时LED4又熄灭。

为了防止出现白天路灯也亮这种故障的出现，在电路中添加一个报警电路，以便工作人员及时知道出现故障的电路。

3.4 电路框图

3.5 总体电路图

3.6 电路功能介绍

（一）白天电路显示

在白天，光电三极管受到光照导通，7408N输出高电平，然后经过非门，继电器获得低电平，这时发光二极管LED4不导通；

（二）晚上电路显示

在傍晚，光照度逐渐减弱，光电三极管截止，7408N输出低电平，然后经过非门，继电器获得高电平，这时LED4被导通发光；

直到第二天黎明来临，光照度又逐渐增强，光电三极管再次被导通，继电器获得低电平，这时LED4又熄灭。

（三）光强控制显示

傍晚光照不强时，光电三极管仍被导通，LED4（路灯）保持熄灭状态，这时可以通过调节滑动变阻器使路灯亮起来。

（四）报警显示

当白天时如果LED4（路灯）亮，光电三极管导通，则7408N两个输入端都是高电平，输出为高电平，再经过三极管放大后使LED2（报警器）工作。当工作人员发现故障后，再同时断开开关D和E使报警器和路灯停止工作，再进行合适的检查和修理。

（五）电路实际应用

在电路中，当光电三极管损坏时，可通过应急开关D（断开）使电路工作。（六）电路各器件参数与功能

(1) 继电器

电磁继电器由线圈绕上铁芯，形成电磁铁，当线圈导通时，电流使得铁芯暂时磁化，吸引铁杵使得触点吸合。

参数：额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是直流电压，也可以是交流电压；吸合电压是使继电器触点吸合的最小线圈电压。释放电压是保证继电器触点释放的最大线圈电压；吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用使，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定的工作。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坏。

（2）与门74LS08

74LS08是2输入4与门集成电路芯片，常用在各种功能的数字电路系统中。

第四章实验总结

4.1 实验不足之处

在实验中，电路设计虽说较为简单，但我们把基本的功能都实现了。唯一让我们有遗憾的是太阳能电池供电部分，这部分电路无法仿真，且要实现其功能要求较为精细，凭我们现有的知识无法完成设计，只能提供我们的设计思想。我们设想是在夜晚太阳能电池为路灯供电时，把多余的电能用在工业用电上，使路灯用电和工业用电一体化，最终使它们共同使用太阳能这种清洁能源，这样同时会给环境带来更大的改善，会更好的保护地球。

4.2 实验总结与心得

这次实验目的是利用电子技术对光学元件进行检测和控制，通过光学元件对光的感应，再利用电路控制必要时灯的亮灭，以此达到节约能源的目的。

本次实验中，我们看到题目后，先上网查找了相关的资料，了解了光控节能电

路的前景和意义，然后一起讨论课程设计方案和思想。确定好学要用的元器件来实现各自的功能，接下来画电路图，仿真，对不合理的地方加以改进，以完善电路的功能。软件中没有的元器件我们设法用其他的元件代替，达到相同的目的。

该实验中的电路图可以很好的实现其功能，白天有光时，灯不亮；晚上没有光时，灯亮；傍晚时，可以调节滑动变阻器来控制，要求多暗的光灯就可以亮了。这样就除去了如果白天灯也亮时会造成的浪费。

通过本次实验，我们加深了对许多元件功能尤其是光控元件的理解和运用，也学会更好的使用Multisim 软件来设计电路，仿真电路。另外，我们觉得做实验首先要端正心态，认真做好每一步，组内成员要团结协作，每一成员都要以一丝不苟的态度完成自己的任务，这样才能更好更顺利的完成实验设计，节约了时间，加大了效率，都学到了很多东西。