广告牌灯光自动控制器设计说明教学文案.doc

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信息职业技术学院

毕业设计说明书(论文)

设计(论文)题目: 广告牌灯光自动控制器
的设计
专 业: 应用电子专业
班 级: 应电07-2 班
学 号:
姓 名:
指导教师:

二00九年十二月十二日

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信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书
学 生
姓 名

学号

班级

专业
应用电子专业
设计（或论文）题目
广告牌灯光自动控制器的设计
指导教师姓名
职 称
工作单位及所从事专业
联系方式
备 注

讲师/工程师

设计（论文）内容：
1．广告牌灯光在白天自动关闭；
2．广告牌灯光在夜间自动开启；
3．设计出应用电路图，并用软件对电路进行仿真测试。
进度安排：
第1～2周：查找资料，选择参考方案；
第3～4周：确定方案；
第5～8周：查找资料，进行单元电路的设计；
第9～13周：整机电路整机与分析；
第14～16周：整理报告，确定初稿,检查定稿；
第17周：答辩
主要参考文献、资料：
[1] 王成安．模拟电子技术．大连理工大学出版社
[2] 唐程山．数字电子技术．华中工学院电子学教研室
[3] 余洪生．电子CAD技能实训．人民邮电出版社
[4] 张玉莲．传感器与自动检测技术．机械工业出版社
[5] 任为民．电子技术基础课程设计指导．中央广播电视大学出版社
[6] 谭博学．集成电路原理及应用．.电子工业出版社
审
批
意
见

教研室负责人：

年 月 日
备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。

目　录
摘　要 1
第1章 广告牌灯光自动控制器的概述 2
第2章 广告牌灯光自动控制器的简述 3
2.1 设计思路 3
2.2 电路结构方框图 3
2.3电路结构的简述 4
第3章 广告牌灯光自动控制器的设计步骤 5
3.1 电源电路的设计 5
3.1.1 交流电压变换电路 5
3.1.2 整流电路 6
3.1.3 滤波电路 7
3.1.4 稳压电路 8
3.2 主控电路部分 9
3.2.1 转换电路 9
3.2.2 触发电路 10
3.2.3 控制电路 11
第4章 整机工作原理 12
第5章 电路制作与调试 13
5.1 电路的制作 13
5.2 电路的调试 13
结　论 14
参考文献 15
附录1 整机原理图 16
附录2 元件清单 17

摘　要
广告牌灯光自动控制器，是能通过电路对广告牌、广告灯箱等进行自动控制的电子设备。在日常生活中，对于此类广告牌，户外灯箱等，往往是进行人为的控制，若管理员忘记了在某时关闭不需要的广告展示牌、广告灯箱光源，便会造成无意义的能源浪费。对于现在日渐繁华的都市，为了招揽顾客，或者推广产品，大功率灯管，大能耗的广告展示牌、广告灯箱更是随处可见，如果在不需要的时候点亮，这将是一笔不少的能耗费用。若外界自然光强度适当时自动关闭照明光，而且能在自然光线暗淡时自动开启照明，这样既不影响广告牌存在的意义，又能为投放广告者节约一笔能耗损失费用。本设计的特点是：能自动感应外界光线的强弱，在设定的光线强度下自动实现广告牌灯光的开关控制；能耗小；对外界的非正常触发光线有一定抗干扰能力。

关键词　光敏电阻；555定时器；施密特触发器；继电器

第1章 广告牌灯光自动控制器的概述
光控产品在近年来在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道应用十分广泛，它避免了老式机械开关常因忘记关闭造成了能源浪费的问题。另外，由于频繁开关或者人为因素，机械开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。同时，为了加强我们应用电子专业知识的理解和巩固，我设计了一种由光控元件构成的的广告牌灯光自动控制器。该设计具有电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便、使用寿命长的特点。
本设计以光敏电阻、施密特触发器、继电器为主要元件构成。具备以下特点：
1.主控电路由直流12V供电，安全稳定。
2.灯光的亮灭由继电器控制，可承受大电流。
3.设有可调旋钮，电路对外界光线的反应灵敏度可调。
4.电路设有接线端子，方便接线。
5.整体电路外形小巧，结构灵活，可适应不同规格形状的广告灯箱。
6.适用范围极为广泛，工厂、学校、厂矿等公共场所皆可使用。

第2章 广告牌灯光自动控制器的简述
2.1 设计思路
本设计的基本理念主要是实现灯光的自动控制，达到使用简单和实用的效果。在市场蓬勃发展的今天，广告牌灯组可以说随处可以见，而广告牌灯组主要应用于室外，而且为了达到广告效果，常常处于显目位置，如十字路口、屋顶、或者建筑墙面等，这样就造成了一定的维护难度。根据这种实际情况以及我们所学过的专业知识，我设计了此电路，本设计主要由电源电路、转换电路、触发电路、控制电路这四部分组成。
2.2 电路结构方框图
主电源
220V交流

灯组
光源

外部
光源
转换
电路
控制
电路
触发电路
副电源
12V直流

图2-1 电路结构方框图

2.3电路结构的简述
1.电源电路
电源电路分为主电源和副电源两个部分：主电源主要为发光源提供电能，还要为副电源提供输入电压。副电源主要负责为控制电路提供工作电压。
2.转换电路
为实现电路的自动控制，本设计采用了光敏电阻作为传感元件将光线的变化转变为电阻的变化，以实现外界光源对电路的控制。
3.信号触发电路
该电路主要由555定时器构成的施密特触发器与外围元件构成。信号触发电路主要负责将转换电路输出的信号转变为能够触发继电器工作的控制信号。
4.控制电路
该电路由继电器组成，其受触发信号的控制，直接控制广告牌灯光的亮或灭。

第3章 广告牌灯光自动控制器的设计步骤
3.1 电源电路的设计
本设计的电源供电由主、副电源两部分组成：
其中主电源的作用有以下两种，一种是直接为室外广告牌发光源提供电能（主要针对大功率、大电压的发光源），另一种为副电源提供输入电压。
副电源的主要作用是为电路部分提供12V的直流电压。该电压是由220V交流电经过变压、整流、滤波、稳压后得到的。电源电路如图3-1所示。

图3-1 电源电路图

3.1.1 交流电压变换电路
本单元主要采用了变压器来完成。变压器是一种利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号的元器件。能进行交流电压、电流和阻抗的变换。在此设计中是将220V交流电转变为24V交流电。
变压器由铁芯和线圈构成，有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级绕组，其余的绕组叫次级绕组。
当变压器初级线圈中通有交流电流时，铁芯中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出交流电流。
变压器两个绕组匝数分别为N1和N2，N1为初级匝数，N2为次级匝数。在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势。当N2>N1时，其感应电动势要比初级所加的电压还要高，这种变压器称为升压变压器：当N2<N1时，其感应电动势低于初级电压，这种变压器称为降变压器。变压器初级、次级电压和线圈匝数间具有下列关系：
（3-1）
式中 k—称为变压比(匝比)。
变压器初级、次级电流和线圈匝数间具有下列关系：
另有电流之比
（3-2）
变压器图形符号及实物图如图 3-2所示。

图3-2 变压器图形符号及实物图
3.1.2 整流电路
整流电路是电源的重要组成部分，它是利用半导体二极管的单向导电性能把交流电变成单向脉动直流电。其电路形式多种多样，其可分为半波整流、全波整流和桥式整流。本设计采用桥式整流电路。
桥式整流电路的工作原理可分析如下。为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。在U的正半周，电流从正端经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回负端，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图3-3中实线箭头表示。在U的负半周，其极性与图示相反，电流负端经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流向正端，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电压极性仍是上正下负，与正半周时相同。其电流通路如图3-3中虚线箭头所示。

图3-3 桥式整流电路
根据上述分析，可得桥式整流电路的工作波形如图3-4。由图可见，通过负载RL的电流iL以及电压UL的波形都是单方向的全波脉动波形。

图3-4 桥式整流电路的波形图
3.1.3 滤波电路
本设计主要采用电容滤波，主要由电容C1、C2构成。
220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流桥整流后变换成直流电，但是其纹波较大，加入滤波电容后可减少纹波。
图3-5分别是电容滤波原理图和它的部分波形。这里假设t<0时，电容器已经充电到交流电压V2的最大值。由于电容的充放电作用，使得输出波形平滑。滤波电路如图3-5(a)，波形图如图3-5(b) 所示。

图3-5 a) 滤波 b)波形图
3.1.4 稳压电路
稳压电路主要由LM7812三端稳压器来完成。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。
之前在经过变压、整流、滤波后的直流电压并不十分稳定(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7812的稳压和电容C2的滤波后在稳压电源的输出端产生了纹波小、稳定度好的12V直流电。外接电容C3用以抵消因输出端线产生的电感效应，防止自激振荡，外接电容C4可消除因负载电流越变而引起的输出电压的较大波动。如图3-6所示。

图3-6 稳压

3.2 主控电路部分
当光敏电阻R5受到光照时，其内阻变小，555定时器的2脚和6脚电压高于， 3脚输出低电平，继电器触点处于断开状态，灯不亮。
当光敏电阻R5得不到光照或光照微弱时，其内阻变大，555定时器的2脚和6脚电压低于，3脚输出高电平，继电器线圈获电触点吸合，灯被点亮。
为了防止继电器断开时产生较高的电动势而损坏555定时器，增加D6对电路加以保护。电容C5主要起延迟作用，比如类似闪电的突然闪亮造成瞬间灯灭的现象。D5可作为室内的工作指示灯。
主控电路部分如图3-7所示。

图3-7 主控电路
3.2.1 转换电路
转换电路的设计采用了光敏电阻，下面简单介绍一下光敏电阻的制作材料及其结构原理。
光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。
图3-8所示是光敏电阻结构示意图及图形符号。光敏电阻的原理结构如图3-8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。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，也可以加交流电压。
在本设计中光敏电阻是R5，就是通过光敏电阻在光线变化时电阻的变化来控制555定时器2脚和6脚上电压的变化来影响后方灯光的亮灭，从而实现光控行为。

图3-8 光敏电阻原理结构图及实物图
3.2.2 触发电路
本单元电路主要采用了由555定时器所构成的施密特触发器。由其对前面采集到的光电信号加以转换，输出，从而控制继电器的吸合和释放。

施密特触发器电路工作波形图
该施密特触发器的参数：
正向阈值电压（上触发电平）

反向阈值电压（下触发电平）

由555定时器构成的施密特触发器如图3-9所示。

图3-9 施密特触发器
施密特触发器的应用一般有三个方面：
1.波形变换—利用施密特触发器可以将变化缓慢的波形变换成矩形波。
2.脉冲整形—畸变的波形通过施密特触发器可以获得比较理想的矩形脉冲波形。
3.脉冲鉴幅—将一系列幅度各异的脉冲信号加到施密特触发器的输入端，只有那些幅度大于Ut+的脉冲才会在输出端产生输出信号。
3.2.3 控制电路
本单元电路主要作用的控制发光源电路的通断，经过考虑，采用了继电器控制的方案，因其具有小电流控制大电流、安全可靠、带负载能力强等性质。现对其作以简单介绍：
直流电磁继电器一般由一个线圈、铁心、一组成几组带触点的簧片组成。触点有动触点和静触点之分，在工作过程中能够动作的称为动触点，不能动作的称为静触点。
　　电磁继电器的工作原理是这样的：当线圈通电以后，铁心被磁化产生足够大的电磁力，吸动衔铁并带动簧片，使动触点和静触点闭合或分开；当线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁返回原来的位置，动触点和静触点又恢复到原来闭合或分开的状态。应用时只要把需要控制的电路接到触点上，就可利用继电器达到控制的目的。
　　继电器的触点有三种基本形式：
　　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。我所采用的继电器即为这种动合型触点。
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。
3.转换型（Z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。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示。此外，一个继电器还可以有一个或多个触点组，但均不外乎以上三种形式。
K

图 3-10 继电器图形符号与实物图

第4章 整机工作原理
首先由电源电路将220V交流电经变压、整流、滤波、稳压步骤输出稳定的12V直为后面的主控电路提供工作电压。
当光敏电阻R5受到光照时，其内阻变小，555定时器的2脚和6脚电压高于， 3脚输出低电平，继电器触点处于断开状态，灯不亮。
当光敏电阻R5得不到光照或光照微弱时，其内阻变大，555定时器的2脚和6脚电压低于，3脚输出高电平，继电器线圈获电触点吸合，灯被点亮。
为了防止继电器断开时产生较高的电动势而损坏555定时器，增加D6对电路加以保护。电容C5主要起延迟作用，比如类似闪电的突然闪亮造成瞬间灯灭的现象，防止了发光源以及电路的安全。D5可作为室内的工作指示灯，以便知晓外部广告牌的工作情况。
综上所述，本设计达到了广告牌灯光白天自动关闭，夜间自动打开的功能。
整机原理图见附录1。
第5章 电路制作与调试
5.1 电路的制作
首先准备元件与工具，仔细对比元件与元件清单有无差错，元件是非完好，如其外表是否破损、功能是否正常等。检查工具的是否齐全完整，如电烙铁、万用表是否工作正常，以及剪刀、镊子等工具。
再按照先对元器件引脚进行整形，然后再按照小后大、先低后高的原则根据原理图依次焊接，其中需掌握好焊接方法和时间，避免出现虚焊、桥接或元器件损坏等现象出现。
特别注意在焊接集成电路时要先检查型号、引脚位置是否符合要求。焊接时先焊边沿的二只引脚，以使其定位，然后再从左到右自上而下逐个焊接。
焊接好后先对照原理图仔细观察是否有错误，然后再剪去多余长度的引脚。
5.2 电路的调试
当电路完成时切勿直接通电测试，以避免连接错误产生事故。首先要仔细对照电路查看是否有误，再根据原理用万用表进行测试，查看是否有非原理的短路、开路现象出现，在检查完毕后可以通电测试。
经过测试电路可以完成设计的功能，制作完毕。
结　论
随着电子技术的发展，自动控制电路在诸多领域得到了广泛应用，在我们生活中也用到了很多方面，特别是光控灯光可以说是应用广泛。在我的毕业设计中，主要对广告牌灯光自动控制器进行了设计，并对其各组成部分工作原理进行了阐述。
此次设计的广告牌灯光自动控制器，电源电路和主控电路组成。电源电路的主要任务是为主控电路提供工作电压；主控电路的主要任务是为检测外部光线，并且转换信号触发继电器从而控制灯箱光源的亮灭，达到设计目的。
本次的毕业设计，在老师的耐心指导下，同学的热心帮助下，顺利完成了。在这次的毕业设计中，让我学到的知识得到了应用和实践，培养了我独立思考的能力，学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图等，在设计的实践中获得了新知。

参考文献
[1] 张树江．模拟电子技术．大连理工大学出版社，2003
[2] 邱寄帆．数字电子技术．华中工学院电子学教研室，2005
[3] 余洪生．电子CAD技能实训．人民邮电出版社，2006
[4] 张玉莲．传感器与自动检测技术．机械工业出版社，2005
[5] 任为民．电子技术基础课程设计指导．中央广播电视大学出版社，2004
[6] 谭博学．集成电路原理及应用．电子工业出版社，2003
附录1 整机原理图

附录2 元件清单
序号
名称
型号
编号
数量
1
电源变压器
AC220V-AC24V
T1
1
2
二极管
1N4007
D1-D5
5
3
电解电容
25V470uF
C1、C2
2
4
电解电容
16v/220uF
C5、C6
2
5
瓷片电容
104
C3、C4、C7
3
6
三段稳压器
LM7812
U1
1
7
电阻
1KΩ
R1
1
8
电阻
10KΩ
R2
1
9
电阻
10KΩ
R3
1
10
电位器
503
R4
1
11
光敏电阻
GDS5517
R5
1
12
555定时器
NE555
U2
1
13
发光二极管
LED(RAD)
D2
1
14
继电器
Q3F-1Z
K1
1
15
白炽灯
25W/220V
DS1
1
16
实验万用板
80*100

1