LED多功能灯课程设计论文电气06班4314.docx
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LED多功能灯课程设计论文电气06班4314
一、引言------------------------------------------------------2
二、多功能LED灯的电路设计------------------------------2
1、多功能LED设计的目的和要求-------------------------------3
2、多功能LED灯设计思路和原理框图--------------------------3
三、多功能LED灯设计原理及其仿真分析----------------4
1、光敏测光电路---------------------------------------------4
2、红外热释感应电路-----------------------------------------5
3、灯光渐亮渐暗电路-----------------------------------------9
4、定时开关控制电路-----------------------------------------10
四、电路主要元器件的选型和参数-------------------------12
1、热释电元件RE200------------------------------------------12
2、红外热释电处理芯片BISS0001------------------------------12
3、BCD拨码开关----------------------------------------------16
4、光敏电阻------------------------------------------------17
5、LM324AD-------------------------------------------------19
6、4013双D触发器------------------------------------------20
五、实物制作过程和调试-----------------------------------21
1、电路板的焊接-------------------------------------------21
2、电路的安装与调试---------------------------------------21
六、心得体会以及协作分工---------------------------------22
七、参考文献------------------------------------------------------------------------23
八、附表
一、引言
随着LED照明时代的到来，LED灯凭借自身的优势被广泛的应用于各个领域。
总的来说，LED灯具有以下几个优点：
（1）体积小
（2）耗电量低
（3）使用寿命长
（4）高亮度、低热量
（5）环保
LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。
光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源
（6）坚固耐用
LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。
灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。
凭借自身的优势，LED灯被广泛应用于以下几大方面：
（1）显示屏、交通讯号显示光源的应用。
LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、双色和单色显示屏。
交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED,因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代。
（2）汽车工业上的应用。
汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。
汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。
1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。
由于LED响应速度快,可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件。
此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采用LED显示。
（3）LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。
目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。
如果LED替代半数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60亿升原油的能源,相当于五个1.35×106kW核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。
我国也于2004年投资50亿大力发展节能环保的半导体照明计划。
（4）其它应用。
例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，家用室内照明的LED产品也越来受人欢迎，LED筒灯，LED天花灯，LED日光灯，LED光纤灯已悄悄地进入千家万户。
二、多功能LED灯的电路设计
1、多功能灯
LED设计的目的和要求
目的：
1）掌握光敏电阻、红外热释电传感器的工作原理和应用电路。
2）掌握常用运算放大电路、数字集成电路、555电路、BCD拨码开关的功能和使用。
在我们身边，无时无刻充斥着数字信号和模拟信号，可以说是它们组成了我们所生活的信息社会。
通过学习这些电路，可以使我们更好的了解和掌握这两种信号，方便我们今后的学习和应用。
要求：
1）采用高亮度LED作为光源，低功耗、高效率，采用6V电压（直流电源或者4节电池）供电；
2）白天（光强度高时）不发光，夜里（光强度低时）三种方式控制LED灯工作；定时功能：
0-999min内设定灯的开启和熄灭；非接触式红外感应：
感应距离小于0.3m：
应急：
拨动开关（按钮），控制灯亮灭。
3）实现具有便携、节能、应急和手电等功能。
2、多功能LED灯设计思路和原理框图
如图1，通过三种工作方式控制LED台灯，选择开关有三种：
自动、定时和应急等，三个模式独立工作互不影响。
原理框图如图1。
图1三种方式控制LED灯的原理框图
应急控制最优先，应急开关与通常的灯控制方式相同。
即打开开关，灯即亮，方便人们在紧急状况下的使用。
手动控制优先于自动方式，通过接通手动开关，并手动设置开、关灯的时间来控制灯的亮、灭。
自动方式则是通过光敏电阻自动测光判断。
在白天或者自然光足够明亮的状态下，红外热释电传感器即使有感应也不会导致灯亮。
仅当夜晚或者自然光足够黑暗的状态下，光敏电阻测光判断为暗，红外热释电感应电路被供电工作，在有人接近或者离开时实现对灯光的渐亮渐暗调节。
三、多功能LED灯设计原理及其仿真分析
此次设计的LED多功能灯选择开关有三种：
自动、手动（定时）和应急。
如图：
本次仿真采用LED的正向电压为1.83V，电流为20mA。
则上拉电阻计算如下：
R===158.5Ω，可选择200Ω电阻。
1、光敏测光电路
光敏测光参考电路图如下：
光敏测光电路仿真图如下：
由于在Multisim软件中没有光敏电阻的仿真器件，所以在仿真的过程中，经过本人思考后，认为光敏电阻起的作用就是一个类似开关的作用，所以我决定尝试用滑动变阻器来代替光敏电阻，由于目前光敏电阻的灵敏度很高:
暗电阻可超过1MΩ，亮电阻在几kΩ以下。
因此，我选择其滑动变阻器的阻值为5MΩ.如果目前的光强度很低，光敏电阻的阻值较大，我就接入滑动变阻器全部进去，使施密特电路输出低电平，Q3输出高电平，将为后续的感应电路供电。
反之，若当前环境光强度被判为高，光敏电阻的阻值较小，我就将滑动变阻器接入0，施密特电路输出高电平，Q3输出为低电平，不会为后续的热释电感应电路供电，灯不会亮。
仿真波形如下：
滑动变阻器接全部滑动变阻器接入0
这部分电路较为简单，只要了解了各个器件的功能以及相关电路的作用，就能很快实现相关功能，只是在运用软件时，二极管、三极管和555定时器有不同器件，选取时应多注意原件参数。
2、红外热释感应电路
红外热释感应电路如图：
通过分析电路，我们发现在Multisim软件中没有红外热释传感器这个器件，而后通过咨询老师以及上网查阅相关资料，了解到现在的红外热释器件之中都包含了相应的放大电路，而且由于红外热释传感器是接受人体辐射的红外线，其原理是：
人体温恒定于37度左右，发出波长10μm左右的红外线。
当人体进入检测区，体温与环境温度有差别，红外线通过菲涅耳透镜滤光片增强，聚集到红外感应源（热释电元件）上。
而此时红外感应源失去电荷平衡，向外释放电荷，产生△T。
经处理，向外围电路输出高或者低电平。
最后经过仔细的思考认为以下这个部分就是实现起一个发生脉冲并且两级电压放大的电路，所以我决定用一个脉冲发生器来产生这个信号。
总的仿真电路等效电路如下：
其仿真波形如下：
分析仿真波形可以得出，信号经过电压比较，两个波形基本一致。
但是为什么会出现电压滞后的现象，我们分析那是因为电路本生的原件造成的。
而且另外老师给出了用红外热释传感器和处理芯片BISS0001一起构成上述红外热释感应电路，电路如下图所示：
上图中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。
若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。
SW1是工作方式选择开关，当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。
输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，其值为：
Tx≈24576R9C7；
触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，值为Ti≈24R10C6。
图中，R6可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选10K，实际使用时可以用3K，可以提高电路增益改善电路性能。
3、灯光渐亮渐暗电路
由资料可知，当人体接近红外热释传感器时，通过红外热释感应电路，其输出的高电平感应信号通过积分电路和频率85Hz的三角波进行比较，，输出占空比逐渐变大的矩形波，控制LED灯的驱动三极管使灯渐亮。
反之，在人走后，红外感应信号变为低电平，则积分电路和比较器的输出为占空比逐渐减小的矩形波，控制LED灯的驱动三极管使灯渐暗。
老师所给灯光渐亮渐暗电路电路如下：
通过老师给的参考电路我们始终无法得出理想的波形，考虑到电阻电容充放电的问题，我修改了这个部分的元器件的参数
；同时考虑到555多谐震荡器可能有问题，就采用数电书上所学知识，重新做了一个振荡器来实现其功能。
最后在接通电路总是发现直流分量影响电路波形很大，决定外接电容和加上一个电阻去除直流分量。
经过调试成功实现了所需功能。
灯光渐亮渐暗电路仿真电路如下：
具体仿真波形如下所示：
4、定时开关控制电路
定时开关控制电路图如下：
因为在multisim中没有拨码盘原件。
所以采用如上设计，用以三输入与门将设定计数短输出连在一起，当三片计数器的输出等于开关预置的数字时，输出高电平，触发翻转触发器，输出为0，控制定时开灯的计数器停止工作；该信号驱动LED灯亮，完成定时亮灯的功能。
同时，该触发信号又控制定时关灯模块的计数器进入计时工作模式。
当三片计数器的输出等于控制关灯开关预置的数字，驱动电LED灯灭，完成定时灭灯的功能。
同时，三片计数器清零，停止工作。
定时电路的时序波形如图：
定时电路的时序波形图
图中，t2-t1为通过开灯开关设定的开灯时间，t3-t2为通过开关设定的关灯时间。
四、电路主要元器件的选型和参数
1．热释电元件RE200的性能
灵敏元面积2.0×1.0mm2；基片材料-硅；基片厚度0.5mm；工作波长7-14μm
平均透过率＞75%；输出信号＞2.5V（420K1Hz调制频率0.3-3.0Hz带宽72.5dB增益）
噪声＜200mV（mVp-p）（25℃）；平衡度＜20%；工作电压2.2-15V；
工作电流8.5-24μA（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）
源极电压0.4-1.1V（VD=10V,Rs=47kΩ,25℃）
工作温度-20℃-+70℃；保存温度-35℃-+80℃；视场139°×126°
2.红外热释电处理芯片BISS0001
是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件，构成被动式的热释电红外开关。
特点：
电子爱好者社区7`L~.x0~%LX
采用16脚DIP封装；CMOS工艺；*k6B;FC
pQx数模混合；z.uW1l&q"echN0具有独立的高输入阻抗运算放大器电子爱好者社区b/bBxd
内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰；9u'c5G"Mt+?
bj0内设延迟时间定时器和封锁时间定时器
管脚图
!
e8\HgH'mcXx
^0
管脚说明
引脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
可重复触发和不可重复触发选择端。
当A为“1”时，允许重复触发；反之，不可重复触发
2
VO
O
控制信号输出端。
由VS的上跳前沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。
在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。
3
RR1
--
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
--
输出延迟时间Tx的调节端
5
RC2
--
触发封锁时间Ti的调节端
6
RR2
--
触发封锁时间Ti的调节端
7
VSS
--
工作电源负端
8
VRF
I
参考电压及复位输入端。
通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位
9
VC
I
触发禁止端。
当VcVR时允许触发（VR≈0.2VDD）
10
IB
--
运算放大器偏置电流设置端
11
VDD
--
工作电源正端
12
2OUT
O
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
I
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
I
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
I
第一级运算放大器的反相输入端
16
1OUT
O
第一级运算放大器的输出端
工作原理：
V.G-X）?
）Z?
0 BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。
电子爱好者社区（JUaLl）a^WCS3vNp9z.ld\0
;N#R5_nvQ0a;?
o0euQxcH0a_
p0电子爱好者社区zZ;P3c\.r电子爱好者社区`4{zw[3I!
F
_%Ml"U.K4U+D0 图1不可重复触发工作方式下的波形
以上图所示的不可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程：
A5B2K{Xd4Mw0 首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。
然后耦合给运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM（≈0.5VDD）后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。
由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制±1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。
COP3是一个条件比较器。
当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。
当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。
当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。
在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态
（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
5p+w6o1?
&N+^0
p+dzpp#TW'T'`l$v@0 图2可重复触发工作方式下的波形
以图2所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明其工作过程。
在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。
在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。
在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。
3．BCD拨码开关
在某些单片机或者PLC（可编程逻辑控制器）应用系统中,有时只需要进行少量的十进制数据设定,例如,设定温度恒定在30℃。
这些参数具有两个特点：
一是都由十进制数字（0～9）组成;二是设定值可能随时需要改变。
对于符合上述特点的输入场合,使用BCD拨码盘较为合适，在系统外部人工进行数据设定或修改。
BCD拨码盘的构造如图1所示。
图1BCD拨码盘阵列的构造
由处于前面板的拨码盘和处于后侧板的接线端组成。
拨码盘由上下两个拨盘按钮和夹在按钮中间的拨位数码指示器组成。
拨位数码指示器是可随拨盘的拨动进行转动0～9十个数字,用以显示拨码盘当前数值。
上面的拨码按钮为增量按钮,每按下一次,拨码盘正相旋转1/10周,拨位数码指示器显示的数值加1,连续按十次,数据将被还原。
下面的拨码按钮为减量按钮,每按下一次,拨码盘反相旋转1/10周,拨位数码指示器显示的数值减1。
接线端向外引出标有8、4、2、1、A（或者C）的五个引脚，其中A（或C）为输入控制线，另外4根是BCD码输出信号线。
在实际应用中,BCD拨码盘可以直接插入BCD拨码盘插座中使用,也可以采取从5个引脚上分别焊接引线的方式使用。
BCD拨码开关是十进制输入，BCD码（即二-十进制）输出，又称为8421拨码开关。
每位BCD拨码开关可输入1位10进制数，4片BCD拨码开关拼接可得4位10进制输入拨码组。
当拨盘拨到不同的位置时，输入控制线A（或C）分别与4根BCD码输出线中的某根或某几根接通，其接通的BCD码输出线状态正好与拨盘指示的10进制数相一致，符合2－10进制编码关系。
例如,当前拨码盘拨位数码指示器的显示数据为7时,图1中的4、2、1引脚均与A导通,8引脚与A不导通;当前拨码盘拨位数码指示器的显示数据为4时,仅有4引脚与A导通,其余三个引脚与A均不导通。
拨码盘从0拨到9,A引脚与8、4、2、1四个引脚的导通的状态如表1所示。
此表中的0表示输入控制线A与输出线不通,表中的1表示输入控制线A与输出线相通。
表1BCD拨码盘状态表
位置
8
4
2
1
0
0
0
0
0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
0
1
l
4
0
1
0
0
5
0
1
0
1
6
0
1
1
0
7
0
1
1
l
8
1
0
0
0
9
1
0
0
1
4．光敏电阻
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。
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，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，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。
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
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。
光敏电阻的主要参数是：
（1）光电流、亮电阻。
光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。
（2）暗电流、暗电阻。
光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。
外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。
（3）灵敏度。
灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。
（4）光谱响应。
光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。
若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。
（5）光照特性。
光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。
从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。
若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。
在大多数情况下，该特性为非线性。
（6）伏安特性曲线。
伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。
（7）温度系数。
光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。
（8）额定功率。
额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。
5、LM324AD
极限参数
电参数（除非特别说明，Vcc=5.0V,VEE=GND,TA=25℃）
电参数（除非特别说明，Vcc=5.0V,VEE=GND,0℃≤TA≤70℃）
管脚排列图
6，双D触发器CD4013
CD4013是一双D触发器,由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出，此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计算器和触发器。
在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上高电平完成
7、三极管的管脚判别
将有数字一面正对自己，从左至右依次是e、b、c。
五、实物制作过程和调试
（1）硬件电路的安装
电路板的焊接是一个比较复杂的过程，因为有四个单元电路，工作量比较大，此外接地的点比较多，如果只选取一个接地点，那么电路既不美观也可能因为导线过程而导致短路。
所以我们采用了多个接地点，这样接导线时也比较简单。
同样，我们也采用了多个VCC点来减小工作量。
不过因为剪取
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