视力保健灯电路设计课程设计

课程设计说明书第Ⅰ页视力保健灯电路设计摘要人类的视觉系统具有非常复杂的结构，这种结构特点为人眼对事物的感知提供了极其细微的分辨能力。但是，如果不注意保护，环境照明不佳，可导致睫状肌痉挛，紧张，睫状肌内血管扭曲变形，微循环不好，形成近视。因此，设计一个视力保健电路是很有必要的。本课题利用三端稳压集成电路LM7805做直流稳压电源电路，555时基集成电路做定时电路，与测试调光电路构成视力保健灯的主要组成，具有触摸式开灯和定时关灯功能，并且能根据室内光线的强弱自动的调整灯光亮度。它可以缓解眼部疲劳，有效改善假性近视的发生率。为人们学习和工作提供了有效的帮助。其适用场合广，必然能被人们广泛接受。关键词：LM7805集成电路，555定时器，光敏晶体管，整流桥目录TOC\o"1-3"\u1绪论 11.1设计背景 11.2设计概述 12元件选择 22.1整流桥 22.1.1全波整流桥工作原理 22.1.2全波整流桥性能分析 32.2三端稳压集成电路 32.2.1LM7805引脚排列 32.2.2LM7805应用 42.2.3LM7805电参数 42.3555定时器 52.3.1555定时器基本组成 52.3.2555定时器的工作原理及功能特点 62.4光敏三极管 72.5晶闸管 82.6单结晶体管 93总体设计 103.1整体设计原理图 103.1.1原理图分析 10总结 12致谢 13参考文献 14为输出的直流电压。在整流桥的每个工作周期内，同一时间只有两个二极管进行工作，通过二极管的单向导通功能，把交流电转换成单向的直流脉动电压。对一般常用的小功率整流桥进行解剖发现，桥内的四个主要发热元器件——二极管被分成两组分别放置在直流输出的引脚铜板上。在直流输出引脚铜板间有两块连接铜板，他们分别与输入引脚（交流输入导线）相连，形成我们在外观上看见的有四个对外连接引脚的全波整流桥。2.1.2全波整流桥性能分析全波整流输出电压的直流成分（较半波）增大，脉动程度减小，但变压器需要中心抽头、制造麻烦，整流二极管需承受的反向电压高，故一般适用于要求输出电压不太高的场合。2.2三端稳压集成电路LM7805即三端稳压集成电路。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的LM78××系列和负电压输出的LM79××系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有LM9013样子的TO-92封装。2.2.1LM7805引脚排列，如图3：(b)图3LM7805引脚排列图引脚①为最高电位，③脚为最低电位，②脚居中。从图中可以看出，不论正压还是负压，②脚均为输出端。对于LM78**正压系列，输入是最高电位，自然是①脚，地端为最低电位，即③脚。对于LM79**负压系列，输入最低电位是③脚，而地端①脚为最高电位。如图4所示：图4LM7805内部结构电路图2.2.2LM7805应用7805典型应用电路图:78XX系列集成稳压器的典型应用电路如下图所示，这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采用集成稳压器7805，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容，RL为负载电阻。当输出电流较大时，7805应配上散热板。如图5所示：图5LM7805典型应用电路2.2.3LM7805的电参数：

表1LM7805电参数2.3555定时器555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V～16V工作，7555可在3～18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。2.3.1555定时器基本组成555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图所示。它内部包括两个电压比较器、三个等值串联电阻、一个RS触发器、一个放电管T及功率输出级。它提供两个基准电压1/3VCC和2/3VCC。555定时器的内部电路框图[2]及引脚排列如图6：（a）（b）图6555定时器内部电路框图及电路符号（a）原理图（b）电路符号555定时器的1脚是接地端GND，2脚是低触发端，3脚是输出端OUT，4脚是清除端，5脚是电压控制端CO，6脚是高触发端TH，7脚是放电端D，8脚是电源端VCC。2.3.2555定时器电路的工作原理及功能特点555定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0。555定时器功能表[2]如表2：表2555定时器功能表[2]输入输出复位U11U12输出U0放电管T0××0导通1＞2／3Ucc＞1／3Ucc0导通1＜2／3Ucc＜1／3Ucc1截止1＜2／3Ucc＞1／3Ucc保持保持由以上分析可以把555功能简单归结为三种情况，讲U和U与各自的基准电平相比较：U11和U12都高：u0=0，VT导通：U11和U12都低：u0=1，VT截止；U11和U12中间：u0保持，VT保持。2.4光敏三极管光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。光敏三极管图形如图7：图7光敏三极管三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区"发射"的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区"发射"的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。半导体就像一个开关，可以通过导通与截止来控制电路。当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。光敏三极管用于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。2.5晶闸管晶闸管是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅；1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化；晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极：阳极，阴极和门极；晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。其图形符号如图8所示：图8晶闸管晶闸管工作条件为：加正向电压且门极有触发电流；其派生器件有：快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。晶闸管T在工作过程中，它的阳极（A）和阴极（K）与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。2.6单结晶体管单结晶体管单结晶体管（简称UJT）又称基极二极管，它是一种只有一个PN结和两个电阻接触电极的半导体器件，它的基片为条状的高阻N型硅片，两端分别用欧姆接触引出两个基极b1和b2。在硅片中间略偏b2一侧用合金法制作一个P区作为发射极e。其结构、符号和等效电路如图9所示：图9单结晶体管只有一个PN结作为发射极而有两个基极的三端半导体器件，早期称为双基极二极管。其典型结构是以一个均匀轻掺杂高电阻率的N型单晶半导体作为基区,两端做成欧姆接触的两个基极，在基区中心或者偏向其中一个极的位置上用浅扩散法重掺杂制成PN结作为发射极(图中)。当基极B1和B2之间加上电压时（图中b），电流从B2流向B1,并在结处基区对B1的电势形成反偏状态。如果将一个信号加在发射极上，且此信号超过原反偏电势时，器件呈导电状态。一旦正偏状态出现，便有大量空穴注入基区，使发射极和B1之间的电阻减小，电流增大，电势降低，并保持导通状态，改变两个基极间的偏置或改变发射极信号才能使器件恢复原始状态。因此，这种器件显示出典型的负阻特性（见图c）,特别适用于开关系统中的弛张振荡器，可用于定时电路、控制电路和读出电路。

3总体设计3.1整体设计原理图运用Protel99SE软件，绘制出原理图如图10所示：图103.1.1原理图分析电路中，直流稳压电源电路由电源开关s、电源变压器T、整流桥堆D、滤波电容器C4和C5、三端集成稳压电路ICLM7805、限流电阻器R4和电源指示发光二极管LED组成；触摸／定时控制电路由电极片A、可变电阻器Rp1、电阻器R1、电容器C1、C2和时基集成电路IC55组成；测光调光电路由光敏晶体管Q1、晶体管Q2、单结晶体管Q3、晶闸管Q4、电阻器R2和R3、可变电阻器Rp2、电容器C3和照明灯EL组成。接通电源开关s，交流220v电压经T降压、整流桥滤波后产生＋9v电压，供给IC555和单结晶体管Q3，同时还经7805稳压、R4限流降压后将LED点亮。当人触摸电极片A时，人体感应的杂波信号加至IC555的2脚，使由IC555和Rp1、R1、C1、C2组成的单稳态电路翻转，由稳态变为暂稳态，IC555的3脚输出高电平，测光调光电路导通，EL点亮。与此同时，C1经R1和Rp1缓慢充电，当C1两端电压充至一定值时（40-60min)，单稳态电路恢复为稳态，IC555的3脚由高电平变为低电平，Q1、Q2、Q3和Q4截止，EL熄灭。Q1用来检测室内光线的强弱，当室内光线较暗时，Q1的导通内阻变大，使Q2的工作电流增大，C3充电速度加快，触发脉冲前移，使Q4的导通角增大，EL的工作电压变高，其发光亮度增大；反之，若室内光线变强，则Q1的导通内阻变小，使Q2的工作电流下降，Q4的导通角变小，EL的工作电压降低，其发光亮度减弱。调整Rp1的阻值，可改变EL定时点亮的时间；调整Rp2的阻值，可改变光控的灵敏度。

总结本课题利用三端稳压集成电路LM7805做直流稳压电源电路、555时基集成电路做定时电路、与测试调光电路制作而成的视力保健灯电路具有触摸式开灯和定时关灯功能，能根据室内光线的强弱自动的调整灯光亮度。因而，此视力保健灯能达到节能环保以及保护眼睛的作用。在此次课程设计过程中，我受益匪浅，感受颇多。首先，通过此次课程设计，我学习并积累了很多知识与经验。在这两个多星期的课程设计过程中，我查找了很多资料，阅读了相关文献，了解了很多陌生或已经遗忘的知识，诸如直流稳压电源电路的结构、集成稳压电路lm7805的功能特性、如何利用Protel99SE绘制电路原理图以及制作数据库中不存在的元件等等。其次，此次课程设计激发了我对电子产品设计的极大兴趣。在最初接触这个设计时，学艺不精的我还是很茫然，不知所措的。但是课程设计必须要完成，这种压力也因此成为了我的动力。通过了两个多星期的不懈努力学习、查资料，终于完成了本次以“视力保健灯设计”为课题的设计。看到自己的劳动成果，我很是欣喜，也因此使我对电子产品的设计产生了浓厚的兴趣。最后，通过这次课程设计，我也发现了自身的很多不足之处，有些数电方面的知识掌握的还不够扎实，不能灵活的将学到的知识应用于实践中。在以后的学习中，我会不断的完善自我，不断进取，使自己能够在电子产品设计方面取得更进一步的成就。

致谢此次课程设计的完成，不是我一个人力所能及的。首先，感谢学校的精心培养，使我更适应社会的需求；其次，要特别感谢我的指导老师李老师，她的前期耐心讲解与指导是我得以完成这次课程设计的根本前提。当然，在这次课程设计过程中，也得到了很多同学的帮助，他们的或多或少的帮助都让我备受感激。再次感谢指导老师和帮助过我们的同学们，谢谢你们！

参考文献[1]臧春华等，电子线路设计与应用[M].北京：高等教育出版社，2006。[2]宋家友，乐丽琴，数字电子技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2011。