❀工信工实验参考——《模电课设人体感应LED灯》
仅供参考，模电实验老师人很好，所以请还是要先自己完成咯。
免责声明，本人菜只因一只，内容仅供参考，错了不负责哈这份报告中有相当多的口水话，请自动跳过。元件参数推导很多是倒推的dddd，但参数设置应该是基本上问题不大的。
时间比较久远我也记不清我的报告里面有没有瞎扯的参数了，也有可能有个别的错误。所以在参考之前还是要先最好看一遍老师发的各芯片和电路的手册hhh
还有需要提醒的是这个报告里的电路图应该没什么错，但实际上是绝对不可以用来仿真的，是当时赶报告随便画来充数的，请避雷
课题名称
人体感应LED灯
一、选题背景
1.1设计任务
设计制作一个人体感应的LED灯电路，具有照明、夜间自动感应亮灯、信号灯等功能。
1.2:设计及指标要求
①具有常亮、夜间感应两种模式
②夜间感应模式下，人接近即亮灯；延时5秒灭灯,且延时时长可在较大范围内调节。
③信号灯模式，信号周期为0.5秒，亮灯时间占比50%。
④可连续调节亮度
1.3:选题背景
随着电子信息技术的发展，信息化、数字化的洪流已经向我们奔涌而来。这种革新已经慢慢渗透在我们生活的方方面面，智能家居就是其中一个侧面。与传统家居相比，智能家居能与万物互联，能贴近用户需求、更符合可持续发展的理念。因此在家居智能化的大背景下，人体感应LED灯的选题应运而生。一方面，人体感应功能更贴近用户需求，尤其是夜间；另一方面LED灯本身有灯体小巧，能耗较低，光强较强，坚固耐用，寿命较长灯特点，与低碳环保的可持续发展理念相契合。因此本次课程设计选题为设计与制作人体感应LED灯电路。
二：方案论证
2.1：设计思路
图2.a总体设计思路流程图
总体设计思路为先分再总。分别先为红外感应模块、延时电路模块、波形发生模块、驱动电路模块选择对应的方案，再思考不同模块之间的接口问题，如电压，电流的适配，信号的传输与接收元件等。
2.2：设计方案
2.2.1：方案一
①原理框图:
图2.b方案一原理框图
②补充说明：
1）原理框图的箭头指的是信号的传输。红外的输出信号传至555定时器的输入端；555定时器、常亮模式（即12V直流电源）、非门多谐振荡电路的输出输至SN3350构成的LED灯驱动电路的输入端；同时PWM 的输出输至SN3350的ADJ端，最后驱动电路的信号输至LED作为电压点亮灯泡。
2）电位器直接调光的实现方案为直接将电位器接在驱动电路的信号输入端，通过调节电位器来调节输入驱动电路的电流与电压大小。
2.2.2：方案二
①原理框图:
图2.c方案二原理框图
2.3：方案论证与比较
将从实现难易程度、电路耗能、电路成本、稳定与安全性四个角度综合考虑两个方案的优劣，最终决定该作品选择哪个方案。
2.3.1 从实现难易程度看：
从各个模块来看，方案一中的“基于555定时器的可调时电路”的电路图比“时间可变定时器电路”要简单；“非门构成的多谐振荡电路”比“NE555定时器构成的多谐振荡电路”简单；“基于SN3350构成的LED灯驱动电路”比“基于PT4115构成的可调光LED灯电路”简单。（此处电路实现难度主要由电路元件数量，接线数量及芯片使用难度来决定）
表2.a各模块实现难度比较表
| 方案一各模块实现难度 |
实现难度比较 |
方案二各模块实现难度 |
| 基于555定时器的 可调时电路 |
< |
时间可变定时器电路 |
| 非门构成的多谐振荡电路 |
< |
NE555定时器构成的 多谐振荡电路 |
| 基于SN3350构成的 LED灯驱动电路 |
< |
基于PT4115构成的 可调光LED灯电路 |
2.3.2 从电路能耗看
在调光模块中，若使用电位器直接调光，要选用较大电阻的电位器（远大于负载电阻）不然会导致无法将灯光调灭。且因为电位器与负载为串联关系，因此较大阻值的电位器会消耗相当一部分的功率，增加电路耗能。
2.3.3 从成本上看
芯片价格一般高于其余元件，方案一中用到芯片为2个NE555，1个74LS00,1个SN3350；方案二中用到的芯片为2个NE555，1个PT4115，2个CC4098。
备注：①芯片零售与批量购买价格相差较大，因课题中只做一个LED灯，因此我们用芯片零售价格作为考虑指标②不同厂家对同一芯片定价差异较大，因此统一用淘宝“telesky”中的价格考虑。
其中用到的芯片价格如下：
表2.b芯片价格表
| 芯片名称 |
价格（￥/个） |
| NE555 |
0.378 |
| 74LS00 |
0.22 |
| SN3350 |
0.9 |
| PT4115 |
1.7 |
| CC4098 |
1.4 |
因此算得方案一成本约为1.876￥，方案二的成本约为5.256。方案一成本低于方案二。
2.3.4 从电路可靠、稳定与安全性看：
安全性看，方案一、二中的元件与芯片都是在低压、直流下应用安全性都有保障。
可靠与稳定性看，直接由电位器调光在实际应用时难以通过电脑用数字化方式调节，使光强不稳定，不如用PWM调光。
2.4 最终方案选择
综上所述，结合实际情况，实现难易程度和电路可靠及稳定性在比较中应占较大权重，因此选择方案一，即红外感应模块、基于555定时器的可调时电路（延时电路）、非门构成的多谐振荡电路（波形发生电路）、基于555定时器的PWM调光（调光模块）、基于SN3350构成的LED灯驱动电路（驱动模块）。
表2.c方案一各子模块解决方案
| 子模块 |
采用方案 |
| 延时电路 |
基于555定时器的可调时电路 |
| 波形发生电路 |
非门构成的多谐振荡电路 |
| 调光模块 |
基于555定时器的PWM调光 |
| 驱动模块 |
基于SN3350构成的LED灯驱动电路 |
三：电路理论设计
3.1 调光模块
3.1.1 调光模块及其工作原理或功能说明
我们选择基于555定时器的多谐振荡器作为调光模块的主要电路。
电路图：
工作原理：
[2]将555定时器的v11和v12端连在一起可以构成施密特触发电路，然后将v0（输出）经过RC积分电路接回输入端，且充放电通路分别用二极管D1，D2进行隔离， 可以得到多谐振荡电路。而在普通的多谐振荡电路中将其中一个定值电阻R1改为电阻其使得电路占空比可调。因此据此电路图我们可得：
充电周期为TR1
TR1 =0.7R1C （3-1-1-1）
放电周期为TRW2
TRW2=0.7RW2C （3-1-1-2）
电路振荡总周期为TADJ
TADJ= TR1 +TRW2 （3-1-1-3）
占空比q
q= TR1/ TADJ （3-1-1-4）
将可调占空比的矩形波信号输至驱动电路3脚（ADJ端，即多功能开关亮度控制）。通过调整占空比，可改变单位时间内LED灯亮光时间。而且在信号频率足够快，[3]快至人眼无法分辨时，人看到的光是连续不间断的，且单位时间内亮光时间越长，人眼会看到灯的光强越亮。[4]通过查询资料可知信号频率最好在16FPS以上人眼才无法分辨且看到连续不间断的灯光。
模块功能：
通过调节电位器的值从而改变输出方波的占空比，将输出接至驱动电路（SN3350）的3脚（ADJ端）进而调节LED灯光强。
3.1.2：调光模块元件选取与计算
根据上述工作原理和用户需求，该模块需满足下列参数要求：
①f>100HZ，TADJ<10mS（因为频率低时人眼可看到灯泡闪烁，而不是连续光）
②占空比q调节范围：q∈（0，100%）
③Vo ≤4V（避免烧掉驱动芯片SN3350）
因此根据上述要求进行计算和元件选取：
① ∵ (R1+RW2)C< TADJ
∴ (R1+RW2)C<0.01
② ∵qmax =（RW2max+R1）/RW2max≈100% (3-1-2-1)
∴RW2max>>R1
所以设电容C=220 mF则可得调光模块中各元件参数：
表3.1.a调光模块各元件参数
| R1 |
2kΩ |
| RW2 |
10kΩ |
| D1、D2（整流二极管） |
1N4001 |
| C |
1mF |
| Cground |
0.01mF |
| Vcc |
3.3V |
图3.1.a NE555引脚图
[5]表3.1.b NE555真值表
| 输入 |
输出 |
|||
| RD’ |
V11(TH) |
V12(TR’) |
vo |
TD状态 |
| 0 |
× |
× |
低 |
导通 |
| 1 |
>2/3Vcc |
>1/3Vcc |
低 |
导通 |
| 1 |
<2/3Vcc |
>1/3Vcc |
不变 |
不变 |
| 1 |
<2/3Vcc |
<1/3Vcc |
高 |
截止 |
| 1 |
>2/3Vcc |
<1/3Vcc |
高 |
截止 |
3.2：波形发生电路模块（信号灯控制信号的生成）
3.2.1：波形发生电路及其工作原理或功能说明
我们选择基于非门构成的多谐振荡电路作为波形发生电路模块的主要电路。
电路图：（应有两幅）
图3.2.a波形发生模块电路图
工作原理：
分析图XXX，在 E 点，当 E＝0 变为 E＝1 的瞬间，C 两端的电压无法突变，故A＝1、B＝0，C 经过R 开始充电（充电电流IC）。随着充电过程的持续，A 点的电位逐步下降，当其电位降低至D1的转换阈值时，D1输出端（B 点）由“0”转变为“1”，D2输出端（E 点）由“1”转变为“0”，实现了电路的一次翻转。
同理，电路翻转为 E＝0 的瞬间，由于 C 两端的电压无法突变，故A＝0、B＝1，C 经过 R 开始放电（放电电流IC‘ ）；随着放电过程的持续，A 点的电位逐步升高，当其电位上升至D1的转换阈值时，D1输出端（B 点）由“1”转变为“0”，D2输出端（E 点）由“0”转变为“1”，实现了电路的再次翻转。
如此循环，形成了电路的自激振荡，振荡周期为T。
T=1.4RC (3-2-1)
将自激振荡产生的方波送至驱动模块的输入端，使得最终LED闪烁发亮，且亮灯与灭灯时间相同（因为是方波）。
模块功能：
产生方波，将方波送入驱动模块输入端从而实现信号灯功能。
3.2.2：波形发生电路元件选取与计算
根据上述工作原理和用户需求，该模块需满足下列参数要求：
①T=0.5S
②两个非门电路
因此根据上述要求进行计算和元件选取：
①∵T=1.4RC
∴RC=0.357
②集成芯片74LS00一片（74LS00为4二输入与非门芯片。但只要将两输入端短接可将与非门做非门使用）
图3.2.a 74LS00引脚图
图3.2.b 74LS00真值表
所以设电容C=220 mF则可得调光模块中各元件参数：
表3.2.a 波形发生电路元件参数
| C |
220mF |
| R |
1.6kΩ |
3.3：延时电路模块
3.3.1：延时电路及其工作原理或功能说明
我们选择基于555定时器的可调时电路作为延时电路模块的主要电路。
电路图：
图3.3.a延时模块电路图
工作原理：
该电路的工作原理是：电路输出端（IC 的引脚 3）平时均处于低电平状态，U0＝0V。当 SB 被按下时，C2迅速充满电，PNP 型晶体管 VT 的基极电压为“0”，其发射极电压也为“0”（忽略管压降），使时基电路 IC 构成的施密特触发器发生翻转，输出端（引脚 3）变为高电平，U0＝12V，延时开始。SB 被松开后，C2上的电压经VT、R2和RP 缓慢放电，VT 的发射极电压也从“0V”开始缓慢上升；直至发射极电压升高至施密特触发器的翻转阈值时，触发器再次翻转，输出端变为低电平，U0=0V，延时结束。因此该模块能将触发信号变为矩形脉冲信号达到延时的效果。
根据电路图，SB为启动按钮，R1为保护电阻避免开关短路，C2为滤波电容，C1为定时电容，RP,R2为定时电阻，通过调节RP可以调节延时时长。电路中的晶体管VT构成阻抗变换电路，可将定时电阻等效电阻提高β倍，从而在小电阻小电容的情况下实现较长延时时长。
∵RP，R2和C1共同决定延时时长，因此可得延时时长Δt
Δt=β（RP+R2）C1×ln3 （3-3-1-1）
模块功能：
将开关摁下带来的触发信号转化为持续Δt时长的矩形脉冲信号，从而达到延时的效果。
3.3.2：延时电路元件选取与计算
根据上述工作原理和用户需求，该模块需满足下列参数要求：
- 延时时长可调节，且调节范围应至少为1s~60s
因此根据上述要求进行计算和元件选取：
- Δt=β（RP+R2）C1×ln3
1s≤Δt≤60s (3-3-2-1)
取C1=18mF，可得
505.6Ω≤RP+R2≤30.33kΩ
因此取R2=510Ω，RPmax=50kΩ
表3.3.a延时电路元件参数表
| R1 |
100Ω |
| C2 |
0.1mF |
| R2 |
510Ω |
| RPmax |
50kΩ |
| C1 |
18mF |
| VT |
9012（PNP） |
| Core chip |
NE555 |
3.4：LED驱动电路模块
3.4.1：LED驱动电路及其工作原理或功能说明
我们选择基于SN3350构成的高效高亮度 LED 灯驱动电路。
工作原理：
SN3350 内部集成功率管，采用高位电流检测，可以通过外部电阻设置平均工作电流。输出电流还可以通过在 ADJ 引脚施加控制信号来设置。ADJ 引脚可以接受的控制信号有直流电压或 PWM 信号。当 ADJ 引脚电压低于 0.2V 时芯片将关断，并进入功耗模式。
模块功能：
接收从延时电路、波形发生电路或常亮电路传输的信号作为输入电压，通过调节调光模块输出波形的占空比并接至驱动电路3端，可以得到可调光强且可实现夜间感应、信号灯、常量功能的LED灯。
3.4.2：LED驱动电路元件的选取与计算
根据芯片配套pdf中的典型驱动电路并结合现有元件，我们得到该模块各元件参数取值
表3.4.a驱动模块各元件参数
| C1、C2 |
1μF |
| L1 |
47μH |
| R1 |
0.15Ω |
| D1（整流二极管） |
1N4001 |
3.4整机电路
3.4.1 整机电路图
3.4.1.a 整机电路图
3.4.2 元、器件清单
表3.4.2.a 元器件清单
| 元件类型 |
参数(个数) |
模块 |
| R |
0.15Ω |
驱动 |
| 100Ω |
延时 |
|
| 510Ω |
延时 |
|
| 1.6kΩ |
信号发生 |
|
| 2kΩ |
调光 |
|
| Rw |
10kΩ |
调光 |
| 50kΩ |
延时 |
|
| C |
0.01μF |
调光 |
| 0.1μF |
延时 |
|
| 1μF（3） |
调光、驱动（2） |
|
| 18μF |
延时 |
|
| 220μF |
信号发生 |
|
| L |
47μH |
驱驱动动 |
| D（整流二极管） |
1N4001（3） |
调光（2）、驱动 |
| VT |
9012（PNP） |
延时 |
| NE555 |
（2） |
延时、调光 |
| SN3350 |
（1） |
驱动 |
| 74LS00 |
（1） |
信号发生 |
3.4.3 电路实现的功能和系统使用说明
功能：具有延时、信号灯（闪烁）、调光功能。
系统使用说明：通过开关（实验中拔插导线）更换功能。延时功能是通过机械开关实现延时。
四、仿真验证
略
五、电路调试
略
六：性能指标的测量、分析及结论
略
七、课程设计总结
略
八、参考文献
- https://wenku.baidu.com/view/44b79a005acfa1c7ab00cc7c.html. 2015-05-06
- 阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2016.379
- 时维强,季辉,潘希峰,高尚.多种中间视觉光度学模型的比较研究[J].照明工程学报,2021,32(06):134-138.
- 于硕,李慧,桂方俊,杨彦琦,吕晨阳.复杂场景下基于YOLOv5的口罩佩戴实时检测算法研究[J].计算机测量与控制,2021,29(12):188-194.DOI:10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2021.12.035.
- 阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2016.376
四五六七节的内容不太重要都是口水话，比较需要关注的参数设置已经基本上展示了。
最折磨的还是焊芯片hhh