楼道照明声控灯课程设计论文

吉林工程技术师范学院课程设计论文 1 第一章第一章绪论绪论 用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关， 只有在天黑以后， 当有 人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明， 当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使 有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控延时开关不仅适用于 住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积 小、 外形美观、 制作容易、 工作可靠等优点， 适合于各种楼房走廊的照明设备。 本课题研究的内容是楼道照明灯控制电路设计。通过对声光延时控制电 路的电路组成、电路原理、单元电路设计、电路调试与选择以及数据与分析 等几方面的研究，实现了声光延时楼道照明灯在白天不工作，而夜晚收到突 发声响信号时自动开灯，并延时 5s 后自动熄灭的控制要求。减小了无效电能 的损耗，达到了节能的效果。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 2 第二章第二章声控灯系统总体方案设计声控灯系统总体方案设计 2.1 设计要求： 要求电路在无光照情况下有声音信号时。 使灯 （用 LED 发光管模拟） 点亮： 无声时延迟 5 秒后熄灭， 声音间隔小于 5 秒则 LED 持续点亮， 在有光照情况下 有声无声均不点亮； 电路如果在照明灯点亮期间又有新的声源出现， 照明灯应 重新开启。 2.2 电路原理及参数计算 （1）电路原理图 图 2-1 声控部分原理图 图 2-2 总原理图 吉林工程技术师范学院课程设计论文 3 （2）电路原理 声音进入话筒转变为电信号与 R1 分压，经过 C2（10uf）电容进行信号筛 选，由电源提供 5V 直流电压，经过 R3（4.7K）电阻与接地的 R4（4.7K） 电阻产生静态工作点 Q（2.5V）直流信号从 3 引脚进入集成块 LM358 中。 在 LM358 内部， 由 3 引脚进入运算放大器的信号产生的输出信号进入负反 馈网络，C1（10uf）的作用是当信号为直流信号时反馈为 1，即静态工作点不 变。 对于 LM358 内的比较器，当有光照的时候，光敏电阻的阻值降低，光敏电 阻两端的电压也随之降低，进入 LM358 的 5 引脚的电压小于 2.5V，比较器无 输出进入 NE555，此时不工作；黑天无光时，电阻增大，两端电压增大，大于 2.5V，使比较器的输出为 1，NE555 正常工作。 当反馈电路输出的电压 U 小于 1/3VCC， 即 U 小于 1.67V 时， NE555 输出的 上升沿信号到 74HC123 的 A1（1 引脚）和 A2（2 引脚）后变为下降沿，灯亮； 当反馈电路输出的电压 U 大于 2/3VCC， 即 U 大于 3.33V 时， NE555 输出的下降 沿信号到 74HC123 的 A1（1 引脚）和 A2（2 引脚）后变为上升沿，灯灭。 （3）电路参数计算 当光线充足时，光敏电阻阻值很小，LM358 的 3 脚分压小，电压比较器输 出 1 脚为低电平。NE555 电路 4 引脚为低电平有效，此时不管 2 脚和 6 脚输入 为高或低，OUT 输出端直接复位为 0。74HC123 的 1 脚和 2 脚也为低，其 Q 端 输出也为低，Q端为高电平，发光二极管负端为高，灯不会亮；当光线不充 足时，光敏电阻阻值很大，LM358 的 3 脚分压大，故电压比较器反相输入，输 出为高电平，NE555 的直接复位端 4 脚无效。这时若有声音信号通过驻极体话 筒输入，通过电容滤波后输入 LM358 声控放大电路，经放大后输入 NE555 的 2 脚和 6 脚，正弦波形被施密特变换为反相矩形波。NE555 的 2 脚和 6 脚输入大 于 cc V 2 1 的电压，3 脚输出 OUT 由低变为高，74HC123 的 1 脚和 2 脚接收到一个 上升沿脉冲，输入到 74HC123 单稳态触发器后再次经波形变换，Q 端产生一个 上升沿脉冲。由于 LED 接入 74HC123 的 Q引脚，故其在 Q引脚是一个下降 沿脉冲， 此时发光二极管负端为低， 灯会亮， 亮时延迟时间为脉冲宽度stw5。 声音信号消失，Q 端上升沿维持 5s 后灯会自动熄灭。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 4 要使 LM358 的声控放大电路的放大倍数为 3050， 0 1 1 V RR R V f I 即 1 f 1 R R Av,可选用 1 R=4.7K、 f R=150，此时算得9 .32 v A。 VVcc5，要使 LM358 的 2 脚和 5 脚的电压为VVcc5 . 2 2 1 ，必须选用两对 阻值一样的电阻，这里在 5 引脚选用 4.7K，在 2 引脚选用 1K。 要使延时时间为 5s，即使2ln extextw CRt=5s，选用 150的电阻和 47uF 的 电容，即在 14 脚和 15 脚间接入 47uF 的电容，在 15 脚和 cc V间接入 150电 阻。 2.3 元器件的介绍及其功能 此次课程设计主要有 LM358、NE555 和 74HC123 三个集成器件，发光二极 管，光敏电阻，驻极体话筒以及电阻和电容等基本电路元器件。 （1）LM358 LM358内部包括有两个独立的、 高增益、 内部频率补偿的双运算放大器，适 合于电源电压范围很宽的单电源使用， 也适用于双电源工作模式， 它的使用范 围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其 他所有可用单电源的运算放大器的场合。 LM358其内部电路及管脚排布如图2-3所示： 图 2-3 LM358 内部电路及管脚排布 （2）NE555 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。 555 定时器 的电源电压范围宽，可在 4.5V 到 16V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而 其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠， 只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特 吉林工程技术师范学院课程设计论文 5 触发器等脉冲产生与变换电路。 NE555 是一种应用特别广泛作用很大的集成电路， 在很多电子产品中都有 应用。NE55 的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时 序脉冲。 NE555 内部结构及引脚排如下列图 2-4 所示： 图 2-4 NE555 的内部结构及引脚排列 （3）74HC123 74HC123 是一款高速 CMOS 器件，74HC123 引脚兼容低功耗肖特基 TTL （LSTTL）系列。74HC123 遵循 JEDEC 标准 no.7A。 74HC123 是双路可再触发单稳多谐振荡器，可通过多达 3 种方式实现输 出脉宽控制。74HC123 的 nA 和 nB 输入带施密特触发功能，使得电路对缓慢 的输入上升和下降具备更高的容差性。 74HC123 参数 74HC123 基本参数 电压2.06.0V 驱动电流+/-5.2 mA 传输延迟26 ns5V 74HC123 其 他特性 逻辑电平CMOS 功耗考量低功耗或电池供电应用 74HC123 封 装与引脚 SO16, SSOP16, DIP16, TSSOP16 74HC123 特性： DC 通过高有效或低有效输入触发 可再触发， 以适应超 长脉冲，最高可达 100%占空比 可直接复位，终止输出脉冲 除了复位输入， 所有输入带有施密特触发功能 ESD 保护 HBM EIA/JESD22-A114-C 超过 2000 V MM EIA/JESD22-A115-A 超过 200 V 。温度范围 ：-40+85 、 -40 +125 。器件中单稳触发器作用是不管触发信号持续多长时间，只固定维持 外围阻容给定的一段时间就恢复触发前状态， 外围电阻电容决定单稳时间， 因 为触发是由边缘触发， 上升或下降沿。 可再触发单稳不同之处是前次触发后的 单稳没有恢复触发前状态而又有触发信号时， 可再触发单稳将在触发边缘开始 吉林工程技术师范学院课程设计论文 6 继续维持阻容给定的单稳时间， 而单稳是不理会在翻转后的触发信号的。 此芯 片也可做多谐振荡器用。 74HC123 的引脚排列、内部结构及功能表如图 2-5，2-6 及表 2-1 所示： 图 2-5 74HC123 引脚图 图 2-6 74HC123 内部结构 表 2-1 74HC123 功能表 吉林工程技术师范学院课程设计论文 7 74HC123 单稳态触发器。它有两种输入，A 为低电平有效，B 为高电平有 效。有两种输出，正好相反。用外接的电阻电容作定时元件，时间自己定，比 74LS 电路易用。 单稳态触发器 74HC123 及外围电路来实现该功能。74HC123 为双可重复触发的单稳态， 其输出脉冲的宽度主要取决于定时电阻 R 与定时电 容 C，脉宽的计算为电容值与电阻值的乘积即：WP=RC，在实际设计中 R=5kW， C=80pF，输出脉宽为 400ns、幅度约 5V。脉冲快沿放大与射极跟随输出电路， 主要作用是对整形与展宽后的触发脉冲进行加速和放大， 以便得到有较高幅度 和较快上升沿的脉冲信号去触发场效应管 2SC3306。 （4） 、驻极体话筒 驻极体话筒：驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的 特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话 筒。 由于输入和输出阻抗很高， 所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作 为阻抗转换器， 为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。 驻极体话 筒如图 2-5 所示： 图 2-7 驻极体话筒 （5） 、光敏电阻 光敏电阻： 又叫光感电阻， 是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随 入射光的强弱而改变的电阻器。入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。 通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射 时，半导体片内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。如图 2-6 所示： 图 2-8 光敏电阻 吉林工程技术师范学院课程设计论文 8 （6）发光二级管 发光二极管简称为 LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成 的二极管， 当电子与空穴复合时能辐射出可见光， 因而可以用来制成发光二极 管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管 发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。 它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，发光二极管与普通 二极管一样是由一个 PN 结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正 向电压后，从 P 区注入到 N 区的空穴和由电子，在 PN 结的附近分别与 N 区的 电子和 P 区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和 空穴所处的能量状态不同。电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的， 释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光 的二极管。如图 2-9 所示： 图 2-9 发光二级管 2.4 方案论证 利用声控， 光控电路将声音信号， 光信号转化为电信号， 其中的运放 LM358 将信号放大，用 555 构成的施密特触发器对波形整形，使输出为方波，用 74HC123 单稳态触发器控制延时时间，接 LED 发光二极管，从而实现整个电路 的设计。声源产生的声音信号，经声电转换器后转换成微弱的电信号，该信号 经放大后送处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成 一次状态改变的控制信号，该信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要 求功能，经执行机构直接控制负载动作。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 9 第三章第三章 电路的焊接与调试电路的焊接与调试 3.1 电路的焊接 (1) 焊接顺序： 先测量，作好记录、清洁、挂锡、焊接、最后在检查测量。 (2) 焊接方法： 将元器件合理的安排好后， 直立电烙铁， 接触焊锡， 为了是器件整体美观， 尽量要求焊接上的器件里版面越 0.2 毫米。焊点尽量圆滑美观。 3.2电路的调试 在电路板焊接完成后， 先用万用表检查各接线是否焊接良好， 是否有松动 和漏焊。把焊接好的电路板接到 5V 电源上，在接入电源的时候正负极及地线 一定要接对，如果担心线路有错误而把电路板烧坏，可以先用万用表测 LM358 的 2 脚、3 脚以及 5 脚、6 脚电压是否为 2.5V 进行观测。出现的问题及解决方 法：接好 5V 电源后灯一直亮，延时电路没有起到作用。检查电路，发现发光 二极管接了 74HC123 的 8 脚没有焊牢固。仔细焊接后，再次接电源，灯亮了但 不符合条件，即使通电后有延时，但声控部分不好使，重新检查下发现犯了一 个很低级的错误，原来 358 的电源和地没有接号，重新焊接又接到电源上，电 路板终于能够正常工作。 吉林工程技术师范学院课程设计论文 10 第四章第四章 总结与展望总结与展望 在这两周的电子技术课程设计中，我做的课题是“声控灯” 。这是一种声 音控照明灯，它可以用于楼梯、过道、库房的场合。白天光照好，不管过路 者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到 有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过一段时间后又自动熄灭，起到了节 能的作用。 本次的声光控制开关的设计实践将我们学到的知识应用到了实践， 深化了 对数字电路设计、和模拟电子设计的认识，使我们在设计的实践中获得新知。 学习的理论知识和实践操作，我不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是 我通过自己的独立动手，老师和同学的耐心指导下，让我学会了分析电路、 设计电路的步骤。在此设计中利用到了放大 、光敏、延时的知识,让我们进 一步巩固和掌握所学的基础知识，加深对