基于声音光信号传感器的声光控制电路.doc

基于声音，光信号传感器的声光控制电路设计年级：2011级班级：通信工程（2）班学号：20110610080227姓名：邓伟目录摘要2第一章 绪论.3第二章 处理器芯片与传感器件介绍.4第三章 单元电路原理及设计5第四章 整体电路组成及工作原理.9第五章 元件参数计算.10第六章 电路仿真13第七章 总结15参考文献.16摘要本文主要设计声光控延时电路，文中介绍了多种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好。声光控是通过光敏电阻来实现的，当光敏电阻在背光的的时候灯就会慢慢的熄灭，此时行人已经通过。白天光照好，无论过路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。夜晚光暗，电路的声音传感器只要检测到有声响，就会自动亮为行人照明，过数十秒后又自动熄灭，节能节电。关键词：传感器、声音传感器、光敏电阻In this paper, the design of acousto-optic controlled time delay circuit, composition, performance variety of sound and light control of street lamp controller is introduced in this paper, and the application of the principle, give the circuit diagram and component parameters, energy-saving effect is very obvious, but also greatly reduces the amount of repair, save money, use good effect. Sound and light control is achieved through the photosensitive resistance, when the photosensitive resistance when the backlight lamp will slowly extinguished, the pedestrian has passed. Day light is good, no matter how sound passer issued, the lamp is not lit. The dark night light, sound sensor as detection circuit to have broken the sound, it will automatically light for the pedestrian lighting, for several seconds later and automatic extinguished, energy saving. Keywords: sensor, a sound sensor, photoresistance第一章 绪论随着科学技术的发展以及人们对节能意识的增强，公共场所照明控制手段也将逐步更新，除现在已有的声光控开关外，还有微波感应开关和热释远红外感应开关。目前，微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关在性能上较为理想，但安装复杂，比较娇气，价格也偏高，比较适合在一些管理完善的场所如宾馆、大饭店楼道及家庭走廊应用，在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等因素，根据我国国情，可以预计在相当一段时期内，声光控路灯将是首选的主流产品。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。降低能耗、节约能源、注重环保是当今世界的主潮流，高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不受欢迎。继公布“欧盟后年封杀白炽灯”的时间表后，世界各地陆续抛弃白炽灯已成定局，环保型节能荧光灯是白炽灯的替代者。本次课题是声光控路灯控制系统设计，此控路灯系统的设计采用模块化结构，主要有声控电路，光控电路，延时电路，电源电路及其他电路。在设计此控制系统时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、容易、条理清晰。同时调试起来也更容易：可以先将各个板块单独进行调试，再汇总。这样可以避免因为某个单一板块做不出来而使整个系统的设计进程无法继续。通过这次的课题研究我希望在理清它的发展脉络上进一步了解它的发明原理，将平时所学习的知识运用到实验探索上，这对提高我的动手能力、创新意识及锻炼思维活动无疑是一个莫大的帮助。同时我也希望这次的设计能让同学们进一步地了解照明灯，而不是仅局限于课本知识以内。从小的突破点入手，掌握又一项科技知识，从而实现课堂外的又一次提高。第二章 处理器芯片与传感器件介绍2.1、 CD4011芯片介绍CD4011是一个集4个2输入与非门电路为一体的芯片。CD4001BC和CD4011BC四门是整体的补充MOS(CMOS)集成电路以N-和P-channel增强模式晶体管。他们有同样的源与汇电流能力和符合标准系列输出驱动。这个装置也有缓冲输出大大提高传递特性提供非常高的增益。所有的输入是防静电放电和二极管对VDD和说明。这个系列的逻辑门用磷和氮频道增强模式在一个单一的整体结构的装置。使用他们主要是为了节省功率耗散和有较高的抗噪能力。CD4011芯片的内部结构如图1-1所示。图1-1 CD4011的内部结构CD4011的功能：4个2输入与非门CMOS芯片。电源电压范围：3V15V功耗：700mW（普通封装）；500mW（小外形封装）工作温度范围：CD4011BM -55+125 CD4011BC -40+85真值表：表1-2 与非门真值表2.2、 光敏电阻2.2.1、光敏电阻简介光敏电阻器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。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。第三章 单元电路的原理及设计3.1、声控电路的原理与结构设计3.1.1、驻极体的结构与原理构造与原理：驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。3.1.2、声控电路的结构与原理如图3-1所示声控电路由传声器BM，电阻器R2、R4，晶体管VT、电容C1和CD4011中的D1组成。图3-1 声控电路工作原理：话筒将声音信号转化为负极性的电信号，但接收到的微弱信号经C1滤波，通过由三极管VT组成的放大器把微弱的信号进行放大，其集电极输出正极性的电信号送到CD4011的2脚。并通过R4给基极提供导通电压。3.2、光控电路的原理与结构设计3.2.1、光敏电阻的结构及原理光敏电阻器又叫光感电阻，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。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。图3-2 光敏电阻构成与原理：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。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。3.2.2、光敏电阻等分立元件组成光控电路光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等。光敏器件可以用来以可见光或红外光的形式控制报警器、测试仪、自动开关、继电器等多种装置或执行机构。因此光敏器件在自动化技术中起着极其重要的作用。光敏电阻的特性与人眼最为接近，因此，光敏电阻比较适合用于声光控路灯、照相机曝光表、空气烟尘检测器等可见光装置。光敏二极管、三极管的最佳响应特性在红外区（但目前，有些日光型的光敏二极管、三极管的特性与人眼的视觉特性更趋接近），因此，光敏二极管、三极管最适合用于红外遥控系统、红外光束阻断报警器等装置。综上所述光控元件选光敏电阻。在光线较暗时，光敏电阻呈高阻态；在光线较亮时，光敏电阻呈低阻态，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。如图2-7所示光控电路由光敏电阻器RG，电阻器R5和CD4011中的D1组成。图3-3 光控电路工作原理如下：在黑暗状态下光敏电阻RG呈高阻态，电路通过R5在光敏电阻RG形成高电平。当同时有声音信号时，经过CD4011的一个与非门D1使后级电路工作。当有足够的光通量照射在光敏电阻上时，其电阻值突然降得很低，既光敏电阻两边就的电压就很小，即不能形成高电平，使其后级电路不能工作。3.3、延时电路的原理及结构设计此光控电路的延时电路采用晶闸管及RC震荡延时电路，下面对晶闸管的原理及组成作介绍：3.3.1、晶闸管的结构与原理可控硅是可控硅整流器的简称。可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。单向可控硅是由三个PN结组成的四层三端半导体器件与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制；与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用。晶闸管的工作原理分析：晶闸管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图3-4所示。当晶闸管的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时BG2导通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始导通，BG1的导通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和导通状态。电路很快从截止状态进入导通状态，这时栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持导通状态不变。如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和BG2均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少BG1和BG2的基电流也将减少，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从导通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。在实际应用中，我们可通过一个开关来短路晶闸管的阳极和阴极从而达到晶闸管的关断。图3-4 晶闸管的结构图3.3.2、延时电子开关电路如图2-11所示延时电子开关电路由二极管VD5、电容C3、电阻R8、晶闸管VT和集成芯片CD4011组成。工作原理如下：延时电路的设计主要由C3和R8组成。当夜晚有响声（如脚步声、说话声等），驻极话筒会接收到信号并通过三极管VT对其进行放大之后送到CD4011的1脚，同时光敏电阻这时也呈高阻态并送入CD4011的2脚，经与非关系后3脚输出低电平，（集成芯片引脚的连接方式如图2-11所示）芯片4脚输出高电平使二极管VD5导通对C3充电。最终芯片11脚输出高电平去控制晶闸管导通点亮灯泡L。在此期间同时通过VD5对C3快速充电，充电电流大，充电时间很短，快速将C3上电压充满，C3上所得的电压经R8对晶闸管VT的T、K级慢慢放电，此时就算没有响声灯泡仍然点亮，直到C3上的电放完，可控硅截止灯泡熄灭，等待下一次触发。图3-5 延时电子开关电路第四章 整体电路组成及工作原理综合以上各单元电路可以组成如下的整体电路原理图：图4-1 声光控开关节能灯控制电路原理图工作原理：声光控延时开关的电路原理图如图2-13所示。电路中的主要元器件是使用了数字集成电路CD4011，其内部含有4个独立的与非门D1D4，使电路结构简单，工作可靠性高。结合图4-1可知声音信号(脚步声、掌声等)由驻极体话筒BM接收并转换成电信号，经C1耦合到VT的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门(VD1)的2脚，R4、R7是VT的偏置电阻，C2是电源滤波电容。为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻RG等元件组成光控电路，R5和RG组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，RG两端的电压高，即为高电平期间t=2R8C3，改变R8或C3的值，可改变延时时间，满足不同目的。D3和D4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。当C3充电到一定电平时，信号经与非门D3、D4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；C3充满电后只向R8放电，当放电到一定电平时，经与非门D3、D4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。二极管VD1VD4将220V交流进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C2滤波后即为电路的直流电源，为BM、VT、IC芯片等供电。第五章 元件参数计算5.1、电源部分参数选择5.1.1、灯泡参数选择此设计选择的灯泡最大功率100W。5.1.2、整流电路参数选择由于本设计中灯泡功率为100W，输入电压为交流220V，由此可知：（5-1）桥式整流电路的结构决定了每只二极管在半周期里导通，所以在一个周期里流过每个管子的平均电流负载电流的一半即：（5-2）电源电路采用的是桥式整流电路故负载上的平均电压和电流均比半波整流大一倍。（5-3）二极管截止时最大反向Udm等于U2的最大值，即（5-4）考虑二极管的安全需留一定裕量所以VRM=3312=662V，所以选择IN4007作为整流电路部分整流，其耐压值为1000V，最大允许电流为3A。5.2、声控电路参数选择5.2.1、驻极体话筒参数选择在本电路中，驻极体话筒BM灵敏度由R2调整，适当调整R2，可改变BM的灵敏度。当R2=22K时，有效距离在10m左右，就可以使电灯L亮。若将R2改为44K，有效距离将缩短至5m左右。工作电压U：1.5-12V，常用的有1.5V，3V，4.5V三种；工作电流I：0.1-1mA之间；输出阻抗一般小于2K。灵敏度单位：伏/帕，国产的分为4档，红点（灵敏度最高）黄点，蓝点，白点（灵敏度最低），频率响应一般较为平坦；指向性全向；等效噪声级小于35分贝。结合整机电路分析后选择CZN17型驻极体话筒作为声控电路部分的声音信号源。5.2.2、晶体管参数选择 1、共射极电流放大系数（1）共射极直流放大系数（5-5）（2）共射极交流放大系数同一个三极管，在相同的工作条件下，与的平均值相等因而，今后就不再分区这二种参数，而统一用表示。选用管子是，值应恰当，一般来说，值太大的管子工作稳定性差。2、极间反向饱和电流：极间反向饱和电流，是三极管中少数载流子形成的电流，它的大小表明了三极管质量的优劣。直接影响它的工作稳定性。（1） 集电极基极反向饱和电流Icbo（2） 集电极发射极反向饱和电流Iceo这两种反向饱和电流的关系为：（5-6）Iceo与Icbo都随温度的升高而增大。在选用管子时。应选反向饱和电流小的管子。综合电路附录1整机原理图可选择S9014作为声控电路放大声音信号作用。5.3、光控电路的参数选择电阻灵敏度（SR）：指光敏电阻在规定光强照射下的电阻的变化率。其计算表达式为：（5-7）电流灵敏度（SI）：是指光敏电阻在规定光强照射下的光电流（IL）与光通量（）之比值，其计算表达式为：（5-8）工作电压（VG）：指最大的工作电压（VM）光敏电阻在额定功耗下所允许承受的最大工作电压。（5-9）额定功率（PM）：指光敏电阻在规定的工作条件与连续负荷自身温升不超过最大工作温度情况下所允许消耗最大功率。（5-10）工作温度范围：合适光敏电阻正常工作的温度范围。时间常数（）：光敏电阻的时间常数也称为光感惯性。它是指光敏,电阻从光照电阻值跃变开始，到稳定电流值的63%所需的时间。 结合整机电路分析后选择MG45-5K的光敏电阻作为光控电路部分元件。5.4、延时电路参数选择在本设计中延时电路部分时间T的计算：（5-11）5.4.1、晶闸管的参数选择结合整机电路图分析后选择MCR100-6，主要参数:电流-IT(RMS):型号MCR100-6，允许最大电流0.8A，允许最大电压400V，触发电流10-30/30-60mA结温110，其反向击穿电压大于100V。第六章 电路仿真6.1、总体电路图注：由于Multisim12.0仿真软件中找不到CD4011芯片，而该芯片本身是由4个与非门组成的，所以用了4个4011BD-5V的与非门来代替；Multisim12.0中找不到话筒这个器件，经过上网和查资料得知可以用一个1mV、1KHz的信号源来代替，当开关A闭合时表示有声音响，即接收到声音信号；R5（10M）和R6（10K）两个电阻分别模拟有光和没有光，当电键B闭合，R5接通，此时相当于晚上没有光线，而当电键C闭合，R6接通时则模拟白天有光线。这两个电阻就模拟光敏电阻。由于在用仿真软件进行电路仿真时有些器件找不到，所以有些东西就用其他器件替代，所以仿真电路图可能与电路原理图存在一定的差距。但是设计要求实现的功能都能实现。6.2、模拟白天工作情况当开关C闭合，表示的是白天有光线，那么当闭合A模拟有声音响动时可以看到发光二极管不会发光。6.3、模拟晚上工作情况当开关B闭合，表示的是晚上没有光线，当闭合A模拟有声音响动，可以看到发光二极管发出黄色的光。第七章 总结 我这次课程设计的题目是“基于声音、光信号传感器的声光控制电路”。在刚开始做时看到别的同学选的都是温度传感器、压力传感器、甲醛传感器等等。然后我就在考虑自己的选