声光控LED节能照明灯设计.doc

威威 海海 职职 业业 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 专业专业 应用电子技术应用电子技术 毕业设计指导须知毕业设计指导须知 一 毕业设计是高职教学过程中一个十分重要的环节 是锻炼学 生运用所学知识正确分析和解决实际问题的一个重要方面 也是高职 培养应用型专门人才的要求 二 导教师应为具有讲师以上或相应职称的有关专业人员 且专 业对口 指所指导专业应同所聘教师专业职称相一致 经系 教务 处审查同意后 才能指导学生的毕业设计 三 学生应以严肃认真 实事求是的态度完成设计 要独立思考 自己动手 不得抄袭或找人代笔 四 毕业设计选题要符合专业培养目标的要求 论文 任务书 写作要做 到论点明确 论据充分 论理透彻 语言准确恰当 书面整洁 字迹工整 图纸应清晰 工整 符合设计要求 符合国家有关标准和部颁标准 字数 图纸数量符合有关要求 并在规定的时间内完成 五 答辩过程中学生要严认真 文明礼貌 谦虚谨慎 认真回答 答辩主持人 委员等提出的问题 六 填报有关表格时 应按项目要求逐项填实 填全 填清 声光控LED节能照明灯设计 摘 要 常言道 眼睛是心灵的窗户 我认为灯则是指引心灵的方向标 在生活中 我们 无时不在地使用着灯 诸如台灯 路灯 日光灯 探照灯 彩灯等等 但不管是什么 样式的灯 它们的作用都是一致的 照明 因此 设计一个既实用又方便的照明灯 则是我们人类共同的愿望 而生活中我们用的最为平常的灯则是楼道里的照明灯 住 过居民楼的人都应该知道 楼道很窄 晚上行走很不方便 如果让楼道的照明灯一直 亮着 则难免会浪费国家资源 因此设计一种既不浪费国家电力又很方便实用的照明 灯系统是很有实用价值意义的一件事 该设计主要介绍的是关于声光控的电路设计 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 即这时也是人走过了的时候 在有的 电路中这种原理也可以通过声音的振动来实现 当人走过是只需用手轻排一下灯就会 自动的亮 人离开后又熄灭 这样就给路人提供了相应的方便 同时 也达到了节电 和节能的目的 延长灯的寿命 在实际生活中节电节能 能够实现更多的自动化 在学校 机关 厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道 长明灯现象 十分普遍 这造成了能源的极大浪费 另外 由于频繁开关或者人为因素 墙壁开关 的损坏率很高 增大了维修量 浪费了资金 同时 为了加强我们对模拟电子技术 数字电子技术 电子工艺的理解和巩固 我花了一个月的时间进行毕业设计 而我设 计的课题是声光控制照明灯的设计 我设计了一种电路新颖 安全节电 结构简单 安装方便 使用寿命长的声光双控白炽灯节能照明灯 在本设计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 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 数十秒后又自动熄灭 节能节电 关键词 与非门放大 光敏二极管 可控开关 延迟电路 目录 声光控 LED 节能照明灯设计 11 摘 要 1 一 绪言 15 1 课题背景 15 2 课题研究的目的和意义 15 3 国内外概况 16 二 LED 灯的发展历史 16 三 LED 灯的优点 17 1 发光效率高 17 2 耗电量少 17 3 使用寿命长 17 4 安全可靠性强 18 5 环保 18 6 其他 18 四 LED 灯的发光原理 特性 18 1 LED 灯的发光原理 18 2 LED 灯的发光机理 19 3 LED 灯的发光效率 19 4 LED 灯的光学特性 19 5 LED 灯电气特性 19 6 LED 热学特性 20 7 大功率 LED 封装 20 8 LED 灯的寿命 20 五 LED 的主要参数 20 1 主要参数 20 2 LED 电学特性 20 1 正向死区 21 2 正向工作区 21 3 反向死区 21 4 反向击穿区 21 3 最大允许功耗 PFM 21 4 响应时间 22 六 方案选择 22 1 LED 利用门电路来完成声光控的调节 22 2 采用 LM317 供电 23 3 使用了数字集成电路CD4011 24 七 总体方案 25 1 课题分析 25 2 设计方案 25 3 方案论证 25 4 电路的工作原理 26 5 器件的选择及检测方法 30 1 ic 选择 cmos 数字集成电路 cd4011 30 2 测量方法 30 6 安装制作 33 八 结果和结论 33 1 实验结果 33 2 实验结论 33 九 总结 34 十 谢辞 34 十一 参考文献 35 一 绪言 随着电子技术的发展 尤其是数字技术的发展 用数字电路技术实现灯的自动发 亮 节能节电 延长灯的寿命变得越来越重要 而且贴近我们的实际生活 声光控电 路已成为人们日常生活中必不可少的必需品 它不需要开关 当有人经过时会自动的 亮 广泛应用于走廊 楼道招待所等公共场所 给人们的生活 带来极大的方便 因 此 得到了广泛的应用 声光控电路是声音和光控制电路工作的电子开关 它将声音 如击掌声 和光转化为电信号 经放大 整形 输出一个开关信号去控制各种电器 的工作 在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途 由于 本电路广泛应 用于人们的日常生活中 所以 有很大的重用作用 该电路在设计时应用了仿真软件 来进行仿真然后才确定下来的 虽然用的仅仅是 EWB 软件 但是在论文中也是比较有 特色 能够使人们在不知不觉中感受方便 1 课题背景 随着千年钟声的敲响 历史的车轮被推进了一个新的世纪 21 世纪 站在新世纪 的门槛上 我们感受到的是高速发展的现代科技 也因如此 照明灯的需求也在不断 地发展 人类有意识地采用各种方法改进它 照明 不仅改变了人们 日出而作 日 落而息 的生活方式 也充斥丰富了我们的精神世界 是的 也许你不禁要问 为 什么一个小小的照明灯有如此神奇的功效 我想这要归功它的结构及发明原理啊 这 当中到底包含了多少值得我们去探索 发现的奥秘呢 带着这个问题 我们共同选择 了这个课题 一起从课题研究中找到答案 2 课题研究的目的和意义 研究目的 通过这次的课题研究我们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 这对提高我们的动手能力 创新 意识 及锻炼思维活动无疑是一个莫大的帮助 同时我们也希望这次的研究能让同学 进一步地了解照明灯 而不是仅局限与课本知识以内 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 为现代教育科学尽一份力量 研究意义 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 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 节能荧光灯 VS 白炽灯 胜券在握已无悬念 但楼道照明却限制了荧光灯的使用 因为楼道照明是非持续性的 有人经过才需要光亮 而不断的开关通断会影响荧光灯 的使用寿命 所以声光控白炽灯在楼道照明领域得到广泛应用 3 国内外概况 由于近年来我国的照明器材行业的迅速崛起 中国已经成为电光源产品的主要输 出国之一 照明器材行业属一般性竞争行业 是我国轻工业对外开放较早的行业之一 WTO 后 国际上一些知名品牌大企业相继进入国内产销领域 使得国内竞争国际化 努 力增加节能光源和不同档次 花样 不同用途的照明器具的开发 加快绿色 节能光 源产品的开发推广和应用是我国目前照明器材行业结构调整的重点 我国照明器材行 业将面临着前所未有的机遇和挑战 而由此带来的巨大商业利益也成为一些企业瞩目 的焦点 随着全球经济一体化 发达国家产业调整的步伐进一步加快 一般照明电器产品 生产大量向发展中国家转移 而中国又是一个比较适合的国家 一是中国具备生产这 些产品的条件 二是劳动力成本比较低 从而使中国逐步成为照明电器产品出口大国 展望未来的国内市场 需求仍会呈逐年增长趋势 以下强力因素都预示着我国照明市 场仍有很大的潜力可挖 基础设施建设方面 机场 铁路 港口 城市轨道交通等讯 速发展 每一项工程均需要照明 城市亮化工程方面 城市广场 绿地 道路 建筑 物泛光照明 已从大城市发展到中小城市 根据国内外市场需求预测 我国照明电器行业的高速增长期还将继续 对未来的 预测如何更加科学化是我们面临的问题 进一步提高照明产品的质量和档次进一步提 高照明产品的质量和档次 这既是当前摆在我们面前的课题 同时也是全行业共同努 力的长期目标 就国内市场需求而言 人们生活水平逐步提高 对生存环境质量的要 求也越来越高 对照明电器产品提出更高的要求 新的建筑照明标准已完成制订工作 即将批准执行 新标准基本与国际接轨 对不同场合的照明提高了要求 也需要我们 生产企业适应新标准的要求 为各类照明场所提供相应的产品 从国际市场分析 虽然我们的出口逐年大幅度增长 但我国大部分产品在国际市场仍属中低档水平 去 过法兰克福的人都有体会 我们的产品与国际先进水平相比还存在较大差距 另外 如果大量劣质低价产品出口 还会遭遇反倾销诉讼 从而影响全行业出口 因此我们 仍要大声疾呼 质量是企业的生命 我国目前已成为世界照明电器产品生产大国 我 们的目标是要成为照明电器产品生产强国 我们与发达国家在照明电器产品的质量 档次 生产工艺 设备 材料以及新产品开发能力等方面均存在明显差距 看到我们 取得成绩的同时 也能清醒地认识我们存在的差距 才能不断地进步 让我们全行业 共同努力 为照明电器行业的健康发展做出更大的贡献 中国照明电器协会理事长陈 燕生在 2006 年 6 月 19 日时预测说 LED 可望在 5 年左右广泛应用于普通照明 二 LED灯的发展历史 LED 是一种能够将电能直接转化为可见光的半导体发光器件 材料使用 III V 族化 学元素 如 磷化镓 GaP 砷化镓 GaAs 等 发光原理是将电能直接转换为光能 也就是对化合物半导体施电流 透过电子与电洞的结合 能量会以光的形式释出 形 成发光的效果 属于冷性发光 理论寿命长达十万小时以上 最早 LED 光源问世于 20 世纪 60 年代初 当时所用的材料是砷磷化镓 GaAsP 发红光 p 650nm 在驱动 电流为 20 毫安时 光通量只有千分之几个流明 相应的发光效率约 0 1 流明 瓦 70 年代中期 引入元素铟 In 和氮 N 使 LED 产生绿光 p 555nm 黄光 p 590nm 和橙光 p 610nm 光效也提高到 1 流明 瓦 到了 80 年代初 出现 了砷铝化镓 GaAlAs 的 LED 光源 使得红色 LED 的光效达到 10 流明 瓦 LED 具 有体积小 寿命长 驱动电压低 耗电量低 反应速率快 耐震性佳等优点 被广泛 应用于信号指示 数码显示等领域 随着技术的不断进步 超高亮 LED 的研制得到了 成功 尤其是白光 LED 的研制成功 近年来又生产出用超高亮白光 LED 发光二极管 组装的照明灯 与传统的照明灯相比 在功耗 亮度与寿命方面以无与伦比的优势成 为 21 世纪新光源 使得它越来越多地用在彩灯装饰和照明领域 未来白光 LED 发光 二极管的市场规模与应用将无限宽广 并将进入一般家庭 取代各种传统的室内外照 明灯具 LED 最大的特点在于无须暖灯时间 开关次数对寿命无影响 反应速度快 约 在 10 9 秒 安全而且光源控制成本低 使频繁开关成为可能 及运用于声光控灯上 的最佳光源 LED 声光控灯是及 LED 灯和声光控电路为一体 安装方便 使用寿命长 灯口采 用国标 E27 LED 采用高亮度白光 LED 单颗亮度 6LM 以上 色温 6500 7500 总能 耗为 2 5W 相当于 40W 白炽灯的亮度 声光控电路是集声学 光学和延时技术为一体 组成的自动照明开关 白天或光线较强时 开关电路为自锁状态 LED 灯不亮 当光 线黑暗时或晚上来临时 开关进入预备工作状态 此时 当来人有脚步声 说话声 拍手声等声源时 开关自动打开 灯亮 延时一段时间后自动熄灭 从而实现了 人 来灯亮 人去灯熄 杜绝了长明灯 使得 LED 声光控灯低能耗 长寿命 三 LED灯的优点 1 发光效率高 LED 经过几十年的技术改良 其发光效率有了较大的提升 白炽灯 卤钨灯光效 为 12 24 lm W 荧光灯 50 70 lm W 钠灯 90 140lm W 大部分的耗电变成热量损耗 LED 光效经改良后将达到 100 200 lm W 而且其光的单色性好 光谱窄 无需过滤可 直接发出有色可见光 目前 世界各国都加紧了提高 LED 光效方面的研究 在不远的 将来其发光效率将有更大提高 2 耗电量少 LED 的反应速度快 可在高频操作 同样明效果的情况下 耗电量是白炽灯的八分 之一 荧光灯管的二分之一 日本估计 如采用光效比荧光灯还要高两倍的 LED 替代 日本一般的白炽灯和荧光灯 每年可节约资源相当于 60 亿升原油 就桥梁护栏灯而言 同样效果的一只日光灯 40W 而采用 LED 每只的功率只有 8W 而且可以七彩变化 3 使用寿命长 LED 采用电子光场辐射发光 灯丝发光易烧 热沉积 光衰减等缺点 而采用 LED 灯体积小 重量轻 环氧树脂封装 可承受高强度机械冲击和震动 不易破碎 单个 LED 发光二极管 当亮度减半时 理论寿命可达到 10 万小时 LED 灯具使用寿 命可达 5 10 年 可以大大降低灯具的维护费用 避免经常换灯之苦 而且 LED 照明 器材的整体封装材料 如灯带塑料和灯壳 在日晒雨淋下容易损坏 也直接影响 LED 照明器材的整体寿命 4 安全可靠性强 LED 发热量低 无热辐射 冷光源 可以安全接触 能精确控制光型及发光角度 光色柔和 无眩光 不含汞 钠元素等可能危害健康的物质 内置微处理器可以控制 发光强度 调整发光方式 实现光与艺术的结合 LED 尺寸小 重量轻 不易破碎 防震以及 24V 的工作电压等特点 所以在各种环境下都显得十分安全可靠 5 环保 LED 为全固体发光体 抗震动 耐冲击 不易破碎 废弃物可回收 没污染 光源 体积小 可以随意组合 易开发成轻便薄短小型照明产品 也便于安装和维护 当然 节能也是我们考虑使用 LED 的主要原因 也许 LED 光源要比传统光源昂贵 但是用 一年时间的节能收回光源的投资 从而获得 4 9 年中每年几倍的节能净收益期 如果 应用在夜景照明 可以以简洁明快的夜景照明方式突出建筑物的形状特点和使用功能 充分体现建筑师的设计风格及意图 通过相邻面间的亮度变化和颜色差异 突出建筑 物的轮廓 保证建筑物的完整性并具有良好的立体感 避免大量使用大功率投光灯 以减少眩光和由此产生的光污染 使灯光对环境的干扰降低到最小值 6 其他 LED 光源除了无汞 节能 节材 对环境无电磁干扰 无有害射线五项优点之外 在照明领域中 特别是在景观照明中 还有很多优势 如 低压供电 无高压环节 为了绝缘的开销要小得多 可靠性高 附件简单 无启动器 镇流器或超高压变压器 结构简单 具有固体光源的最大优点 不充气 无玻璃外壳 无气体密封问题 耐冲击 可控性好 响应时间快 微秒数量级 可反复频繁亮灭 基本无惰性 不会疲 倦 色彩纯厚 由半导体 PN 结自身产生色彩 纯正 浓厚 色彩丰富 三基色加数码技术 可演变任意色彩 轻质结构 节材 节约费用 对灯具强度和刚度要求很低 四 LED灯的发光原理 特性 1 LED灯的发光原理 发光二极管 是一种固态的半导体器件 它可以直接把电转化为光 LED 的心脏 是一个半导体的晶片 晶片的一端附在一个支架上 一端是负极 另一端连接电源的 正极 使整个晶片被环氧树脂封装起来 半导体晶片由三部分组成 一部分是 P 型半 导体 在它里面空穴占主导地位 另一端是 N 型半导体 在这边主要是电子 中间通 常是 1 至 5 个周期的量子阱 当电流通过导线作用于这个晶片的时候 电子和空穴就 会被推向量子阱 在量子阱内电子跟空穴复合 然后就会以光子的形式发出能量 这 就是 LED 发光的原理 而光的波长也就是光的颜色 是由形成 P N 结的材料决定的 2 LED灯的发光机理 PN 结的端电压构成一定势垒 当加正向偏置电压时势垒下降 P 区和 N 区的多数 载流子向对方扩散 由于电子迁移率比空穴迁移率大得多 所以会出现大量电子向 P 区扩散 构成对 P 区少数载流子的注入 这些电子与价带上的空穴复合 复合时得到 的能量以光能的形式释放出去 这就是 PN 结发光的原理 3 LED灯的发光效率 一般称为组件的外部量子效率 其为组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘 积 所谓组件的内部量子效率 其实就是组件本身的电光转换效率 主要与组件本身 的特性 如组件材料的能带 缺陷 杂质 组件的垒晶组成及结构等相关 而组件的 取出效率则指的是组件内部产生的光子 在经过组件本身的吸收 折射 反射后 实 际在组件外部可测量到的光子数目 因此 关于取出效率的因素包括了组件材料本身 的吸收 组件的几何结构 组件及封装材料的折射率差及组件结构的散射特性等 而 组件的内部量子效率与组件的取出效率的乘积 就是整个组件的发光效果 也就是组 件的外部量子效率 早期组件发展集中在提高其内部量子效率 主要方法是通过提高 垒晶的质量及改变垒晶的结构 使电能不易转换成热能 进而间接提高 LED 的发光效 率 从而可获得 70 左右的理论内部量子效率 但是这样的内部量子效率几乎已经接 近理论上的极限 在这样的状况下 光靠提高组件的内部量子效率是不可能提高组件 的总光量的 因此提高组件的取出效率便成为重要的研究课题 目前的方法主要是 晶粒外型的改变 TIP 结构 表面粗化技术 4 LED灯的光学特性 LED 提供的是半宽度很大的单色光 由于半导体的能隙随温度的上升而减小 因 此它所发射的峰值波长随温度的上升而增长 即光谱红移 温度系数为 2 3A LED 发光亮度 L 与正向电流 近似成比例 K 为比例系数 电流增大 发光亮度也近似增大 另外发光亮度也与环境温度有关 环境温度高时 复合效率下降 发光强度减小 5 LED灯电气特性 电流控制型器件 负载特性类似 PN 结的 UI 曲线 正向导通电压的极小变化会引 起正向电流的很大变化 指数级别 反向漏电流很小 有反向击穿电压 在实际使用 中 应选择 LED 正向电压随温度升高而变小 具有负温度系数 LED 消耗功率 一部分转化为光能 这是我们需要的 剩下的就转化为热能 使结温升高 散发的热 量 功率 可表示为 6 LED热学特性 小电流下 LED 温升不明显 若环境温度较高 LED 的主波长就会红移 亮度会 下降 发光均匀性 一致性变差 尤其点阵 大显示屏的温升对 LED 的可靠性 稳定 性影响更为显著 所以散热设计很关键 7 大功率LED封装 主要考虑散热和出光 散热方面 用铜基热衬 再连接到铝基散热器上 晶粒与 热衬之间以锡片焊作为连接 这种散热方式效果较好 性价比较高 出光方面 采用 芯片倒装技术 并在底面和侧面增加反射面反射出浪费的光能 这样可以获得更多的 有消出光 8 LED灯的寿命 LED 的长时间工作会光衰引起老化 尤其对大功率 LED 来说 光衰问题更加严重 在衡量 LED 的寿命时 仅仅以灯的损坏来作为 LED 寿命的终点是远远不够的 应该 以 LED 的光衰减百分比来规定 LED 的寿命 比如 35 这样更有意义 五 LED 的主要参数 LED 是利用化合物材料制成 pn 结的光电器件 它具备 pn 结结型器件的电学特性 I V 特性 C V 特性和光学特性 光谱响应特性 发光光强指向特性 时间特性以及热 学特性 1 主要参数 普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关 而发光的波长又取决于制造 发光二极管所用的半导体材料 红色发光二极管的波长一般为 650 700nm 琥珀色发 光二极管的波长一般为 630 650 nm 橙色发光二极管的波长一般为 610 630 nm 左右 黄色发光二极管的波长一般为 585 nm 左右 绿色发光二极管的波长一般为 555 570 nm 2 LED 电学特性 I V 特性表征 LED 芯片 pn 结制备性能主要参数 LED 的 I V 特性具有非线性 整 流性质 单向导电性 即外加正偏压表现低接触电阻 反之为高接触电阻 I V 特性曲线 1 正向死区 图 oa 或 oa 段 a 点对于 V0 为开启电压 当 V Va 外加电场尚克服不少因 载流子扩散而形成势垒电场 此时 R 很大 开启电压对于不同 LED 其值不同 GaAs 为 1V 红色 GaAsP 为 1 2V GaP 为 1 8V GaN 为 2 5V 2 正向工作区 电流 IF 与外加电压呈指数关系 IF IS eqVF KT 1 IS 为反向饱和电流 V 0 时 V VF 的正向工作区 IF 随 VF 指数上升 IF ISeqVF KT 3 反向死区 V 0 时 pn 结加反偏压 V VR 时 反向漏电流 IR V 5V 时 GaP 为 0V GaN 为 10uA 4 反向击穿区 V VR VR 称为反向击穿电压 VR 电压对应 IR 为反向漏电流 当反向偏压一 直增加使 V VR 时 则出现 IR 突然增加而出现击穿现象 由于所用化合物材料种类 不同 各种 LED 的反向击穿电压 VR 也不同 3 最大允许功耗 PFm 当流过 LED 的电流为 IF 管压降为 UF 则功率消耗为 P UF IF LED 工作时 外加偏压 偏流一定促使载流子复合发出光 还有一部分变为热 使结温升高 若结温为 Tj 外部环境温度为 Ta 则当 Tj Ta 时 内部热量借助管座 向外传热 散逸热量 功率 可表示为 P KT Tj Ta 4 响应时间 响应时间表征某一显示器跟踪外部信息变化的快慢 现有几种显示 LCD 液晶显 示 约 10 3 10 5S CRT PDP LED 都达到 10 6 10 7S us 级 响应时间从使用角度来看 就是 LED 点亮与熄灭所延迟的时间 即图中 tr tf 图中 t0 值很小 可忽略 响应时间主要取决于载流子寿命 器件的结电容及电路阻抗 LED 的点亮时间 上升时间 tr 是指接通电源使发光亮度达到正常的 10 开始 一直到发光亮度达到正常值的 90 所经历的时间 LED 熄灭时间 下降时间 tf 是指正常发光减弱至原来的 10 所经历的时间 不同材料制得的 LED 响应时间各不相同 如 GaAs GaAsP GaAlAs 其响应时间 10 9S GaP 为 10 7S 因此它们可用在 10 100MHZ 高频系统 六 方案选择 从实验的主要内容与要求中可以看出该电路可以有以下几个方案 1 LED 利用门电路来完成声光控的调节 电路图如下 图一 LM317做 LED 的恒流源 本系统中4 7uF 400V 的电解电容滤波后得到5V 电压提 供给4011 白天有光时 光电二极管 D5选用2CU2A 暗电流小于等于0 2uA 光电流 大于30uA 灵敏度大于等于0 5uA Uw 呈低阻状态 IC1A 中的1 2脚为低电位 3脚 为高电位 白天不论有无声音 也不论 IC1B 中的4脚电位如何 IC1D 中的13脚始终钳 位于高电位 12脚也为高电位 因此11脚则为低电位 可控硅截止 LED 灯不亮 D5 夜晚无光照时 呈高阻状态 IC1A 中的3脚为低电位 IC1D 中的11脚为高 触发可控 硅 SCR 导通 LED 被点亮 同时10uF 电容充电 充电之初 IC1C 中8 9脚为高电位 使12脚为低电位 声音一分钟之后 IC1D 中的13脚恢复高电位 但由于12脚为低电位 所以11脚继续保持高电位 灯继续被点亮 10uF 电容继续充电 一分钟之后 IC1C 中 的8 9脚为低电位 11脚也翻转为低电位 可控硅截止 灯灭 2 采用 LM317 供电 LED 要恒流供电 不然容易老化损坏 可以用 LM317 原理是利用317的启探控 电压不变 再除电阻 就是恒流值 电路如下图 灯可以根据需求接多少个 改变 R1 可改变电流 电流 1 25 R1 3 使用了数字集成电路 cd4011 其内部含有4个独立的与非门 IC1A IC1D 使电路结构简单 工作可靠性高 电 路图如下 图三 在这几个方案中 由于我在学校学了数字电路和门电路 而且这个方法比较简单 又实用 能充分体现出我在校期间对所学知识掌握的程度 然而此系统成本低 易于 实现为恒流电路 如果采用恒压电路则电压高不稳定 故此我选择了第三种方案 七 总体方案 1 课题分析 整流 稳压二极管 话筒 光敏二极管 可控硅开关等 能够通过调节电阻和电 容的大小来改变灯亮的时间长短 如果时间过长就应该减小电阻或电容的值 反之则 增大 光敏二极管和话筒的高度也会使灯的时间受到影响 声光控节电开关 在白天或 光线较亮时 节电开关呈关闭状态 灯不亮 夜间或光线较暗时 节电开关呈预备工作 状态 当有人经过该开关附近时 脚步声 说话声 拍手声等都能开启节电开关 灯 亮后经过40秒左右的延时节电开关自动关闭 灯灭 该开关适用于楼道 走廊 洗涮 间 厕所等公共场合 能节电并延长灯泡使用寿命 给人们的生活带来了很多的方便 受到了广泛的应用 本电路是采用分分离元件的声控延时电路 其电路原理图如下图 所示 电路图见方案三 原理图说明 220V 的灯充电直接整流 在输入端串联25W 灯泡 输出端接可控硅 负载 供电电路稳压电路 稳压电路是给话筒放大 音频放 大等提供8 2V 直流电 话筒放大 可以把声音信号转换为电信号并放大 然后 经过 音频放大器使信号达到足够大 检波音频信号的正半周 即 把音频信号转换为直流 信号 经过延时电路以后送到控制电路 由控制电路去控制可控硅 若可控硅断开 则整流电路负载断开 若导通 则整流电路负载导通 光敏控制电路把光照变成电信 号 从而去控制音频信号往后边输送情况 可见 本电路灯泡要受可控硅的控制 可 控硅受话筒取得的音频信号和光敏电阻的控制 从而可以实现声控和光控 灯亮的时 间由延时电路的时间长度决定 2 设计方案 利用门电路来完成声光控的调节 见图一 3 方案论证 整流电路采用桥式整流电路 二极管稳压电路加上滤波电容和电阻 可控硅 开关起开关作用 非常重要 由这个开关去控制整流电路的工作与否 从而控制灯的 亮和熄 稳压电路需8 2V 稳定电压 并要求不高所以我们采用它话筒放大 为实现声控 功能 要设制话筒放大电路 主要是由话筒拾音电路 就是把声音信号变为电信号电 路 由于声音微小 所以加放大电路 和放大电路组成 光敏控制电路实现光控的功 能 可以有光敏电阻来实现 音频放大电路 因话筒输出的音频信号小 不能满足检波 的需要 设制二极管音频放大电路 倍数几千上万倍 检波电路音频信号是交流信号 不用交流信号控制可控硅 需转换为直流信号 才能控制可控硅 因是小信号 要反 映信号的蜂值电路线变化 延迟电路在灯点亮时需要有延迟 检波输出直流电压通过 延迟电路是电压消失 保持一段时间 所保持时间的长短由延迟电路的参数决定 实 际上延迟电路由 RC 电路组成 时间常数 RC 这是可控制电压 控制电路 是控制 可控硅栅极的开关电路 它的输入由延时端的延时电路送来的电压控制 输出控制可 控硅的导通情况 论证方案 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 4 电路的工作原理 声光控延时开关的电路原理图见图三所示 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 IC1A IC1D 使电路结构简单 工作可靠性高 顾名思义 声光控延时开关就是用声音来控制开关的 开启 若干分钟后延时开 关 自动关闭 因此 整个电路的功能就是将声音信号处理后 变为电子开关的开动 作 声音信号 脚步声 掌声等 由驻极体话筒 MIC 接收并转换成电信号 经 c3耦合到 ICIB 基集进行电压放大 放大的信号送到与非门 IC1A 的2脚 r8偏置电阻 c6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 由光敏电二极管等元件组成光控 电路 r9和 D5组成串联分压电路 夜晚环境无光时 光敏二极管的压降很大 D5两端 的电压高 即为高电平间 t 2 r8c1 改变 r9或 c1的值 可改变延时时间 满足不同 目的 ICIC 和 ICID4构成两级整形电路 将方波信号进行整形 当 c2充电到一定电平 时 信号经与非门 ICIC ICID 后输出为高电平 使单向可控硅导通 电子开关闭合 c2充满电后只向 r2放电 当放电到一定电平时 经与非门 IC1C ICID 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 D1 D4将交流220v 进行桥式整流 变成脉动直流电 又经 r1降压 D6滤波 后即为电路的直流电源 为 bm vt ic 等供电 直流稳压电源的组成框图各种电器设 备内部均是由不同种类的电子电路组成 电子电路正常工作需要直流电源 为电器设 备提供直流电的设备称为直流稳压电源 直流稳压电源可以将200V 的交流输入电压转 变成稳定不变的直流电压 直流稳压电源的组成框图如下所示 图中变压电路的作用是将 220V 的交流电变换成电路所需的低压交流电 整流电路 的作用是将输入的交流电变换成单向脉动的直流电 利用半波整流或桥式整流电路均 可以实现整流的目的 整流电路图如下 2 滤波稳压电路 滤波电路的作用是平滑整流输出的单向脉动电压 最简单的滤波电路是电容器 桥式整流电路输出的波形经电容滤波电路处理后的输出电压波形如图下所示 稳压电 路的作用是稳定电源的输出电压 常采用稳压管稳压电路 稳压管稳压电路虽然结构 简单 但稳压电路的输出电流较小 输出电压不可调 在很多场合下不适用 利用三 极管输出电压可调的特点也可以实现稳压的目的 本电路的滤波稳压部分如下图所示 3 声光控电路 声控电路由可控硅 SCR 话筒 MIC 及声控电路 LED 灯负载 RL 与可控硅 SCR 串接 后与电源相连 话筒将声音信号转换成电信号 声控电路通过声音信号控制可控硅 SCR 的导通状态 其特征在于 所述声控电路包括电源部分 谐振放大部分及触发器 电 源部分通过电容降压 整流及稳压提供声控电路所需的直流电压 谐振放大部分包括 多极三极管放大 话筒接在第一级放大三极管的基极上并由电容耦合 一个由电感和 电容构成的振荡电路接在末级放大三极管的基极上 放大后的信号影响触发器的翻转 并最终控制可控硅的控制极的电位 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应 当光敏 电阻受到光照时 价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带 成为自由电子 同时产 生空穴 电子 空穴对的出现使电阻率变小 光照愈强 光生电子 空穴对就越多 阻值就愈低 当光敏电阻两端加上电压后 流过光敏电阻的电流随光照增大而增大 入射光消失 电子 空穴对逐渐复合 电阻也逐渐恢复原值 电流也逐渐减小 声光控 电路如下图 4 延时电路 声光控延时开关就是用声音来控制开关的 开启 若干分钟后延时开关 自动 关闭 因此 整个电路的功能就是将声音信号处理后 变为电子开关的开关动作 10 管 脚输出低电平 由 ICID 反相缓冲后经 R6 触发可控硅导通 电灯正常点亮 此 时则由 2 向电路供电 如此后无声被 MICR 接收 则 ICIB 输出恢复为高电平 C2 通 过 R6 缓慢放电 当 C2 电压下降到低于 1 2 电源电压时 按图中参数约一分钟 ICIC 反转 ICID 反转 可控硅 SCR 截止电灯关闭 等待下次触发 延时部分电路 如下图 5 显示电路 LED 的发光原理是利用半导体中的电子和电洞结合而发出光子 不同於灯泡需要在 3000 度以上的高温下操作 也不必像日光灯需使用高电压激发电子束 LED 和一般的 电子元件相同 只需要 2 4 伏特 V 的电压 在常温下就可以正常动作 因此其寿 命也比传统光源来得更长 LED 所发出的颜色 主要是取决於电子与电洞结合所释放出 来的能量高低 也就是由所用的半导体材料的能隙所决定 同一种材料的波长都很接 近 因此每一颗 LED 的光色都很纯正 与传统光源都混有多种颜色相比 LED 可说是一 种数位化的光源 LED 晶片大小可以因用途而随意切割 常用的大小为 0 3 1mm 左右 跟传统的灯泡或日光灯相比 体积相对小得多 为了使用方便 LED 通常都使用树脂包 装 做成 5mm 左右的各种形状 十分坚固耐震 LED 连接电路的常见形式串联 这种电 路需要电源提供较高的电压 V 总 各 LED 的 VF 之和 VF1 VF2 VF 3 VF 4 VF 显示部分电路如下 5 器件的选择及检测方法 1 ic 选择 cmos 数字集成电路 cd4011 ic 选择 cmos 数字集成电路 cd4011 其里面含有四个独立的与非门电路 内部结 构见图五 vss 是电源的负极 vdd 是电源的正极 可控硅 t 选用 1 a 400v 的单向可控硅 1 00 6 型 如负载电流大可选用 3a 6a 10a 等规格的单向可控硅 单向可控硅的外形如图六示 2 测量方法 可控硅的检测 用 r 1档 将红表笔接可控硅的负极 黑表笔接正极 如印制板图所示 这时表 针无读数 然后用黑表笔触一下控制极 k 这时表针有读数 黑表笔马上离开控制极 k 这时表针仍有读数 注意触控制极时正负表笔是始终连接说明该可控硅是完好的 麦克风的选择及检测 驻极体选用的是一般收录机用的小话筒 它的测量方法是 用 r 100档将红表笔 接外壳的 s 黑表笔接 d 这时用口对着驻极体吹气 若表针有摆动说明该驻极体完好 摆动越大灵敏度越高 二极管的选择及检测 二极管采用普通的整流二极管 IN4001 IN4007 总之 元件的选择可灵活掌握 参数可在一定范围内选用 在测试时先把指针表满偏同时将指针表打到1K 档 其次 用表笔对电容进行放电 在用表进行测试 用红笔接负极 黑笔接正极 最后 看指 针的偏转 且还要指针还原 如能还原就表明电容正常 不能回到原位则表明电容漏 电 测试漏电电容方法 用万用表的电阻挡 R 100和 R 1K 将表笔接触电容器两 引线 刚接触时 由于电容充电电流大 表头指针偏转角度大 随着充电电流减小 指针逐渐向 R 无穷方向返回 最后稳定处即漏电电阻值 电容的检测 一般电容器的漏电电阻为几百至几千兆欧 漏电电阻相对小的电容质量不好 测 量时 若表头指针指到或接近欧姆零点 表示电容器内部短路 若指针不动 始终指 在 R 无穷处 则意味着电容器内部短路或已失效 对于电容量在 0 1 F 以下的小电容 由于漏电电阻接近无穷 难以分辨 故不能此法侧漏电阻或判定好坏 电解电容器的极性检测 电解电容的正负极性不允许接错 当极性接反时 可能 因电解液的反向极化 引起电解电容器的爆裂 当极性标记无法辨认时 可根据正向 连接时漏电电阻大 反向连接时漏电电阻相对小的特点判断极性 交换表笔前后两次 测量漏电电阻 阻值大的一次 黑表笔接触的是正极 因为黑表笔与万用表内电池正 极相接 采用数字万用表时 红表笔接电池正极 但用这种办法有时并不能明显地区 分正 负向电阻 所以使用电解电容时 要注意保护极性标记 二极管测试 二极管主要分为三种 整流二极管 稳压二极管 发光二极管 此外 还有开关 二极管 先打磨引脚 再用指针表测试 因二极管具有单相导电性 所以 在测试时 红笔接负极 黑笔接正极 若是导通 且红笔接正极 黑笔接负极 为截止 则表明 二极管是正常的 若不是则表明二极管是坏的 注 发光二极管用10K 其它用1K 档 发光二极管的光线是非常微弱的 因此 在观察是要仔细 半导体二极管的极性判别一般情况下 二极管有色点的一端为正极 如2AP1 2AP7 2AP11 2AP17等 如果是透明玻璃壳二极管 可直接看出极性 即内部连触丝 的一头是正极 连半导体片的一头是负极 塑封二极管有圆环标志的是负极 如 1N4000系别 三极管测试 和所有元件一样三极管也要打磨引脚 然后在进行测试 用手拿住元件 用指针 表来回测量六次 判断出基极 是 PNP 型还是 NPN 型 若 红笔不动 PNP 型 黑笔不动 NPN 型 如果是 NPN 型 用手捏住三支引脚 用表笔测试两边引脚 并 交换表笔 若指针偏转较大 黑表笔接的是集电极 另一方则是发射集 如果是 PNP 型 步骤与 NP N 型一样 但当指针偏转较大是 黑笔接的是发射极 另一方则是集电 极 三极管除了判断其管型和极点外 还要判断出它所处的状态 是截止 饱和 还 是放大 图五 CD4011内部结构 图六 单向可控硅 可控硅的原理 可控硅是可控硅整流元件的简称 是一种具有三个 PN 结的四层结 构的大功率半导体器件 一般由两晶闸管反向连接而成 它的功用不仅是整流 还可以 用作无触点开关以快速接通或切断电路 实现将直流电变成交流电的逆变 将一种频 率的交流电变成另一种频率的交流电等等 可控硅和其它半导体器件一样 其有体积 小 效率高 稳定性好 工作可靠等优点 它的出现 使半导体技术从弱电领域进入 了强电领域 成为工业 农业 交通运输 军事科研以至商业 民用电器等方面争相 采用的元件 图七 图八 图七 可以把它中间的 NP 分成两部分 构成一个 PNP 型三极管和一个 NPN 型三极 管的复合管 见图八 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 从晶闸管的内部分析工作过程 晶闸管是四层三端器件 它有 J1 J2 J3三个 PN 结 当晶闸管承受正向阳极电压时 为使晶闸管导铜 必须使承受反向电压的 PN 结 J2失去阻挡作用 图二中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流 因此 两个互相复合的晶体管电路 当有足够的门极电流 Ig 流入时 就会形成强烈的 正反馈 造成两晶体管饱和导通 晶体管饱和导通 设 PNP 管和 NPN 管的集电极电流相应为 Ic1和 Ic2 发射极电流相应为 Ia 和 Ik 电流放大系数相应为 a1 Ic1 Ia 和 a2 Ic2 Ik 设流过 J2结的反相漏电电流为 Ic0 晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和 Ia Ic1 Ic2 Ic0或 Ia a1Ia a2Ik Ic0 若门极电流为 Ig 则晶闸管阴极电流为 Ik Ia Ig 从而可以得出晶闸管阳极电流为 I Ic0 Iga2 1 a1 a2 1 1 硅 PNP 管和硅 NPN 管相应的电流放大系数 a1和 a2随其发射极电流的改变而急剧变 化 当晶闸管承受正向阳极电压 而门极未受电压的情况下 式 1 1 中 Ig 0 a1 a2 很小 故晶闸管的阳极电流 Ia Ic0 晶闸关处于正向阻断状态 当晶闸管 在正向阳极电压下 从门极 G 流入电流 Ig 由于足够大的 Ig 流经 NPN 管的发射结 从 而提高起点流放大系数 a2 产生足够大的极电极电流 Ic2流过 PNP 管的发射结 并提高 了 PNP 管的电流放大系数 a1 产生更大的极电极电流 Ic1流经 NPN 管的发射结 这样强 烈的正反馈过程迅速进行 当 a1和 a2随发射极电流增加而 a1 a2 1时 式 1 1 中的分母1 a1 a2 0 因此提高了晶闸管的阳极电流 Ia 这时 流过晶闸管的电 流完全由主回路的电压和回路电阻决定 晶闸管已处于正向导通状态 式 1 1 中 在晶闸管导通后 1 a1 a2 0 即使此时门极电流 Ig 0 晶闸 管仍能保持原来的阳极电流 Ia 而继续导通 晶闸管在导通后 门极已失去作用 在晶闸管导通后 如果不断的减小电源电压或增大回路电阻 使阳极电流 Ia 减小 到维持电流 IH 以下时 由于 a1和 a1迅速下降 当1 a1 a2 0时 晶闸管恢复阻断 状态 6 安装制作 准备好全套元件后 用万用表粗略地 因出厂前已测量过 测量一下各元件的质量 做到心中有数 焊接时注意先焊接无极性的阻容元件 电阻采用卧装 电容采用直立装 紧贴电 路板 焊接有极性的元件如电解电容 话筒 整流二极管 三极管 单向可控硅等元 件时千万不要装反 注意极性的正确 否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件 八 结果和结论 1 实验结果 白天当光线照射到光敏电阻上时 其通过感应使电路封锁声音通道 使声音脉冲 不能通过 则灯泡不受声音控制 即声控传感器暂时失去作用 灯泡不亮 夜间或光 线较暗时 光敏电阻因无光照呈低阻 经感应使声音通道开通 当有人走动或有人谈 话时 通过声控传感器的感应 使得灯泡自动点亮 经过内部设定的时间后 灯泡自 动熄灭 2 实验结论 设计原理清晰 设计性能指标的灵敏度基本达到设计的要求 在整个设计过程中 本着节约的精神 我们用的都是简单廉价的元器件 降低了 系统成本 这次毕业设计对我们所学摸电知识起到了加深和巩固的作用 也使我获得了搭建 和调试实验电路的能力 锻炼了我主动学习的能力 与他人合作的能力 还可以从各种渠道获得一定的资 料 共同加以研究学习 提高了我们的综合动手能力 九 总结 灯是居家照明的重要组成部分 如楼道 卫生间 小巷等 传统的声光控灯是有 声光控开关和普通白炽灯组合而成 普通白炽灯寿命短 光效低造成了能源的巨大浪 费 在地球资源日渐衰竭的今日 环保 节能是当今各产业发展的重心 尤其是需要 消耗大量电力的照明产业 在灯种的研发上 更是趋向环保 节能的特性上著眼 因 此 开发新型高效 节能 寿命长 显色指数高 环保的光源对居家照明节能具有十 分重要的意义 由此 LED 灯的诸多优点在未来有可能取代传统的照明设备 尤其是白 光 LED 更被灯饰界寄以厚望 是照明产品的新兴光源 有 绿色照明 光源之称 未来将光芒耀眼 发展潜力无限 白光 LED 具有体积小 发热量低 寿命长 耗电量 小 反应速度快等众多优点 却无白炽钨丝灯泡高耗电 发热量大 光效能低 易碎 及萤光粉灯废弃物含汞污染环境等缺点 因此十分被灯饰业者看好 通过学习了本次 设计 我学到了很多以前专业课上没学过的东西 或者说死弥补了以往专业课所学过 而遗忘了的知识 更学到了怎么样自己设计 通过自己的双手独立完成一件事 在中 国这个高速发展的国家 只有不断更新自己 不断的吸取知识的精华 才能在这现实 而又充满排挤的社会上生存下来 在这次的设计中 我发觉自己还很弱 还得不断的 充电 以使