声光触摸三控自动灯电路设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

第0页摘要随着科技的发展，各种声控、光控、触摸开关如同雨后春笋般的出现。这些开关广泛应用于楼道、厅堂乃至家居照明设备的控制。但无论是声控延时开关、触摸延时开关还是光控开关，在使用中都存在一些问题。三种智能控制开关都有其缺点和应用局限。本设计将声控延时开关、触摸延时开关和光控开关有机整合，并配以逻辑判断电路和延时电路，来控制继电器的吸合与断开，从而控制照明设备。通过三种技术的有机结合，延伸了智能控制开关的应用范围。设计从声音检测电路、触摸检测电路、光照检测电路等方面出发，详细设计了声光控触摸延时开关的电路结构和组成。有效地克服了三种控制方式单独使用时的缺点和问题，更加有效地方便人们使用和节约能源。关键词延时自熄开关；光敏电阻；声控传感器目录摘要.1第1章引言.2第2章电路设计依据及方框图.3第3章单元电路设计.53.1电源电路设计.53.2光控电路.53.2.1光敏电阻的制作材料及其结构原理.63.2.2光敏电阻器的特性及主要参数.63.2.3光敏电阻的检测.73.2.4光控电路设计.83.3声控电路.83.3.1声传感器(驻极体话筒).83.3.2声控电路设计.103.4人体触摸控制电路.11第4章电路仿真.13第5章电路元器件的选择.14总结.15致谢.17参考文献.18附录电路整机图.19第0页第1章引言国标GB50096-1999住宅建筑设计规范规定，住宅公共部分应设人工照明，除高层住宅的电梯厅和应急照明灯外，均应采用节能自熄开关。采用自熄开关的主要目的是改善人们的居住环境及节能。目前市场上所遇到的自熄开关主要有声光控延时开关，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，当人们走过楼道延时几秒钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，既可以达到节能的目的，但在有光无声的状态下开灯检查却不行。我设计的声、光、触摸三控延时电路就解决了这个问题，在任何状态下用手摸到触摸开关铜片，人体的静电感应电压经电子线路放大后就能将开关启动，实际使用价值更大。触摸电极片用12平方厘米的铜片做成代替触点开关，使用寿命长。声控灵敏度高，夜间的脚步声、说话声等均可将开关启动。电路光控强度可调，性能可靠，电路稳定。在本设计中介绍了声光触摸三控自动灯的组成、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。其电路主要是由电源电路、声控电路、光控电路、人体触摸控制电路等4大部分组成。在做电路设计时运用了模拟电子线路的基本知识与数子电子技术的基础知识。其知识的普遍性、实用性运用的非常好。各部分电路的结构清晰、明了、直观，这对电路的分析起了很大的帮助。第1页第2章电路设计依据及方框图本电路设计的是一款以CD4069数字芯片以及声控元件、光敏电阻及人体触摸控制的照明灯电路。将该装置安装在楼道、走廊或卫生间等场所，在夜间，有人走动或发声时，灯会自动点亮延时数秒后自动熄灭。在白天，若触摸电极片M，则会受触发而点亮。电路方框图，如图2-1所示。声控电路光控电路人体触摸电路电源电路灯控电路图2-1电路方框图该声、光、触摸三控延时照明灯电路由电源电路、声控电路、人体触摸控制电路、继电器驱动电路等组成，电路中采用了CD4069非门集成芯片作为声、光、触摸三控延时照明灯电路桥梁，CD4069集成电路采用14脚双列直插式封装，其内部电路方框图如图2-2所示。第2页图2-2CD4069芯片内部电路方框图集成芯片CD4069是一种CMOS通用6非门集成电路，广泛应用于各个领域，可以构成振荡器、缓冲器、触发器、反相器等。系统的工作过程先要判断电网电压是否正常，不正常电路就不能工作，如果电网电压是正常的，电源电路则对电网电压进行降压、整流、滤波、稳压。然后探测是否有声音信号发出，没有声音信号则灯泡不亮。如果有声音信号则输出控制信号。最后探测光线是否充足，光线充足灯泡不会亮。只有光线不充足时灯才亮。灯亮以后，经过一段时间的延时，既当人离开房间的时候，灯就会自动熄灭。不管白天和夜间，只要用手触摸电极片M，照明灯EL变亮。第3页第3章单元电路设计31电源电路设计电子电路要正常工作，电源必不可少，并且电源性能对电路、电子仪器和电子设备的使用寿命、使用性能等影响很大，尤其在带有感性负载的电路和设备（如电机）中，对电源的性能要求更高。其次，电路还必须简单，能输出后继电路需要的电压和电流。一般电源电路主要由变压器、整流电路、滤波电路和三端稳压器等组成。电源电路的设计框图如图3-1所示。图3-1电源电路220V的交流电经电路降压、整流、滤波、稳压最终获得直流电压供给控制电路。电路中，电源电路由电源变压器T，整流桥堆UR，三端集成稳压器IC1及滤波电容C4、C5组成。照明灯EL与继电器K的常开触头K1串联后，并接在电源变压器的一次绕组两端，电路部分因先将频率为50HZ、有效值为220V的单相交流电压转换为幅值稳定的直流电压。因而需通过变压器T降压后得到后面电路所需要的电压，再通过UR对交流电压进行整流，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化，为了获得良好的直流电压，必须采取整流措施，并在电路中串接一个三端集成稳压器IC1，对电路电压进行稳压。32光控电路在电子电路中，常用光敏器件构成光控电路。所谓光敏器件通常是指能将光能转变成为电信号的半导体传感器。常用的光敏器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极第4页管。321光敏电阻的制作材料及其结构原理光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。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。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。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。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。如图3-2所示。图3-2光敏电阻结构示意图及图形符号在本设计中光敏电阻是RL，正如原理所说，在白天由于光照强度大，RL光敏电阻的阻值很小，前一级电信号来时，由于阻值小使得RL两端的电压很低，无法使后一级电路正常工作，从而使灯炮在白天不会亮；在而夜晚光敏电阻RL的阻值很大，前一级来信号时，由于阻值大使得RL两端的电压高，所以能够使下一级正常工作。第5页322光敏电阻器的特性及主要参数光敏电阻器是根据半导体的光敏导电效应制成的，使用时给它施加以直流或交流偏压。它是用硫化镉(CdS)或硒化镉(CdSe)材料制成的特殊电阻器，它对光线非常敏感。无光线照射时呈高阻态，暗阻值一般可达15M欧姆以上；有光照时材料中变激发出自由电子与空穴，使其电阻减小，随着照度的增高，电阻值迅速降低，亮阻值可小至1k欧姆以下。可见光敏电阻的暗值与亮阻值之比约为1500倍，暗阻愈高愈好。光敏电阻器的外型及符号如图所示。其结构特征是把条状的光敏材料封装在圆形管壳内，有的还用玻璃透明材料制成防护罩。和普通电阻器一样，它也有两根引线。光敏电阻器的主要参数见表3-1：表3-1几种光敏电阻器的参数型号亮阻/k暗阻/k峰值波长/nm时间常数/ms极限电压/V温度系数/(C)工作温度/(C)消耗功率/mV材料RG-CdS-A100520100520100520100-306030CdSJN54C6950100最低20-100-306060CdS通过对表中各光敏电阻参数的对比，本次设计选择了消耗功率比较低的、型号为JN54C384光敏电阻。323光敏电阻的检测用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近无穷大。此值越大说明光敏电阻性能越好。若此值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损坏，不能再继续使用。将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显减些小此值越小说明光敏电阻性能越好。若此值很大甚至无穷大，表明光敏电第6页阻内部开路损坏，也不能再继续使用。将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已经损坏。324光控电路设计光控电路由光敏电阻RL、电位器RP1、六非门芯片CD4609内部的非门电路D3、二极管VD1等组成，如图3-3所示。图3-3光控电路光控电路工作原理：电路中的电流由电源电路提供，在白天光敏电阻电流很小，所以不会有高电平进入芯片CD4069的非门电路D3，因为光敏电阻器RL受光照而阻值变小，非门D3的输人端始终为低电平，输出端也保持高电平，二极管VD1和晶体管VT均处于截止状态，照明灯EL不亮。夜晚，光敏电阻器RL的电阻值变大，此时若声控电路中BM有声音信号传入，传声器BM将声音信号转变成电信号，电路中则会有高电平加至非门D3的输入端，使二极管VD1和晶体管VT导通，继电器K的常开触点吸合，照明灯EL点亮；如果没有声音信号传入照明灯EL不会点亮。33声控电路声控电路的组成主要由声控传感器、声音信号放大器、控制电路、驱动电路及执行电路等组成。第7页331声传感器(驻极体话筒)声传感器是声控电路的重要器件，它的作用是用来接受声控信号，把声控信号转换成电信号。常用的声传感器有驻极体电容话筒、压电蜂鸣器及扬声器等，使用的较多的是驻极体电容话筒。驻极体电容话筒是一种有源声音传感器，它具有灵敏度高、体积小、使用方便等特点。1驻极体话筒的结构与原理驻极体话筒的工作原理如图3-4所示。图3-4驻极体话筒工作原理图话筒的基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背称为背电极）构成。驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：Q=CU所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声电的变换。实际上驻极体话筒的内部结构如图3-5所示。图3-5驻极体话筒内部结构由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。内部电气原理如图3-6所示。第8页图3-6内部电气原理图电容器的两个电极接在栅源极之间，电容两端电压既为栅源极偏置电压Ucs，Ucs变化时，引起场效应管的源漏极之间Idc的电流变化，实现了阻抗变换。一般话筒经变换后输出电阻小于2千欧。2驻极体话筒极性的判别驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。驻极体话筒的内部结构如图3-5所示。由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引出线。3驻极体话筒的特性参数(1)工作电压Uds1512V，常用的有15V，3V，45V三种。(2)工作电流Ids011mA之间。(3)输出阻抗一般小于2K（欧姆）。(4)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）。(5)频率响应一般较为平坦。(6)指向性全向。(7)等效噪声级小于35分贝。在本次设计中选择的声传感器BM为CRZ2-113F型驻极体话筒，是将声音信号转换为电信号的一种电声器件。当它接受到声音后，能转换而产生微弱的电信号。332声控电路设计声控电路的组成电路如图3-7所示。第9页图3-7声控电路声控电路工作原理：电路中的电流由电源电路提供，当有声音传入时，传声器BM将声音信号变换成电信号，此电信号作非门电路D1输入为高电平，其输出端为低电平，此低电平作为非门电路D2的输入，则其D2的输出端为高电平，使非门电路D3的输出端变为低电平，二极管VD1导通，非门电路D5的输出端变为高电平，使晶体管VT饱和导通，继电器K的常开触头吸合，照明灯EL发光。如果没有声音信号加入，非门电路D2输出低电平，使非门电路D3的输出端变为高电平，二极管VD1截止，非门电路D5输出端为低电平，晶体管VT截止，继电器K断开，照明灯EL不会发光。34人体触摸控制电路市场上的照明灯电路许多都是由光控和声控两个电路构成，本设计在光控和声控的基础上加上了人体触摸控制电路，当声控和光控两个电路一方或同时损坏时，就由触摸控制电路继续正常工作，提供照明，同时有了人体触摸控制电路，也方便对声控和光控两个电路的维修。触摸控制电路由电极片M、电阻R6、R7、集成芯片CD4609内部的非门电路D4、二极管VD2等组成；如图3-8所示。第10页图3-8人体触摸控制电路人体触摸控制电路工作原理：不管白天和夜间，只要用手触摸电极片M后，人体感应信号转变成为电信号，将使非门电路D4的输入端变为高电平，其输出端变为低电平，又使二极管VD2导通，非门电路D5的输入端变为低电平，输出端为高电平，晶体管VT饱和导通，继电器K闭合，照明灯EL点亮。相反，没有触摸信号时照明灯EL灯则不亮。触摸电极片可用金属铁片代替，用12平方厘米的圆形或方形铁皮制成。第11页第4章电路仿真本设计采用Multisim10.0对电路进行仿真,电路仿真图如图4-1所示。图4-1电路仿真图在仿真过程中光敏电阻、声传感器、触摸板在元件库中都没有找到，最终决定用交流电源代替声传感器，而触摸板用+6V电源代替，给电路提供信号；光敏电阻在白天受光照时电阻很小，晚上没有受到光照时电阻很大，所以决定用导线代替光敏电阻；电源电路由+6V的直流电压代替。第12页第5章电路元器件的选择通过对元器件的参数对比和电路的需求，选择下面元器件作为本次设计的元器件。序号元件名称元件代号规格、型号数量备注1电阻器R1RJ-025-10K10%12电阻器R2RJ-024-2M-10%13电阻器R3RJ-024-300K-10%14电阻器R4、R6RJ-024-56K-10%25电阻器R5RJ-025-560K10%16电阻器R7RJ-025-1M-10%17电阻器R8RJ-025-1K-10%18电位器RP120K19非极性电容C1CD-25-01uf-10%110非极性电容C2CD-25-001uf-10%111极性电容C3、C5212极性电容C4113二极管VD1VD3、UR1N4148714六非门集成芯片D1、D2、D3、D4、D5CD4069115三极管VTNPN型116光敏电阻RLJN54C384117极体电容话筒BMCR22-113F118继电器K4098119触摸电极片M铁片120三端集成稳压器IC1LM78051第13页21变压器T122灯泡EL1第14页总结时至今日，几个礼拜的毕业设计终于可以画上一个句号了，但是现在回想起来做毕业设计的整个过程，颇有心得，其中有苦也有甜，不过乐趣尽在其中呀！没有接受任务以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结（这是我以前的一种想法），但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面、太偏激了。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。第一，接到任务以后进行选题。选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目，这对于整个毕业设计是否能够顺利进行关系极大。好比走路，这开始的第一步是具有决定意义的，第一步迈向何方，需要慎重考虑。否则，就可能走许多弯路、费许多周折，甚至南辕北辙，难以到达目的地。因此，选题时一定要考虑好了。第二，题目确定后就是找资料了。查资料是做毕业设计的前期准备工作，好的开端就相当于成功了一半，到图书馆、书店、资料室去虽说是比较原始的方式，但也有可取之处的。总之，不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。第四，有了研究方向，就应该动手实现了。其实以前的三步都是为这一步作的铺垫。撰写论文以及完成实物。一步步地做下去之后，你会发现要做出来并不难，只不过每每做一会儿会发现一处错误要修改，就这样在不断的修改。我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！