声光双控照明节电开关.doc

声光双控照明节电开关原理研究与设计山东职业学院 毕业设计（论文）题 目： 声光双控照明节电开关原理研究与设计系 别： 轨道交通系 专 业： 电气化铁道技术班 级： 0933 学生姓名： 祁庆森 指导教师： 窦婷婷 完成日期： 2012-4-15声光双控节电开关设计摘要在学校、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和数字电子技术的理解和巩固，我设计的课题是声光双控节电开关，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。本设计是一种基于555定时器的声光双控灯的设计，电路主要由电源电路、信号放大整形电路、延时处理电路单稳态电路组成。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猝发声响，就会自动亮为行人照明，延时一定时间后又自动熄灭，节能节电。声光双控节能灯具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点。 关键词： 声光双控 555定时器 节能节电 自动开关目 录 1 引言 3 1.1 本设计的背景和意义 3 1.2 国内外发展状况 3 2 总体电路设计 42.1原理框图设计 42.2 电路设计方案一 42.3 电路设计方案二 52.4 方案比较 6 3 各部分支路电路设计 6 3.1电源电路设计 63.2信号放大整形电路设计 7 3.3延时处理电路单稳态电路的设计 84声光双控节能灯电路的总体设计 9 4.1声光双控节能灯的基本构成和原理 9 4.2声光双控节能灯的技术性能指标及主要特点 12 4.3声光双控节能灯的主要元器件及其特性 12 4.3.1 555定时器 12 4.3.2 驻极体话筒 14 4.3.3 光敏三极管 15 4.3.4声光双控节能灯的整机电路原理图(见附录A)16 4.3.5元件参数表（见附录B）16 4.3.6该电路PCB图以及3D视图（见附录C、D) 16 5 仿真调试 16 6 电路PCB板图的制作 16总结 17 致谢 18 参考文献 19 附录 201引言1.1本设计的背景和意义 随着人们生活现代化水平不断提高，国民经济的快速发展，电力的供需矛盾日益加剧。同时生产更多的电即意味着要消耗更多的煤、石油、天然气、核原料等不可再生资源，还会带来许多相应的环境问题。尤其是近两年，全国用电量及电负荷增长较快，前年以来全国已有三分之二的省（区，县）出现了不同程度的缺电甚至拉闸限电现象，严重影响了社会经济发展和人民生活水平提高。而照明系统在用电中占据着很大的比重，据有关统计数字显示，目前我国照明用电已占用电总量的10%12%，仅城市照明(包括景观照明和路灯等功能照明)的年用电量，约占全国总发电量的4%至5%，相当于在建三峡水力发电工程投产后的840亿千瓦时发电能力。在一些公共场所（如学校，机关等）的楼道、厕所中，长明灯现象十分普遍，这造成了极大的能源浪费，所以节约用电已经成为刻不容缓的问题。目前国内节电的主要途径是对现有的照明系统进行改造,采取加节能设备的方法,比较方便、经济和实用。 如果使用节能系统，我们的照明用电量将下降60，一年可节约740亿千瓦时电能，相当于节约2989万吨标准煤。我国白炽灯泡每年的耗用量高达30亿只;如果把其中的40%换用成节能灯,以每天照明4小时计,全年即可节约用电850多亿度,几乎相当于三峡电站的全年发电量。在市场上出现了多种节电照明灯，如声光双控灯、微波感应灯和热释远红外感应灯等。据调查，微波感应灯的抗干扰性能不是很理想；红外感应灯的性能比较理想，但价格较高，多用于一些管理完善的宾馆等场所。从性价比角度考虑的话。针对普通住宅楼、办公楼道等普通场所，声光双控灯不失为一种好的选择。而且声光双控节能灯工作稳定，节电效果也十分明显。1.2 国内外发展状况据中国照明学会调查资料表示：中国目前使用节能灯的家庭有一亿户，使用节能灯的酒店及公共场所更是多得难以统计；全国每年单节能灯市场的总额在120亿以上，同时每年城市化的进程在以6%的速度增长。据国家电光源质量监督检验中心介绍，我国已成为世界最大的节能灯生产国和出口国，生产的节能灯质量逐年稳步提高。2005年以来节能灯质量抽查产量合格率达到80以上。消费者使用节能灯既节能又省钱。我国节能灯产量从1997年的2亿只飙升至去年的近24亿只，产量与出口量均已位居世界第一，世界上85以上的节能灯来自中国。从1998年我国对节能灯实施监督抽查以来，由于加大了产品生产的监管力度，在企业中推广宣传国家标准和要求，节能灯产品产量合格率不断提高由于大中型企业占主导地位，虽然历年企业合格率增长不大，但是我国按产量计算的合格率逐年稳步提高。14美国、法国、荷兰、英国、意大利等国家从上世纪90年代起，纷纷制订出相关的扶持政策，用于推广节能灯等节能产品。仅美国环保局从1991年开始实施绿色照明计划以来，就投资了10多亿美元用于推广高效照明产品。美国能源部研究认为，节能灯的新科技也能令公司雇员提供生产效率，这是因为雇员能把光效调校至他们觉得舒服的等级。研究指出，节能灯能减少雇员眼部疲劳和头疼的发生率。这也构成商业机构乐于更新换代照明系统的另一个原因。可见节能灯在国内外都有着重大的发展和重要的作用。2 总体电路设计2.1原理框图设计原理框图如图2.1图2.1原理框图2.2电路设计方案一设计简介：主要由555集成电路和声控专用集成电路BHSK-1组成。电路图如图2.2图 2.2方案一电路图电路简述 ：本电路为一声光自动控制白炽灯开关。白天或夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。电路主要由555集成电路和声控专用集成电路BHSK-1组成。白天或夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分。电路是否接通，取决于声音信号强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次声音信号触发。2.3电路设计方案二设计原理简述：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，处理电路如图2.3：图2.3处理电路声光控路灯控制器电路原理图2.4：图2.4方案二电路图电路简述 ：本电路为一声光自动控制白炽灯开关。白天光线强时，光敏器件呈低阻，时基电路555处于强制复位状态，无论有没有声音，可控硅都不能触发导通，灯不会亮；夜晚或者光照弱时，光敏器件呈高阻，555触发器处于单稳态触发状态，此时如果有声音传入，经放大整流后，触发单稳态，可控硅导通灯亮并延时电路开始延时，延时完灯熄灭。2.4方案比较方案一和方案二的原理框图相同，在方案一中采用声控专用集成电路BHSK-1和555集成电路，方案二主要采用的是555集成电路，考虑到电源的稳压性能，方案二电源稳定性能比较好，器材的价格，方案二器材简单，价格便宜。总体比较而言：方案二比较适合。3 各部分支路电路设计3.1电源电路设计电源电路的种类繁多，如变压器降压；桥式整流全波整流；Lc、Rc滤波；三端稳压器稳压等。具体采用什么电路合适，则根据主体电路及执行机构不同和可靠、价廉、有效益等要求进行选用。在本设计中采用的电源的设计结构如图3.1：图3.1电源结构设计降压整流部分由R1C1、全桥QD和滤波电容C2组成，稳压二极管DW稳压。接入+220V交流电源经降压整流滤波稳压后得到+9V的直流电压，为电灯控制电路提供了工作电压，同时220V交流电源也为电灯提供工作电源。电源电路如图3.2图3.2 电源电路3.2信号放大整形电路设计放大电路实现方法很多，除分立器件实现之外，还可采用运放，也可采用门电路等来实现。本系统放大整形电路设计结构如图3.3图3.3 放大整形电路拾音器采用驻极体话筒M，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。由于声电效应较小，设计了VT1，VT2，直耦式音频放大器，将信号放大，并由D2，D3，C7倍压整流再经T3倒相放大，触发单稳态电路。3.3延时处理电路单稳态电路的设计555和R9、C8、VT4、VT5等组成光控单稳态电路。所谓光控就是利用光敏三极管对不同光照呈现的阻抗不同，对时基电路555的四脚进行高低电平的控制，或处于等待触发状态，或处于强制复位状态。白天光照强VT5呈低阻，VT4正偏置而饱和导通。其集电极电位，即555的4脚被钳制在0.3V左右，从而使555处于强制复位状态，此时不管2脚有多大的触发电平，555均不会翻转置位。可控硅不会触发导通，电灯无电不亮。夜晚光暗，此时VT5呈高阻而截止，VT4无偏置电流，呈截止状态。555的4脚呈高位，使555触发器处于单稳态触发状态，此时如果有声响，经拾音，放大，倍压整流后，正极性信号使VT3饱和导通，下跳变信号加之555的2脚使555翻转置位。3脚由原来的低电平变为高电平（约+8.5V），经R3限流后触发双向可控硅SCR并导通，电灯H得电点亮。电灯点亮的时间即单稳态电路触发后高电平持续的时间（稳态时间），他取决于单稳态电路的时间常数，其大小为，Td=1.1（R9）（C8）图3.4所示电路的单稳态时间为120s，即电灯点亮后2分钟熄灭。图3.4延时电路4声光双控节能灯电路的总体设计4.1声光双控节能灯的基本构成和原理（1）基本构成总体电路原理框图如图4.1 图4.1总体电路原理框图原理简述： 白天光线强时，光敏器件呈低阻，时基电路555处于强制复位状态，无论有没有声音，可控硅都不能触发导通，灯不会亮；夜晚或者光照弱时，光敏器件呈高阻，555触发器处于单稳态触发状态，此时如果有声音传入，经放大整流后，触发单稳态，可控硅导通灯亮并延时电路开始延时，延时完灯熄灭。（2）电路工作原理电路简述： 555和R9、C8、VT4、VT5等组成光控单稳态电路。所谓光控就是利用光敏三极管对不同光照呈现的阻抗不同，对时基电路555的四脚进行高低电平的控制，或处于等待触发状态，或处于强制复位状态。白天光照VT5呈低阻，VT4正偏置而饱和导通。其集电极电位，即555的4脚被钳制在0.3V左右，从而是555处于强制复位状态，此时不管2脚有多大的触发电平，555均不会翻转置位。可控硅不会触发导通，电灯无电不亮。夜晚光暗，此时VT5呈高阻而截止，VT4无偏置电流，呈截止状态。555的4脚呈高位，使555触发器处于单稳态触发状态，此时如果有声响，经拾音，放大，倍压整流后，正极性信号使VT3饱和导通，下跳变信号加之555的二脚使555翻转置位。3脚由原来的低电平变为高电平（约+8.5V），经R3限流后触发双向可控硅SCR并导通，电灯H得电点亮。同时延时电路开始延时，延时结束，电灯H熄灭，等待下一次声音的触发。声光双控节能灯电路图如图4.2图4.2声光双控节能灯电路4.2声光双控节能灯的技术性能指标及主要特点1、输入：交流220V2、输出：经降压整流滤波稳压后提供+9V的工作电压。3、延续时间：120秒，可调4、开关灯全自动化控制，包括白天全关闭，晚上自动开、关灯。5、安装方便。6、工作可靠，且价格低廉。4.3声光双控节能灯的主要元器件及其特性4.3.1 555定时器555定时器是一种将数字功能和模拟功能集为一体的中规模集成电路。它的结构比较简单，使用却非常灵活，也很方便，可以用它构成多谐波振荡器、施密特触发器和施密特触发器等。用555定时器构成的各种电路，都是通过定时控制，实现信号的产生与变换，从而完成其他控制功能。（1）555定时器的结构 图4.3 555定时器各种555定时器的电路结构大同小异，它由比较器C和C、基本触发器和输出级三个部分组成，外部共有8根引脚，各脚的名称和功能如下：1脚为接地端，也是芯片的公共端；8脚为电源端V；3脚为信号输出端V；7脚为放电端。如果经过一个足够大的电阻街道电源上那么放电端可获得一个与输出端相一致的电平。4脚为直接复位端。只要在此输入低电平，输出端立即被置为低电平，不受其他输入状态的影响。正常工作是接高电平可直接接到电源上6脚为C比较器的信号输入端V又称阈值段TH；2脚为C比较器的信号输入端V又称为触发端。它们输入的信号可以是数字信号也可以是模拟信号，分别与比较器所设置的参考电压进行比较便于控制输出状态。5脚为控制电压输入端V。如果V端没有外加电压时两个比较器的参考电压，由电源电压经过三个等值电阻分压提供，则V=V，V=V。在这种情况下，该端可通过电容（0.01F）接地防干扰信号窜入。如果该端接入外电压V时，则，V= V， V=V，因此V可改变参考电压值V。（2）芯片功能1、若=0，不管其它输入如何输出端都为低电平。2、若=1，当V()V且V(V)时，比较器C输出为0，C输出为1，即V=0，V=1，基本RS触发器状态Q置成0，输出V为低电平；同时放电管T导通。3、若=1，当V()V且V(V)时，比较器C、C输出都为0，即V=V=0，基本RS触发器状态Q=1，输出低Q端为高电平，V也输出为高电平，同时放电管T截止，放电端没有放电回路。4、若=1，当V()V且V(V)时, 比较器C输出为1，C输出为0，即V=1，V=0，基本RS触发器状态Q置成高电平，V也输出为高电平，同时放电管T截止，放电端没有放电回路。5、若=1，当V(V)时，比较器C、C输出都为1, 即V=V=1, 基本RS触发器状态Q保持不变，V和放电管状态保持不变。 输入各级输出T状态VVVV触发器输出Q输出VT状态00低电平导通1()V(V)010低电平导通1()V(V)001高电平截止1()V(V)100高电平截止1()V(V)11Q不变不变表4.1 555定时器芯片功能4.3.2 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。驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。图4.4驻极体话筒高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。电容上电荷的公式是QCV，反之VQ/C也是成立的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。驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管时有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。驻极体话筒与电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。4.3.3 光敏三极管光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。通过对半导体二极管和三极管的学习，我了解了晶体管的基本结构和工作原理，晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种，如图从三个区引出相应的电极，分别为基极b发射极e和集电极c。 发射区和基区之间的PN结叫发射结，集电区和基区之间的PN结叫集电极。基区很薄，而发射区较厚，杂质浓度大，PNP型三极管发射区发射的是空穴，其移动方向与电流方向一致，故发射极箭头向里；NPN型三极管发射区发射的是自由电子，其移动方向与电流方向相反，故发射极箭头向外。发射极箭头向外。发射极箭头指向也是PN结在正向电压下的导通方向。硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。虽然重点学习了晶体管的放大作用，但是我对晶体管的开关作用更感兴趣。半导体就像一个开关，可以通过导通与截止来控制电路。半导体通过添加一部分微量元素会使其特性发生翻天覆地的变化。光敏晶体管就是一种重要的衍生物。视觉是人体最重要的感觉，因此，我觉得通过光来控制电路真是太精妙了，而光敏的二极管三极管恰好就完成这个任务。因为光敏三极管由于还具有放大作用，因此应用比二极管更加广泛。 光敏三极管用于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。4.3.4声光双控节能灯的整机电路原理图(见附录A)4.3.5元件参数表（见附录B）4.3.6该电路PCB图以及3D视图（见附录C、D)5 仿真调试本电路对元器件的选择很重要，拾音器选用驻极体话筒，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。V1管选用C485，的值不少于150倍。光敏三极管VT5选用暗电流Id较小,光电流Ic较大3UD，降压电容选用耐压400V以上的金属化纸介电容器，全桥整流的QD的反向击穿电压选用1A300V以上的器件，以确保安全。该灯在接入220V直流电源后，白天电路不工作,它只会在光线不足或者夜晚的时候电路才进行工作,在发出一定声音的情况下，灯亮并且持续一定时间后会自动熄灭。设计完成后，用软件进行了仿真，得到以下仿真结果如图2-9、2-10。其中用一个开关代替驻极体话筒，用滑动变阻器代替光敏三极管。6 电路PCB板图的制作本次设计中，我使用PROTEUS软件来画电路以及制作PCB板，用Proteus 制作PCB通常包括以下一些步骤：（1）绘制电路原理图并仿真调试；（2）加载网络表及元件封装；（3）规划电路板并设置相关参数；（4）元件布局及调整；（5）布线并调整；（6）输出及制作PCB。其中对于封装库中没有的封装或者是与实际的元件不符的封装，需要自己画。自建封装保存后，再到库中加载，就可以把自己制作的元件封装加载到PCB中了。总结本次毕业设计中我所设计的题目是“声光双控节能灯的设计”。这是一种声音和光照双控照明灯，它可以广泛用于楼梯、过道、库房的场合。本设计是一种基于555定时器的双控灯的设计，电路主要由电源电路、信号放大整形电路、延时处理电路单稳态电路组成。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猝发声响，就会自动亮为行人照明，过几分钟后又自动熄灭，节能节电。声光双控节能灯具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点。该设计的缺陷是电路稍显复杂，而且价格比市面上的同功能的贵，并且该设计在接入节能灯后，因为节能灯不能频繁启动，容易造成节能灯寿命减少。节能灯适合接入采用继电器作为输出器件的声光控开关。致 谢三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。三年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将完成之际，思绪万千，心情久久不能平静。在此我想把我的敬意和赞美献给电铁教研组的全体老师们。我不是你们最出色的学生，而你们却是我最尊敬的老师。代老师治学严谨，窦老师学识渊博，赵老师思想深邃，视野雄阔，是你们为我们电铁专业营造了一种良好的精神氛围。在此也感谢我的爸爸妈妈，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！ 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。