声光触摸控制楼道灯开关.doc

本科毕业论文（设计）本科毕业论文声光触摸控制楼道灯开关11目 录绪论11 方案的论证11.1 方案一11.2 方案二12 电路的工作原理22.1 声控原理22.2 触摸控制原理32.3 光控原理43 电路板的焊接、调试及故障分析53.1 焊接53.1.1 印刷板的设计要求53.1.2 印刷板的线路设计63.1.3 印刷板的焊接设计63.2 调试及故障分析7结论8参考文献9附录10致谢11声光触摸控制楼道灯开关摘 要声光触摸控制楼道灯开关，能自动控制白天开关、夜晚亮灯、人走灯灭。具有灵敏、低耗、性能稳定、使用寿命长、节能等特点。这里介绍声、光控制自动延时节能开关,综合了声、光和延时控制、工作稳定、节电并可延长灯泡寿命。在白天或光线较强的场合即使有较大的振动声响也能控制灯泡不亮;晚上或光线较暗时遇到声响、振动后灯自动点亮,经过约一分钟(时间可设定)自动可用于楼梯、厕所等公共场所楼道灯的自动管理。本文阐述了简单的声光触摸控制楼道灯开关的制作。选择声敏传感器、光敏传感器和磁敏传感器作为基本元件。光敏电阻,声控传感器和触摸传感器三种传感器形成了声控、光控和触摸三种控制的电路板。利用布局和布线规则完成了电路板的制作。实现了电子开关的三种控制，实验结果实现了灯的控制。【关键词】传感器 声控 光控 触摸 节能 方便Sound and light touch control corridor lights switchAbstractSound and light touch control corridor lights switch for automatic switch during the day, night lighting, people take the light off. Sensitive, low consumption, stable performance, long life, energy saving and so on. Here are sound, light control automatically delay saving switch, combines sound, light and time delay control, job security, power saving and extended lamp life. Strong light during the day or the occasion even greater control of the vibration noise can not light bulbs; night or low light encounter sound, vibration, lights and automatic lights, after about one minute (time can be set) automatically can be used for stairs, toilets and other public places, the automatic management of the corridor lights. In this paper, a simple touch control of sound and light production of the corridor light switch. Select sound sensor, light sensors and magnetic sensors as a basic element. Photosensitive resistors, sensors and touch sensors voice of three sensors form a voice, light control and touch three control board. Using layout and routing rules of the circuit board production. To achieve the three control electronic switch, the experimental results achieved light control.【Key Words】sensor voice optical control touch energy saving convenient绪论公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关,由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象,故使灯泡寿命短,浪费电量,为国家、单位、个人造成经济损失。另外，由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关的损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。因此，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。以往的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠，如今单片机技术已经相当成熟，运用单片机可以设计出智能型的声控开关，电路设计好后，运用软件编程来实现其功能，灵活方便，修改简单。目前许多声控开关的平均使用寿命不长，主要是因为电路作频繁的开关，启动电流非常大，导致功率元件可控硅由于过载而损坏。本文中采用开关电压过零保护技术，可消除白炽灯开启瞬间的大电流冲击，有效地防止可控硅元件启动时的电流过载，大大地延长了开关的使用寿命，并且可以起到保护灯泡的作用。1 方案的论证设计声光控开关，最起码要考虑三方面的问题，其一是灯泡的开关控制，这是由220V市电供电。其二是光控制，使其在有光时，即使有声音也不能亮。其三就是声音控制，在晚上或光线不足时，只要有人经过，发出声音，灯泡就会点亮。1.1 方案一 电路框图如图1.1所示。图1.1 电路原理框图1.2 方案二该方案采用了单片机控制电路工作, CPU以GMS97C2051单片机为核心，该单片机能方便地用于不需外扩程序存储器的应用场合，达到简化电路、缩小体积、减小功耗和降低成本的目的。根据题目要求和制作成本,从中挑出简单易行的电路，分析其控制原理。分别对三种电路做接线实验，调试成功后两两进行整合。由于各电路的工作电压及某些其他因素影响，所以电路的整合难度稍大。最终搭试出一个新的电路，如方案一所示,此电路设计符合实验的要求。再对新电路进行测试，不断修改，成功后焊接到电路板上。2 电路的工作原理设计中的电路功能介绍。2.1 声控原理声控原理如图2.1所示。 图2.1（a） 声控电路图2.1（b） 声音感应、放大电路图2.1（c） 单稳态电路构成图a为声控电路部分，由图b声音感应、放大电路和图c单稳态电路构成。图2.2 声控原理图图2.2中三极管VT2、VT3及其电阻、电容器组成了单稳态电路。电阻R3为三极管VT2提供了基极电流；而三极管VT3的基极电流则是从三极管VT2的集电极电阻R4上得到的。三极管VT2集电极与三极管VT3基极之间是直接耦合的；而三极管VT3集电极与三极管VT2基极之间的耦合则是由电容器C2来完成的。电阻R4是三极管VT2的集电极负载,三极管VT3的集电极负载是电阻R5。单稳态电路的特点是它只有一个稳定状态。电路在没有信号输入时,选择合理的R3使三极管VT2稳定在饱和状态,此时它的集电极电压约为0.3V以下。这样使三极管VT3稳定在截止状态。这就是单稳态电路的稳定状态。当一个负脉冲通过C1到达三极管VT2的基极时,三极管VT2开始趋向截止,它的集电极电流减小,集电极电压升高；经过直接耦合,使三极管VT3的基极电压升高,三极管VT3开始导通,它的集电极电压下降；经电容C2的藕合又使三极管VT2的基极电压进一步下降(虽然这时负脉冲已经不再存在),形成一个正反馈,很快达到一个新的状态。此时三极管VT2截止,三极管VT3饱和导通。这就是单稳态电路的暂稳态现象。单稳态电路的暂稳态是不能持久的。在暂稳态期间,电容器C2通过电阻R3进行放电,随着放电的进行,三极管VT2的基极电压逐渐升高,当它达到0.5V以上时,三极管VT2开始导通,正反馈现象再次发生,整个电路很快又回到VT2饱和导通,VT3截止的稳定状态。电容C2通过电阻R3的放电过程决定了电路暂稳态的维持时间。根据计算,这个时间t =0.7R3C2。在本电路中电阻R3为510K,电容C2为47F,所以t17s.根据这个公式改变电阻R3或电容C2的参数,可以延长或缩短电路的延迟时间。电路复原后,电容器C2通过电阻R5和三极管VT2的发射结进行充电。充电完成后电路才可以接收下一次的触发。电路中的B是一只驻极体传声器,它能将声音信号转变为电信号。驻极体传声器压所转换的电信号较微弱,只有通过由三极管VT1组成的放大器把微弱的信号进行放大后,才能去触发单稳态电路。放大后信号中的负脉冲作用在三极管VT2的基极上时,可以使单稳态电路翻转。在电路的稳态过程下,单稳态电路中三极管VT2导通,三极管VT3截止。三极管VT3的集电极为高电平,接在它上面的三极管VT4是PNP型三极管,所以三极管VT4没有导通,继电器不工作。一旦有外界的声音来触发电路,单稳态电路中三极管VT2的基极受到负脉冲的作用而截止,单稳态电路处在了暂态的过程中。这时三极管VT3导通,它的集电极电压下降,导致与它连接的三极管VT4也导通,继电器吸合，LED电路导通从而灯亮。 2.2 触摸控制原理触摸控制原理在搞懂单稳态电路原理的基础上，很好的利用单稳态电路的性质尝试了触摸控制的实现，经试验得到了两个点可以通过触摸来控制的即R6电阻两端（VT3的集电极和VT4的基极），取的是VT4基极，这样有利于我焊接分布元件。如图2.3，当人体触摸A点时，人体感应电压使得VT4的基极电压降低，VT4导通。继电器吸合，LED发光。其熄灭原理与声控电路相同。 图2.3 触摸控制原理图2.3 光控原理 光敏二极管性质：当有光照时（达到一定强度）相当于断路，当无光照时，相当于导线。如图2.4所示。当有光照D2时，三极管VT6的基极与R10的交叉点断路，VT6截止，从而VT5也截止。当无光照时，VT6导通，其集电极电压接入VT5基极使其导通，VT5发射极的电压触发继电器吸合。LED电路通路。之所以这样设计，是为了直接实现光控功能。也可以将光控作为电路的总开关。图2.4 光控原理图3 电路板的焊接、调试及故障分析电路板的焊接安装时首先将电阻焊到电路板上,然后依次将三极管、发光二极管、光敏二极管、开关、电解电容、555定时器焊到电路板上（在电路板上的高度由低到高依次焊接）,注意电解电容器的极性和三极管的管脚排列。只要元器件正确,焊接可靠,电路基本不再需调整就可以工作了。首次通电，继电器会吸合。当灯熄灭后，可以拍手使灯亮，也可以触摸图钉A使灯亮，这两种方法点亮灯后约17秒（t=0.7R3C2=16.779）后灯自动熄掉，可以调节R3或C2控制亮灯时间。 3.1 焊接3.1.1 印刷板的设计要求1、正确这是印制板设计最基本、最重要的要求，准确实现电原理图的连接关系，避免出现“短路”和“断路”这两个简单而致命的错误。这一基本要求在手工设计和用简单CAD软件设计的PCB中并不容易做到，一般的产品都要经过两轮以上试制修改，功能较强的CAD软件则有检验功能，可以保证电气连接的正确性。2、可靠这是PCB 设计中较高一层的要求。连接正确的电路板不一定可靠性好，例如板材选择不合理，板厚及安装固定不正确，元器件布局布线不当等都可能导致PCB不能可靠地工作，早期失效甚至根本不能正确工作。再如多层板和单、双面板相比，设计时要容易得多，但就可靠而言却不如单、双面板。从可靠性的角度讲，结构越简单，使用面越小，板子层数越少，可靠性越高。3、合理这是PCB 设计中更深一层，更不容易达到的要求。一个印制板组件，从印制板的制造、检验、装配、调试到整机装配、调试，直到使用维修，无不与印制板的合理与否息息相关，例如板子形状选得不好加工困难，引线孔太小装配困难，没留试点高度困难，板外连接选择不当维修困难等等。每一个困难都可能导致成本增加，工时延长。而每一个造成困难的原因都源于设计者的失误。没有绝对合理的设计，只有不断合理化的过程。它需要设计者的责任心和严谨的作风，以及实践中为断总结、提高的经验。4、经济这是一个不难达到、又不易达到，但必须达到的目标。说“不难”，板材选低价，板子尺寸尽量小，连接用直焊导线，表面涂覆用最便宜的，选择价格最低的加工厂等等，印制板制造价格就会下降。但是不要忘记，这些廉价的选择可能造成工艺性，可靠性变差，使制造费用、维修费用上升，总体经济性不一定分理处，因此说“不易”。“必须”则是市场竞争的原则。竞争是无情的，一个原理先进，技术高新的产品可能因为经济性原因夭折。体会：1、要有合理的走向：如输入/输出，交流/直流，强/弱信号，高频/低频，高压/低压等，它们的走向应该是呈线形的(或分离)，不得相互交融。其目的是防止相互干扰。最好的走向是按直线，但一般不易实现，最不利的走向是环形，所幸的是可以设隔离带来改善。对于是直流，小信号，低电压PCB设计的要求可以低些。所以“合理”是相对的。2、选择好接地点：小小的接地点不知有多少工程技术人员对它做过多少论述，足见其重要性。一般情况下要求共点地，如：前向放大器的多条地线应汇合后再与干线地相连等等。现实中，因受各种限制很难完全办到，但应尽力遵循。这个问题在实际中是相当灵活的。每个人都有自己的一套解决方案。如能针对具体的电路板来解释就容易理解。3、合理布置电源滤波/退耦电容：一般在原理图中仅画出若干电源滤波/退耦电容，但未指出它们各自应接于何处。其实这些电容是为开关器件(门电路)或其它需要滤波/退耦的部件而设置的，布置这些电容就应尽量靠近这些元部件，离得太远就没有作用了。有趣的是，当电源滤波/退耦电容布置的合理时，接地点的问题就显得不那么明显。4、线条有讲究：有条件做宽的线决不做细；高压及高频线应园滑，不得有尖锐的倒角，拐弯也不得采用直角。地线应尽量宽，最好使用大面积敷铜，这对接地点问题有相当大的改善。3.1.2 印刷板的线路设计1.电源线设计根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。 2.地线设计的原则 (1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而租，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。 (2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条，则接地电位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在23mm以上。(3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。3.1.3 印刷板的焊接设计1 手工焊接方法手工焊接是传统的焊接方法，虽然批量电子产品生产已较少采用手工焊接了，但对电子产品的维修、调试中不可避免地还会用到手工焊接。焊接质量的好坏也直接影响到维修效果。手工焊接是一项实践性很强的技能,在了解一般方法后,要多练;多实践,才能有较好的焊接质量。 手工焊接握电烙铁的方法,有正握、反握及握笔式三种。焊接元器件及维修电路板时以握笔式较为方便。 手工焊接一般分四步骤进行。 准备焊接:清洁被焊元件处的积尘及油污,再将被焊元器件周围的元器件左右掰一掰,让电烙铁头可以触到被焊元器件的焊锡处,以免烙铁头伸向焊接处时烫坏其他元器件。焊接新的元器件时,应对元器件的引线镀锡。 加热焊接:将沾有少许焊锡和松香的电烙铁头接触被焊元器件约几秒钟。若是要拆下印刷板上的元器件,则待烙铁头加热后,用手或银子轻轻拉动元器件,看是否可以取下。 清理焊接面:若所焊部位焊锡过多,可将烙铁头上的焊锡甩掉(注意不要烫伤皮肤,也不要甩到印刷电路板上!),用光烙锡头沾些焊锡出来。若焊点焊锡过少、不圆滑时,可以用电烙铁头蘸些焊锡对焊点进行补焊。 检查焊点:看焊点是否圆润、光亮、牢固,是否有与周围元器件连焊的现象。 2 造成焊接质量不高的常见原因（1）焊锡用量过多,形成焊点的锡堆积；焊锡过少,不足以包裹焊点。冷焊。焊接时烙铁温度过低或加热时间不足,焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表面不光亮(不光滑),有细小裂纹(如同豆腐渣一样!)。（2）夹松香焊接,焊锡与元器件或印刷板之间夹杂着一层松香,造成电连接不良。若夹杂加热不足的松香,则焊点下有一层黄褐色松香膜；若加热温度太高,则焊点下有一层碳化松香的黑色膜。对于有加热不足的松香膜的情况,可以用烙铁进行补焊。对于已形成黑膜的,则要吃净焊锡,清洁被焊元器件或印刷板表面,重新进行焊接才行。（3）焊锡连桥。指焊锡量过多,造成元器件的焊点之间短路。这在对超小元器件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。（4）焊剂过量,焊点明围松香残渣很多。当少量松香残留时,可以用电烙铁再轻轻加热一下,让松香挥发掉,也可以用蘸有无水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊剂。（5）焊点表面的焊锡形成尖锐的突尖。这多是由于加热温度不足或焊剂过少,以及烙铁离开焊点时角度不当浩成的。3.2 调试及故障分析电路的调试在起初选用三个控制电路的时候，三个电路的工作电压是不同的。触摸与声控合并后，难点就在于光控与其他两个电路的整合（将三个信号直接控制继电器吸合的信号加在一个控制点）。当时在实验的时候，第一次灯控电路直接无效，无法实现光控功能。作出几种假设：一、光控电路放大信号不足以使继电器吸合。二、单稳态电路间接影响了VT5发射极的电试，经多次调节两个电路电阻，最后可以光控，但光控同样会被单稳态电路锁定17秒。而与预想的控制不同。这个原因很明显，光控电路触发了单稳态电路，使其稳定状态受破坏。LED的发光情况间接的由单稳态电路控制。用万用表测各节点电压发现：在声控和触摸都没激发单稳态的时候，光控信号一旦过大，VT5发射极的高电平信号将直接加在VT4的集电极，这样可能是使单稳态电路的稳态被破坏的直接原因。通过多次控制D2的进光量观察，最后解决了电路的融合。还有在刚开始进行声控电路调试时，须很大的声音才可以触发LED发光，很明显，声音信号的放大还不够触发单稳态电路。肯定是放大电路放大不够，然后翻开以前的模电书找到放大电路的章节。重新设置了R1和R2，起初由于设置阻值不合理，光控电路会被锁定。多次调节测试找到了一个适中的声控点。在整个过程中还遇到了很多细小的问题，在此就不再细说了。结论本文详细介绍了通过详细介绍了声光触摸控制电子开关的工作原理和作用，在分析声光触摸控制电子开关特性的基础上，结合电路的工作原理，设计出声光触摸控制电子开关，了解并掌握了声光触摸控制电子开关的制作方法以及其用途，完成了题目的要求，实现了电路的功能。参考文献1 何希才. 传感器技术及应用. 北京航空航天大学出版社2005年 21-23 2 赵家贵. 传感器电路设计