声控LED节能照明灯设计

山西职业技术学院毕业论文目 录摘要1关键词1一、绪言2（一）课题背景2（二）课题研究的目的和意义2二、LED灯的优点2（一）发光效率高2（二）使用寿命长2（三）安全可靠性强3三、LED灯的发光原理3四、LED的主要参数3（一）主要参数3（二）LED电学特性31.正向死区32.正向工作区33.反向死区44.反向击穿区4（三）最大允许功耗PFm4五、方案选择4（一）LED利用门电路来完成声光控的调节4（二）采用LM317供电5（三）使用了数字集成电路cd40115六、总体方案5（一）课题分析6（二）设计方案6（三）电路的工作原理61.滤波稳压电路62.声光控电路73.延时电路74.显示电路7七、总结7参考文献8摘要灯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 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。（一）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！（二）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。二、LED灯的优点（一）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。 （二）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7-10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。 （三）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。 三、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7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。四、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。 （一）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670700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630670 nm ，橙色发光二极管的波长一般为610630 nm左右，黄色发光二极管的波长一般为777 nm左右，绿色发光二极管的波长一般为777770 nm。（二）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VVa，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1.7V，GaN为2.7V。 2.正向工作区电流IF与外加电压呈指数关系 IF=IS(eqVF/KT1)-IS为反向饱和电流。 V0时，VVF的正向工作区IF随VF指数上升IF=ISeqVF/KT 3.反向死区V0时pn结加反偏压 V=-VR时，反向漏电流IR（V=-7V）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。 （三）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=UFIF 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TjTa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（TjTa）。 五、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：（一）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7V电压提供给4011，白天有光时，光电二极管D7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0.7uA/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。D7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7，9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7，9脚为低电位，11脚也翻转为低电位，可控硅截止，灯灭。（二）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=1.27/R1。（三）使用了数字集成电路cd4011其内部含有4个独立的与非门IC1AIC1D，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。六、总体方案（一）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27W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7.2V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。（二）设计方案 利用门电路来完成声光控的调节（见图一）（三）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IC1AIC1D，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，r7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D7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，D7两端的电压高，即为高电平间t=2r7c1，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D1D4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。1.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，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。2.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。3.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。4.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24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0.31mm左右，跟传统的灯泡或日光灯相比，体积相对小得多。七、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