声光控楼道灯开关设计!

1、目录摘 要 1第 1 章 绪 论 2第 2 章 总体电路设计方案 32.1 总体电路设计方案 32.2 功能阐述 4第 3 章 单元电路设计与分析 53.1 电源电路设计 53.2 信号放大整形电路设计 63.3 延时处理电路单稳态电路设计 63.3.1 定时器 63.3.2 单稳态触发器 8第 4 章 整机电路原理分析 114.1 整机电路图 114.2 电路工作原理 11第 5 章 实物制作 135.1 元器件的选择 135.2 安装及调试 14致谢 15参考文献 16附录 元器件清单 17摘要在学校、机关及厂矿的公共场所和居民居住区的公共楼道里普遍使用的都是 机械手动开关。由于机械手动开

2、关经常被人为拨动，致使用了一段时间后就开始 出现各种各样的原因使许多灯泡点亮长明的现象，这样既缩短了灯泡的寿命，又 浪费了国家的电量，为国家、单位、个人造成了很多的经济损失。另外，由于频 繁开关或其他的人为因素，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。所以，应该要改善一下这种现象，设计一种既安全又 简单方便的新型墙壁开关，为消除事故隐患做足准备。本项目研究的是一种利用声、光双重控制功能的无触点开关。开关控制电路 主要由声控部分、光控部分和延时处理部分组成。白天光控电路对外界光亮程度 进行检测，由于光亮程度较强，光敏三极管呈现小电阻使晶闸管呈现截止状态， 无论多大

3、的声音干扰也不能开灯，从而实现白天灯泡不亮。晚上或遇到阴天，光 敏三极管感受到较暗的光强度并输出较大的电阻使晶闸管呈现导通状态，遇到声 响时，通过声控电路使灯泡自动点亮，并实现延时，从而实现自动控制。而且对 于声音感知的灵敏度和对光强度感知的灵敏度以及延时时间能够调节，即可以人 为的设定延时时间。这种开关特别适用于住宅楼、办公楼楼道、走廊、仓库、地下室及厕所等公 共场所的照明灯的自动控制，是一种集声、光、延时于一体的既节电又方便的自 动控制开关。此外开关还采用两线制工作方式，即开关对外只有两个引脚，所以 能直接取代普通机械开关以简化安装。关键字 声光控；灵敏度；延时；信号放大第 1章 绪 论当

4、今世界在电子信息技术的领域里取得了社会跨跃式的进步，科学技术的飞 速发展使各国生产力大规模提高。由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是 电子信息技术更显得重要，在国民生产各部门中电子信息技术得到了广泛的应 用。曾经不被人们所重视的如声音、光等如今在电子信息技术方面都得到了广泛 的应用，尤其是光能更是人们有待开发的具大的能源宝库。电子信息技术发展的主要目标是实现高度智能化，在不需要人为操作下使机 器能独立处理各种工作。智能化照明电路也是如此，如我们所熟知的走廊照明电 路其智能化实现方法就是利用了声学、光学、电学原理的综合；而马路上的路灯 是应用了光学的原理；另一个我们所熟知的交通系统红绿灯则是

5、采用了电子学中 计数器的原理。可见原理不同电路所实现的功能也不尽相同。随着电子技术、数字技术的不断发展，以及人们生活水平的不断提高，人们 对自己的生活及社会的能源也逐渐的开始重视起来。企业、学校、各大城市及社 会的每个角落都离不开“电” ，足见其重要性。但随着人们生活水平的不断提高， 电力的供需矛盾日益加剧。要发出更多的电就意味着要消耗更多的煤、石油、天 然气、核原料等不可再生能源，还会带来许多相应的环境污染问题。但是对于整 个地球来说，所有能源都是有限的，那怎么样才能做到对能源的有效利用呢？只 有节约能源。所以我们应该设计一个节能、耐用的自动控制开关。此开关的主要功能应该 是：白天楼道上光线

6、强烈时电路处于断开状态，电路不工作，以节约电能源；夜 晚或者阴天时电路闻声而亮，并从电灯亮时就开始延时，等到延时时间到了电灯 就自动熄灭，等待下一次声响的发出。第 2 章 总体电路设计方案2.1 总体电路设计方案总体电路的基本原理方框图如图 2-1 所示图 2-1 总体电路原理框图原理简述：在接通电源的情况下，根据光亮程度决定电路是否工作。当光亮程度低时， 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，该电信号经放大电 路放大后送到处理器处理，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的时间与设计要 求的功能，从而点亮灯泡，

7、处理电路如图 2-2 所示。输出信号输出输入处理输出（ a）框图（b）波形图图 2-2 信号处理电路总体电路简述：本电路为一声光自动控制白炽灯开关。电路主要由 555 定时器和声光控电路 组成。白天光线较亮时，光控部分将开关自动断开，声控部分不起作用。当光线 较暗时，光控部分将开关自动接通，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。当声音信号强度达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动断开，等待下一次声音信号触 发。2.2 功能阐述声音是一种模拟量而非电信号，无法在数字电路中使用，所以在设计声控电 路时就面临怎样把模拟量转化为数字量，把

8、声音信号转化为电信号的问题。现在 可以使用驻极体话筒，它可以很好的将声音信号转换成电信号。当声音信号转化 为电信号时，电信号一般较弱，必须对其进行放大。对此可选择功放电路，运放 电路，差分电路等，根据电路对信号的要求一般选择运放电路较好，提高信号输 出电压。这样就实现了声音信号到电信号的转换。但是，如果开关闻声就点亮的话，那么在白天就会造成很大的能源浪费。所 以这个时候就必须要利用白天的自然光。此电路就可以使用光敏三极管或者光敏 电阻来感知自然光的强度，从而来控制下一级电路的工作情况。在夜晚电灯点亮 时，可以利用 555 定时器构成单稳态触发器来实现它的延时功能。有了对光强度的感知和声音信号的

9、转换，实现声光控就容易了。先让光敏三 极管对光强度的感知使下一级电路是否导通，然后让声音信号转换的电信号去触 发晶闸管使电路导通。这样的电路设计对外加电源的要求必须稳定，故最好再设 计一个稳压电路，这样才能使电路稳定工作。如今对于这样的电路设计我们也不 必烦恼，因为有了光敏三极管以及声音传感器，可以直接将光亮程度和声音信号 转换为电信号，大大简化了电路结构，使声光控电路的设计显得更加容易。下面 就对用光敏三极管及声音传感器设计的声光控照明电路加以分析。声光控照明电路的主要原理：利用光学、声学和电子学的原理，即用光敏三 极管和声音传感器将光亮程度和声音信号转换成电信号，从而推动晶闸管导通使 电路

10、正常工作。 作为一个智能化声光控照明电路应具有以下功能： 白天电路呈封锁状态，电路不工作； 夜晚电路随声音信号而工作，点亮灯泡； 点亮灯泡并可以延时 30s。第 3 章 单元电路设计与分析3.1 电源电路设计电源电路的种类繁多，如变压器降压、桥式全波整流、 Lc、Rc 滤波、三端稳 压器稳压等等。具体采用什么电路合适，则要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。考虑到电路的稳定性以及经济方面的原因， 此电路采用单相桥式整流滤波电路。所以，电源的设计结构如图 3-1 所示。图 3-1 电源电路设计结构图首先，民用交流电是 220V，而整个电路只需要 8 10V的电压就能正

11、常工作， 所以第一步必须对 220V 的电压进行降压。其次，降低的电压不够稳定，为了电 路能够稳定的工作，从而我们必须对其进行整流、滤波及稳压。所以，电源电路 的设计如图 3-2 所示。图 3-2 电源电路我们来分析一下， 220V 的交流电压既为灯泡提供正常的工作电压， 又为整个 电路提供稳定的工作电压。全桥 QD和由 R1、C1 并联组成的部分并联在 220V 的 交流电压上，起到了对交流电压降压和整流的作用。通过 R1、C1、全桥 QD整流、 C2滤波，再经稳压二级管 DW1稳压后可以得到一个 +9V的直流电压，为电灯控制电路提供稳定的工作电压。3.2 信号放大整形电路设计放大电路实现方

12、法有很多，除分立器件实现之外，还可采用集成运放，也可 采用门电路等来实现。本电路的信号放大部分主要采用由多级三极管组成的谐振 放大电路，其电路设计结构如图 3-3 所示。图 3-3 信号放大整形电路拾音器采用电压蜂鸣器 HTD35 14，当有音响作用到压点陶瓷片上时，声震 导致的绕曲变形就会产生相应的电效应。当话筒感应到声音时，就马上把声音信 号转换成电信号，电信号直接经过 C4耦合，再由 VT1，VT2构成的直耦式音频放 大器进行放大。电信号此时从 VT2的集电极出来经过 C6耦合，二极管 D3导通流 向 VT3 基极。此时， VT3工作于饱和导通状态，集电极输出低电平去触发单稳态 电路。3

13、.3 延时处理电路单稳态电路设计3.3.1 定时器图 3-4 为 555 定时器的封装引脚图和内部电路组成框图。 555 定时器的内部 主要包括两个用运放构成的集成电路电压比较器、一个 R-S 触发器、一个晶体管 和几个电阻。 由于用在电压比较器的三个分压电阻都是 5k的，故称为 555定时(a) 555 定时器的引脚图(b)555 定时器的内部组成图 3-4 555 定时器555定时器的 1脚、8 脚分别接地和电源的正极；3 脚为电路的输出端；7 脚为放电端，相当于一个开关；4 脚为电路的复位端，其接地时， 555 的输出为低电平，且保持不变，一般 将 4 脚接在电源的正极上，使电路能正常工

14、作；5 脚为比较电压控制端，一般将其通过一个 0.01 F 的小电容接地。2 脚、 6 脚为两个电压比较器的输入端，一个为反相输入端，一个为同相输 入端，它们和 7 脚在电路中的接法决定了 555 的工作状态。R 为置 0 输入端，当 R=0 时，定时器的输出 OUT为 0；当 R =1时，555 定时 器具有以下功能：21当高触发端 TH>2 Vcc，且低触发端 TR>1 Vcc 时，比较器 C1输出为低电平；33C1输出的低电平将 RS触发器置为 0状态，即 Q=0，使得定时器的输出 OUT为 0，同时放电管 VT 导通。12当低触发端 TR < 1 Vcc ，且高触发端

15、 TH< 2 Vcc 时，比较器 C2输出为低电平； 33C2输出的低电平将 RS触发器置为 1状态，即 Q=1，使得定时器的输出 OUT为 1， 同时放电管 VT 截止。21当 TH< 2 Vcc、 TR > 1 Vcc 时，定时器的输出 OUT和放电管 VT的状态保持不 33变。根据以上分析，可以得出 555 定时器的功能表，见表 3-1。表 3-1 555 定时器的功能表输入输出THTRROUTVT××00导通2> Vcc1> Vcc3310导通2< Vcc1> Vcc331不变不变2< Vcc1< Vcc3311

16、截止3.3.2 单稳态触发器将低触发端 TR作为触发信号 uI 的输入端，再将高触发端 TH和放电管输出端 D接在一起，并与定时元件 R、C 连接，则可以构成一个单稳态触发器。具体电路 及工作波形如图 3-5 所示。b）工作波形图 3-5 555 定时器构成的单稳态触发器1当触发脉冲 uI下降沿到来时，由于 TR<1 Vcc，而 TH= uC =0，从 555定时器的3 功能表不难看出，输出端 OUT为高电平，电路进入暂稳态，此时放电管 VT截止。2由于 VT截止， Vcc 则通过 R对 C充电，当 TH=uC 2 Vcc 时，输出端 OUT跳变为3 低电平，电路自动返回稳态，此时放电管

17、 VT导通。电路返回稳态后， C通过导通 的放电管 VT 放电，使电路迅速恢复到初始状态。 可以算出，输出脉冲的宽度 tW 1.1 RC。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，从而对 555的 4 脚进行高低电平控制，使 555 处于等待触发状态，或处于强制复位状态。延时处理电路单稳态电路如图 3-6 所 示。图 3-6 延时处理电路单稳态电路白天光照强烈， VT5 呈低电阻， VT4 基极电流大于集电极电流，从而工作于饱和导通状态，相当于集电极与发射级短路。其集电极电位，即555 的 4脚呈低电平，从而使 555处于强

18、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，电灯没有电而不亮。夜晚光照微弱，此时 VT5 呈高电阻，且阻值 100K， VT4基极电流几乎为 零，从而工作于截止状态， 相当于集电极与发射极断路。 使 555 的 4 脚呈高电位， 555 触发器处于单稳态触发状态。此时如果有声响，经拾音、放大后，正极性信 号使VT3饱和导通，下跳变信号加到 555的2脚使 555翻转置位， 3脚输出高电 平，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) ，它取决于单稳态电路的 时间

19、常数，其大小为tW = 1.1 × R9 × C8(3-1)经计算，图示电路的单稳态时间为 33s，即电灯点亮后 33s 熄灭。第 4 章 整机电路原理分析4.1 整机电路图通过对电源电路、信号放大电路以及延时单稳态电路的设计与分析，现在就 可以作出整机电路的框图以及对整机电路原理的分析。整机电路原理图如图 4-1 所示。图 4-1 整机电路原理图4.2 电路工作原理整机电路如图 4-1 所示，交流电压 220V通过单相桥式整流滤波电路 （由 R1、 C1、全桥 QD和滤波电容 C2组成）整流、滤波，稳压二极管 DW1稳压后得到 +9V 的直流脉动电压，为整个电路提供正常工

20、作电压。 +9V直流电压既给 555 定时器 提供正常的工作电压，也作为正向偏压，加在可控硅 SCR及 R 支路上。在白天，亮度大于一定程度时，光敏三极管 VT5呈现低电阻状态，其阻值1K，使三极管 VT4 处于饱和导通状态，其集电极与发射极短路，那么此时555定时器的 4脚为低电平。根据 555 定时器构成的单稳态触发器的工作原理， 4脚 为低电平时， 555 处于强制复位状态，无论其他管脚输入如何， 555 均不会翻转 置位，输出端 3 脚都为低电平，单向可控硅 SCR因无触发电流而截止，此时整个 电路呈封锁状态，声控电路也不工作。此时流过灯泡 H 的电流 2.2mA,所以灯泡 H 不能发

21、光。另外，电阻 R1 和稳压二极管 DW1使三极管 VT4的偏置电压不超过6.8V，对三极管起保护作用在夜晚，亮度小于一定程度时，光敏三极管 VT5呈现高电阻状态，其阻值 100K，使三极管 VT4处于截止状态，其集电极与发射极断路，那么此时 555 定 时器的 4 脚为高电平，根据单稳态触发器的工作原理，整个电路处于正常工作状 态。此时，外界的声音信号通过话筒被转换成微弱的电信号，电信号通过放大电 路的放大，最终从 VT3的集电极输出一个低电平信号， 以触发 555定时器的 2 脚。 这时 2 脚接收到触发信号而使 555 翻转置位，从而 3脚输出高电平使可控硅触发 而导通，灯泡 H发光。电

22、灯点亮的时间（延时时间）即单稳态电路触发后高电平 持续的时间（稳态时间） ，它取决于单稳态电路的时间常数。图示电路的单稳态 延时时间为 33s，即电灯点亮 33s 就熄灭，等待下一次信号的触发。第 5 章 实物制作5.1 元器件的选择本电路装配无须调试，但元器件的选择很重要。话筒应选用直径较大的压电陶瓷片 HTD35A-1，其目的是拾取较多的声音信号，它的谐振频率为2.8KHz，对淬发的声音拾取较好。三极管 VT1应选用 C485型，其的值不能少于 150 倍。光敏三极管 VT5 选用暗电流 Id 较小，光电流 Ic 较大的 3UD5。降压电容 C2 选用耐压值在 400V 以上的金属化纸介电

23、容器。全桥整流 QD的反向击穿电压应选 用 1A/300V 以上的二极管，以确保整个电路的安全。IC1 选用 NE555时基电路，其结构简单，功能强大。可控硅 SCR选用 1 A 400V的进口单向可控硅 100-6 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 5-1 所示。图 5-1 单项可控硅外形图单向可控硅的测量方法是：用 r ×1 档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔 接正极，这时指针不偏转，万用表无读数。保持红表笔接在可控硅的负极，用黑 表笔触一下控制极 k，这时万用表有读数，黑表笔马上离开控制极k，这时万用表仍有读数，说明可控硅是完

24、好的。驻极体话筒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。二极管采用普通的整流二极管 1n40011n4007。总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。其 它元件按图 4-1 所示的标注即可。5.2 安装及调试准备好全套元件后，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

25、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。调试前，先将焊好的电路板对照电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、 短路、元件相碰等现象发生。通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止 触电，注意安全。如用万用表检测时，只用将万用表两表笔接触电路板相应处即 可。本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住， 将电源接上， 用手轻拍驻极体话筒， 这时灯应亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体话筒，这时灯不亮，说明 光敏电阻完好，这时开关就制作成功。若没有实现相应的功能，请仔细检查有无 虚假错焊和拖锡短路现象。致谢在本次设计过程中，感谢我的学校，给了我学习的机会，在学

26、习中，老师从 选题指导、论文框架到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见 与建议，老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求 的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视 野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这篇论文是在老师的精心指导和大力支持下 才完成的感谢所有授我以业的老师，没有这些年知识的积淀，我没有这么大的动力和 信心完成这篇论文。感恩之余，诚恳地请各位老师对我的论文多加批评指正，使 我及时完善论文的不足之处。谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅的各位老师表示衷 心的感谢。参考文献1 康华光电子技术基础第四版，高等教育

27、出版社出版， 2006 10 60 页2 彭介华电子技术课程设计指导高等教育出版社， 2006 20 100 页3 杨旭东 刘行景 杨兴瑶实用电子电路精选化学工业出版社， 2007 50 80页4 华成英电子技术中央广播电视大学出版社， 2006 120 200 页5 童诗白模拟电子技术基础高等教育出版社， 2004 150 210 页6 姜邈电子线路课程设计指导书中央广播电视大学出版社，2006 60 90页7 刘树林低频电子线路电子工业出版社， 2003 103 190 页8 孙建设模拟电子技术化学工业出版社， 2002 130 230 页9 黄俊 王兆安电力电子变流技术机械工业出版社， 2006 20 90 页序号名称型号规格位号数量附录1集成电路555 定时器IC112单向可控硅1A/400VSCR13驻极体话筒HTD35AB14三极管9014VT1,VT2,VT335三极管3DK2VT416光敏三极管3DU5VT517整流二极管IN4001VD1-VD668稳压二极管2C