声光双控节能电子开关设计

1、武汉理工大学能力拓展训练设计报告书摘要声光双控延时开光不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公室、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，而且降低能耗，节约能源，注重环保是当今世界的主潮流。此外，它在一定的场所使用还可起防盗作用。它是公共场所照明开关的理想选择，被人们誉为“长明灯的克星” 。本文阐述了简单的声、光同时控制的路灯电路的制作。该电路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。选择声敏传感器、光敏传感器作为基本元件。综合了声、光和延时控制、工作稳定、节电并可延长灯泡寿命。光敏传感器,声控传感器两种传感器形

2、成了声控、光控两种控制的电路。利用布局和布线规则完成了电路板的制作。实现了电子开关的两种控制，实验结果实现了灯的控制。关键词：关键词：声光双控延时节电武汉理工大学能力拓展训练设计报告书目录摘要.1 总体电路设计. 12 各模块设计. 12.1 电源模块. 12.2 信号收集模块. 32.2.1 光信号收集电路的设计. 32.2.2 光信号电路的工作原理. 32.3.1 声音信号收集电路的设计. 524 信号处理模块. 62、4、1芯片 TC4081BP 的介绍. 62、4、2芯片 TC4081BP 的工作原理. 62.5 延时模块. 82.5.1 延时控制电路. 82.5.2RC 电路的放电过

3、程. 92.5.3 RC 电路的时间常数. 102.6 被控制电路. 112.6.1 电路工作原理. 113 电路仿真及 PCB 图. 124 总结体会. 145 参考文献. 15武汉理工大学能力拓展训练设计报告书1声光双控节能电子开关设计声光双控节能电子开关设计1 总体电路设计所设计的电路分为五个模块：电源模块，信号收集模块，信号处理模块，延时模块和被控制模块。 (模块图如1-2)电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动三极管，芯片 TC4081BP 和小灯。信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。 声音信号收集模块将声音信号转变为音频电信号从而能够输入电路， 起到控制开关的作

4、用。 光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起控制芯片的输入。信号处理模块即是芯片 TC4081BP 对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用于延时模块。延时模块是在信号处理模块的作用下工作，起到延时的作用。图 1-1 声光双控电路框图2 各模块设计2.1电源模块电源电路采用降压、整流、滤波和稳压的组合电路，将 220V 的交流电压变为 5V 和 12V 的直流电压。模块图如图 2-1电源变压器整流电路滤波电路稳压电路图2-1武汉理工大学能力拓展训练设计报告书2降压过程是将 220V 单相交流电压直接输入有一定匝数比的变压器，得到降压后的电压。然

5、后将变压器副边的交流电压通过单相桥式整流电路，得到脉动系数较大的直流电压。为了减小电压的脉动，将经过整流桥整流后的直流电压通入由滤波电容构成的滤波电路，使输出较为平滑的电压。要得到稳定的直流电源需将滤波后的电压输入稳压电路。稳压电路有电阻个稳压二极管构成，利用二极管的稳压特性， 使得到不受电网电压波动和负载电阻变化影响的稳定性较高的直流电压1、 整流桥简介图 2-2 桥式二极管整流电路整流桥就是将整流管封在一个壳内了.分全桥和半桥.全桥是将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起.半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起,用两个半桥可组成一个桥式整流电路,一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全

6、波整流电路, 选择整流桥要考虑整流电路和工作电压.整流桥堆一般用在全波整流电路中，它又分为全桥与半桥。全桥是由 4 只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的，图是其外形。 全桥的正向电流有 0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A 等多种规格，耐压值（最高反向电压）有 25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V 等多种规格。武汉理工大学能力拓展训练设计报告书32 降压滤波电路图 2-3 降压滤波电路由图 2-3 中的电阻 R7、电容 C2 和稳压管 D6 组成。电路中灯泡也起到了

7、很重要的降压作用。桥式整流电路输出的脉动直流电压经过 R7 限流降压，电容 C2 滤波，从而得到比较小的直流电压加到稳压管 D6 上，获得 12V 的直流电压，作为控制电路的直流电源。2.2信号收集模块2.2.1 光信号收集电路的设计对于光信号的设计，我们要求在白天与晚上 R5 与 RG 间的电压输出有很大的反差，在白天要求输出低电平，而在晚上要求输出高电平，所以必须要用光敏电阻 RG。将光敏电阻 RG 与 R5 串联起来图 2-42.2.2 光信号电路的工作原理在白天光较强时，光敏电阻 RG 的阻值较低（约为 1.2k） ，在 R5 与光敏武汉理工大学能力拓展训练设计报告书4电阻的两端加有

8、12V 的电压，在白天我们要求此端输出低电平，则不管声控部分输出的是高电平或低电平，芯片 TC4081BP 最终都输出低电平，则使得控制电路的三极管不导通，继电器上无电流，由继电器的工作原理可知灯泡不亮。所以R5 的阻值要远大于 1.2k，近似使得 R5 短路。在晚上光线较暗时，光敏电阻 RG 的阻值变大（最大约为 50M） ，R5、RG 串联对 12V 电压分压，在晚上我们要求此端输出高电平，若此时有声音即声控部分输出高电平，则芯片 TC4081BP 最终输出高电平，使得控制电路的三极管导通，继电器上有电流，由继电器的工作原理可知灯泡亮。若无声音，则声控部分输出低电平芯片 TC4081BP

9、最终输出高电平，灯泡不亮。所以 R5 的阻值要远小于 50M，这样晚上可认为电压全分与 R5，RG 短路。即控制灯泡在晚上无声时不亮。2.2.3 光信号电路相关参数的分析通过对光电路的工作原理分析我们要求 R5 阻值要远大于 1.2k，同时又要远小于 50M。再由串联分压公式可知(R5+RG)*I=Vcc（2.1）所以R5=Vcc/IRG由于在白天 RG 约为 1.2k，晚上 RG 约为 50M，Vcc=12V我们综合各种因素最终选择 R5 为 1M。武汉理工大学能力拓展训练设计报告书52.3.1 声音信号收集电路的设计图 2-5 仿真声控部分原理图顾名思义，声光控延时开关就是用声音来控制开关

10、的“开启，若干分钟后延时开关“自动关闭。因此，整个电路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。明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元。仿真电路原理如图 1 所示。在仿真当中，由于仿真软件的不熟，声音输入部分我们用开关代替，同样电容 C2 具有通交流阻直流的作用，由于声音输入相当于一个正弦信号输入。所以在仿真中，我们把麦克风用导线代替，电容也用开关代替。当外界有声音发出时，开关闭合，可使三极管 VT 瞬间截止，集成电路 A的 2 脚便通过电阻器 R4 连接 12V 电压正极，又因 A 的一脚在晚上也是高电压，便相继使 A 的 3 脚输出低电压，5

11、脚和 6 脚也为低电压，4 脚则输出高电压。该电压经二极管 VD1 正偏导通，向电容器 C2 充电，又使 A 的 8 脚和 9 脚为高电压，继续控制 A 的 10 脚输出低电压，12 脚和 13 脚为低电压，11 脚输出高电压。使三极管导通，便使继电器工作，开关闭合，从而驱动灯泡 H 放光。注：在仿真中灯泡我们用的是发光二极管（LED） 。当外界没有声音发出时，开关断开，三极管输入到集成电路 A 的 2 脚一个武汉理工大学能力拓展训练设计报告书6低电平。又因 A 的一脚在晚上也是高电压，便相继使 A 的 3 脚输出高电压，5 脚和 6 脚也为高电压，4 脚则输出低电压。该电压经二极管 VD1

12、正偏导通， ，又使 A的 8 脚和 9 脚为低电压，继续控制 A 的 10 脚输出高电压，12 脚和 13 脚为高电压，11 脚输出低电压。三极管不工作，继电器无法产生电流，继而无法导通开关，从而灯泡 H 不24信号处理模块2、4、1芯片 TC4081BP 的介绍TC4081BP 是一种将四个基本二输入与非门电路集合在一起制成的集成电路，因此称为二输入四与非门集成电路。利用该集成电路既可以设计放大器，也可以设计振荡器，还可以设计控制开关，因此被广泛应用于各种电子设备中。另外，TC4081BP 内部四个二输入与非门电路各自独立，实际中可选用其中一个，也可以四个全用，还可进行并联、串联应用，这又给

13、我们的设计带来了极大的方便。2、4、2芯片 TC4081BP 的工作原理TC4081BP 的外形如图 2-6 所示，它是采用晶体管制造工艺在硅晶片上生产四个各自独立的二输入与非门电路， 然后采用 DIP-14 标准封装而成的双列 14 脚直插式结构。武汉理工大学能力拓展训练设计报告书7图 2-6图 2-7TC4081BP 的 14 个引脚的排列、 引脚名称及内部结构如图 2-6 所示， 可以很清楚的看到四个二输入与非门相互独立， 每个单独的与非门有两个输入端和一个输出端。四个与非门被集成后，TC4081BP 的 1 脚、2 脚、3 脚属于第一个与非门电路，其中 1 脚的 1IN1 端为该与非门

14、的输入端，2 脚的 1IN2 端为该与非门的另一个输入端，3 脚的 1OUT 端为该与非门的输出端；4 脚、5 脚、6 脚属于第二个与非门电路，其中 4 脚的 2IN1 端为该与非门的输入端，5 脚的 2IN2 端为该与非门的另一个输入端，6 脚的 2OUT 端为该与非门的一个输出端；8 脚、9 脚、10 脚属于第三个与非门电路，其中 8 脚的 3IN1 端为该与非门的输入端，9 脚的3IN2 端为该与非门的另一个输入端， 10 脚的 3OUT 端为该与非门的一个输出端；11 脚、12 脚、13 脚属于第四个与非门电路，其中 11 脚的 4IN1 端为该与非门的输入端， 12 脚的 4IN2

15、端为该与非门的另一个输入端， 13 脚的 4OUT 端为该与非门的一个输出端；7 脚、14 脚为 TC4081BP 的工作电源输入端，7 脚位电源的负极 Vss，14 脚为电源的正极 Vdd。在 TC4081BP 中，每个与非门的两个输入端与一个输出端之间所呈现的关系见表 1。第一个输入端（1 脚）第二个输入端（2 脚）输出端（3 脚）011101001110表中以 TC4081BP 的第一个与非门为例， “0”表示低电压， “1”表示高电压与非门集成电路是一种价格最低廉的集成电路，而且工作损耗小，适应电压武汉理工大学能力拓展训练设计报告书8范围宽，可在 318V 的范围内正常工作，因此得到广

16、泛应用。图 2-8信号处理2.5 延时模块2.5.1 延时控制电路图 2-9 延时控制电路延时控制电路的工作原理：见图 2-9 的电路图，在白天时，与非门 U1A 的输入端 1 脚为低电平，则 3 脚被锁定为高电平，与 2 脚的输入高低电平无关，所以电路封锁了声音通道，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音控制。这时，门 U1A 的 3 脚输出的高电平经过门 U1B、U1C、U1D 三次反相后成低电平，晶闸管武汉理工大学能力拓展训练设计报告书9D7 无触发信号不导通，灯不亮。当在夜晚同时有声音信号时，与非门 U1A 的输入端 1 脚和 2 脚都为高电平，则其输出为低电平，再经与非门 U1B 反

17、相输出高电平，通过隔离二极管 D1 给电容 C3 充电，当 C3 充电电压达到与非门 U1C 的阈值电平时，使与非门 U1D 输出高电平，通过 R5 触发可控硅 D7 使其导通，主回路便有较大的电流通过白炽灯使其发光。当声音消失后，与非门 U1A 的输入端的 2 脚变为低电平，则其输出端为高电平，从而使与非门 U1B 输出为低电平，因 D1 的阻断作用，电容 C2 只能通过 R5 缓慢放电，经过大约 1 分钟下降到与非门 U1C 的阈值电压以下， 使与非门 U1D 输出低电平， 当交流电过零点时， 可控硅自动关断，白炽灯熄灭。延时时间理论值为：t=2RC=210uF1M62.8S2.5.2RC

18、 电路的放电过程当电容 C2 已有电压 U0时，且二极管无正偏截止时，电容器立即对电阻 R6惊醒放电，放点开始时的电流为0UR,放电电流的实际方向与充电时相反，放电时的电流i与电容电压cu随时间均按指数规律衰减为零，电流与电压的数学表达式为:01tRCcuUe（2.5.1）0tRCUieR（2.5.2）式中0U为电容器的初始电压。放电时i和cu的变化曲线如图 2-10 所示。武汉理工大学能力拓展训练设计报告书10图 2-10RC 放电时电压和电流的而变化曲线2.5.3 RC 电路的时间常数RC 电路的时间常数用t表示，tRC,t的大小决定了电路充放电时间的快慢。对于充电而言，时间常数t时电容电

19、压cu从零增长到 63.2%US所需而当时间；对放电而言，t是电容电压cu从0U下降到 36.8%0U所需的时间。R6 的阻值为 250K，C2 为 100uF,则有6*2tRC6*2tRC=250K*100uF=25s所以延迟时间为 25s武汉理工大学能力拓展训练设计报告书112.6被控制电路2.6.1 电路工作原理图 2-11被控制电路被控制电路三极管 T2、继电器 H、LED 灯 D3、电阻 R8、R9，二极管 D2 组成，在这部分电路中，继电器和三极管相当于一个开关，可开通或关断灯泡连接的 5伏直流电源， 。当三极管 T2 处于饱和导通状态时，集电极电流驱动继电器 H 动作，开关闭合，

20、灯泡回路导通，此时在灯泡回路中，电流从直流电源沿电阻 R8继电器中的开关LED 灯 D3，最后流回直流电源，就这样灯泡亮也。当三极管 T2 处于截止状态时，继电器 H 中无电流通过，故而继电器开关无法动作，导致灯泡回路开路，无电流通过，LED 灯 D3 不亮。继电器 H 中开关动作受三极管 T2 控制，当三极管 T2 处于饱和状态时，其集电极有电流通过，从而驱动继电器 H 中的开关动作，灯泡回路导通；而当三极管T2 处于截止状态时，其集电极无电流通过，继电器中无电流通过，其开关无法动作，灯泡回路关断。三极管 H 是处于饱和导通还是处于截止断开，则由其基极 B 控制。当 B 极电压处于高电平时，

21、其值高于集电极 C 的电压，而且大于三极管 T2 的开启电压 Uon,武汉理工大学能力拓展训练设计报告书12三极管处于饱和导通状态，集电极上的继电器中有电流通过；当基极 B 处于低电平状态时，其值小于三极管开启电压 Uon，三极管处于截止状态,其集电极中无电流，三极管这个“开关处于断开状态。二极管 D2 的作用是保护继电器。 当三极管 T2 饱和导通时， 继电器中有电流通过，此时是二极管 D2 相当于开路，对电路无影响， ；当三极管在转换到截止状态的瞬间，由于继电器中含有电感元件，那么必然会在此刻产生极大的电流，如果不加二极管 D2，电路可能会因电流过大而损坏，而加上二极管后，电流改变流向，通

22、过二极管 D2 和继电器中的电感组成的回路完成放电过程，不会损坏电路。3 电路仿真及 PCB 图电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动三极管，芯片 TC4081BP 和小灯。信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。声音信号收集模块将声音信号转变为音频电信号从而能够输入电路，起到控制开关的作用。光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起控制芯片的输入。信号处理模块即是芯片 TC4081BP 对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用于延时模块。延时模块是在信号处理模块的作用下工作，起到延时的作用。被控制模块在信号处理模块及延时模块的共同

23、作用下工作，达到设计的目的。武汉理工大学能力拓展训练设计报告书13图 3-1 声光控制楼道开关电路原理图图 3-2PCB 图武汉理工大学能力拓展训练设计报告书144 总结体会在这段时间里的设计中，我做的课题是“声光控制楼道开关” 。这是一种声音和光照双控制的照明灯，它可以用于楼梯，过道，库房的场合。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会使灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声音，就会自动为行人照明，过一会儿后有自动熄灭，节能节电。这次的声光控延时开关的设计实践将我们学到的只是应用到了实践， 深化了对数字电路设计和模拟电子设计的认识，使我们在设计的实践中获得新知。学习了一年的理论知识和实践操作，