LED声光控电路设计毕业论文.docx

1、LED声光控电路设计毕业论文 江西现代职业技术学院毕业设计（论文）题目：声光控LED节能照明灯控制系统 设计 姓 名 钟贤坤 学 院 信息工程学院 专 业 机电一体化 班 级 10机电（3）班 指导 教师 刘小清 提交 时间 2012年 月 日 论文题目: 声光控LED节能照明灯控制系统设计姓 名：钟贤坤 班 级：10机电（3）班指导教师：刘小清摘要：随着电子技术的不断进步，LED声光控节能灯的研制得到了成功，尤其是白光LED的研制成功，近年来又生产出用超高亮白光LED发光二极管组装的照明灯。与传统的照明灯相比，在功耗、亮度与寿命方面以无与伦比的优势成为21世纪新光源，LED声光控节能灯使得它

2、越来越多地装饰和照明领域。LED声光控节能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浪费。在地球资源日渐衰竭的今日，环保、节能是当今各产业发展的重心，尤其是需要消耗大量电力的照明产业，在灯种的研发上，更是趋向环保、节能的特性上著眼。因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的光源对居家照明节能具有十分重要的意义。关键词：自动控制；声控电路；光控电路 ；放大电路；延时电路一、概述自第一座带有智能化概念的建筑物于1984年在美国诞生以来，楼宇智能化已经成为当今建筑发展的主流技术。目前，随着

3、信息产业的高速发展，智能系统这个名词已逐渐被人们所认识。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。最大限度的满足使用者舒适性、方便性的要求，以达到节能、高效管理、快速的信息化服务等目的。照明控制系统作为建筑物的一个必不可少的电气系统，其发展随着信息技术的不断发展也在发生日新月异的变

4、化，传统的照明控制逐渐被智能照明控制所替代。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。现代建筑中的照明不仅要求能为人们的工作、学习、生活提供良好的视察条件，利用灯具造型和光色协调营造出具有一定风格和美感的室内环境以满足人们的心里和生理要求，而且还要考虑到管理智能化和操作简单化以及灵活应用未来照明布局和控制方式、变更要求。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

5、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”。 因此这就是智能照明控制系统体现出强大的优越性。一个优秀的智能照明控制系统不仅可以提升照明环境品质，还可以充分利用和节约能源，使建筑物更加节能、环保。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。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

6、的自动化。第一章 绪论从19世纪80年代爱迪生发明灯具以来，开关已经历了好几代变化，现在已经发展到第四代了。第一代：从灯具发明以来一直到上世纪80年代中后期，这个时期是以拉线开关为代表的机械时代，这种开关价格便宜、安装简便，但绳子很容易被拉断。第二代：1990年奇胜电器率先在国内引入面板开关，由此国内开关进入了按钮开关时代，按钮开关以其优良的耐用性在国内盛行了10年，虽然目前这类产品在市场仍有一定的需求，但由于这种开关安装方法即不安全也不科学，逐渐被其它开关所取代。第三代：2000年国际电工率先引入86型翘板开关，至此造型时尚美观的翘板开关开始盛行，且一直流行至今，但它的开关方式同样是极其不方

7、便，按键较小，容易坏不说，在开关灯时还会出现火花，即不方便也不安全。第四代：2009年以来以声光延时开关、红外电子开关、触摸开关为代表的智能开关逐渐为人们所看好，它不仅使用安全、方便，而且还节约了大量能源，延长了灯的使用寿命。现今居民公共生活中一直普遍使用的就是普通的86型翘板开关，这种开关完全由人手动去控制,在家庭用户中使用一直很普遍,但在公共场所(比如楼梯、走廊等)使用,受外界各种因素的影响,存在着严重的长明灯现象,不仅使灯的使用寿命大大缩短,而且还浪费了大量的电能，不利于能源的节约。定时开关也能达到使灯自动关闭的目的,结构简单、明了,价格低廉，但由于它比较死板,不能适应各种临时情况的该变

8、，比如阴天、下雨等特殊情况，因此不能得以推广；遥控开关使用起来灵活、方便,特别适合在家庭使用，但由于遥控器本身携带不便，用在酒店、学校等一些大型建筑的公用部分,遥控开关的使用就不太方便，因此也变得难以推广。声光控开关无论是从性能还是价格上与其他开关相比,目前都显示出了巨大的优越性，是最能为用户所接受的电子开关，目前它正朝着更智能化的方向发展。自动控制原理源于实践，服务于实践，并在实践中得到升华，从远古的计时容器到公元前的水利枢纽工程，从中世纪的天文望远镜到工业革命的蒸气机和蒸汽轮船，从百年前的飞机、汽车和电话通讯到半个世纪前的电子放大器和模拟计算机，从六十年代的登月飞船到现代的航天飞机和星球探

9、测器，这些著名的人类科技发明直接催生和发展了自动控制技术。经过千百年来的提炼，尤其是近半个世纪工业实践的普遍应用，自动控制技术已经成为人类科技文明的重要组成部分，随着新型制造业的兴起和网络信息技术的进步，自动控制技术的发展和应用也将进入一个全新的时代，本文的声光控制开关则是自动控制原理的最基本应用。自动控制原理是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制装置和控制对象按照一定的方式连接起来，组成一个有机的统一体，这就是自动控制

10、系统，在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是需要严格加以控制的物理量，它可以要求是随其它限定条件实时变化的物理量，例如本系统中的声音信号、光强信号等就是实时变化的物理量。而控制装置则是对被控对象实时施加控制作用的机构总体，它可以采用不同的原理和方式控制被控对象，但最基本的是一种反馈控制系统，在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行实时控制的任务，这就是反馈控制的基本原理。目前，自动化控制正向着成套化、系列化、多品种方向发展，以自动控制技术、数据通信技术、图象显示技术为一体的综合性系统装置成为国外控

11、制技术的主导产品，现场总线则成为自动化控制技术发展的第一热点，相信未来自动控制技术的发展会越来越广阔。第二章 声光控制原理分析及信号放大声音控制系统就是通过线性元件将采集到的外界声音信号转化为能够检测的电信号，再通过放大电路将微弱的声音电信号放大，对放大信号进行处理从而控制其它装置实现声音控制的功能。本系统中，利用驻极话筒将声音信号转化为电信号，然后通过三极管放大电路将电信号放大，与光控电路转化来的电信号一起，通过开关电路控制开关的开启或关闭的目的。光强控制系统就是通过线性元件将采集到的外界光强信号转化为能够检测的电信号，再通过放大电路将微弱的光强电信号放大，对放大信号进行处理从而控制其它装置

12、实现光强控制的功能。本系统中，利用光敏电阻将外界光强信号转化为电信号，然后与声控电路转化来的电信号一起送入后续开关电路，通过开关电路达到控制开关的开启或关闭的目的。1.单纯的只有声音信号控制的灯价格较低，但其控制电路故障率较高，尤其是在外界噪声较大的环境使用，频繁让开关开启或关闭很容易烧坏元器件，使用寿命一般都不长，故单个的声控系统性能较差。而声光双控系统在白天或光线较亮的情况下，无论外界声音有多大开关都始终处于关闭状态，大大减少了开关通断的次数，延长了灯的使用寿命，性能得到极大改善。2.传感器使用一段时间以后，其本身性能保持不变的能力称为传感器的稳定性，影响传感器长期稳定性的因素除传感器自身

13、的封装、外形结构外，主要还是传感器的使用环境，尤其外界干扰噪声极大的环境，因此，传感器必须对外界环境有很强的适应能力，这样传感器才会具有良好的稳定性能。另外，传感器的稳定性也有定量指标，超过使用期后，在使用前应该对其性能进行重新标定，以确定传感器的性能是否发生变化，在某些要求传感器必须能长期使用而又不能轻易更换或标定的场所，对所选用传感器的稳定性要求更加严格，它必须能够经受性能稳定性的考验。2.4 信号放大信号放大的实质就是实现能量的转换，即用一个能量较小的输入信号来控制另一个能源，使其输出端的负载上能够得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真，如果放大过程中信号发生了

14、失真，信号放大也就变得毫无意义，放大电路是通过增加电信号幅度或功率来实现放大的电子电路，应用放大电路实现放大的装置称为放大器，它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等。为了实现放大，必须给放大器提供能量，常用的能源是直流电源，放大作用就是通过把电源的能量转移给输出信号，输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。三极管放大工作原理要了解半导体三极管放大原理，就要分析其内部载流子的运动情况，首先必须要使半导体三极管有一个合理的偏置。半导体三极管内部两个PN结的4种偏置方式中，为体现放大作用，首先必须保证有足够多的多子运动，所以发射结要正偏，这样发射区能不断向基

15、区发射载流子；其次，集电极电流必须由非集电极本身的多子运动形成，才能体现其电流控制作用，因此，集电结要反偏。不管半导体三极管组成的放大电路形式如何变化，要使其具有放大作用，都必须满足发射结正偏，集电结反偏。三极管最基本的作用就是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的电信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数，当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流几十倍的电流，即集电极电流，集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用，不过放

16、大过程中要特别注意信号不能失真，因为只有不失真的信号放大才有意义。本系统就是利用三极管的这种放大作用，将声音信号转化来的电信号进行放大，以达到能够控制后续电路正常工作的目的。第三章 声光控制开关电路的设计及其性能分析声光控制开关电路就是通过声音信号与光信号共同控制灯的亮或灭，白天或光线较亮时，声光控制开关呈关闭状态，无论外界有没有声音信号，灯都不亮；夜间或光线较暗时，当有人经过该开关附近，驻极体话筒将采集到的说话声、脚步声、拍手声等声源传来的声音信号转化为电信号，然后与光控电路转化来的电信号一起送入开关电路，开关电路得到触发信号把控制开关打开，灯亮，延时约一分钟后控制开关自动关闭，灯灭。系统设

17、计任务：（1）白天或光线较亮时，无论外界有没有声音信号，开关都关闭，灯不亮；（2）夜晚或光线较暗时，无声音信号，开关断开，灯不亮；有声音信号触发，开关开启，灯亮；（3）灯亮一段时间后自动熄灭，且延时时间可以设定；系统设计要求：（1）电路可靠性和稳定性要高。这是对控制电路性能最基本的要求，否则对灯的自动控制能力会变弱，严重时可能还会失去自动控制功能。（2）功耗要小。控制电路一直都接于交流220伏电路上，若功耗比较大，则不利于节约能源，而且还会大大缩短控制电路的使用寿命。（3）灵敏度要能调节。这是控制电路正常工作时，对声光控制信号的基本要求，对于声音信号感知的灵敏度和对光信号感知的灵敏度应能满足不

18、同的环境要求。（4）触发延时时间要能按要求调节。延时时间至少在1分钟内可调。声光控制开关电路系统总体结构框图如图1所示，整个系统的工作原理是：全波整流电路将交流220V市电变成约为200V直流电压，再经降压滤波后输出12V直流电压，为其后的声控电路、光控电路及整个电路提供所需的直流工作电压。声控电路通过驻极体话筒采集声音信号，将采集到的声音信号转化为电信号，光控电路通过光敏电阻采集光强信号，将采集到的光强信号转化为电信号，然后与驻极体话筒采集到的声音信号转化而来的电信号一起送到三极管放大电路，经放大电路放大以后触发开关电路工作，从而控制受控开关的闭合，以达到控制灯亮或灯灭以及灯亮时间长短的目的

19、，实现对灯的声光自动控制功能。图1 系统总体结构框图整流电路所谓桥式整流电路，就是用二极管组成的一个整流电桥，整流电路如图2所示，它是由图中的极管D1、D2、D3、D4、组成，其功能是将220V的交流市电转换为直流电压以提供后续声控电路、光控电路延时电路及开关电路等电路所需的工作电压。整流电路的工作原理：桥式整流电路是最基本的将交流电转换为直流电的电路，整流电路中的二极管作为开关使用，具有单向导电性，根据图2中的桥式二极管整流电路以及图3中的整流波形图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到的是正弦波的正半周；当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到的是正弦波的负半周

20、；在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压，再经降压滤波后就可为后续电路提供所需的工作电压。图2 桥式二极管整流电路图3 桥式二极管整流电路波形声控电路设计声控电路时，我们首先需要知道怎样才能把声音信号转化为电信号，而且对声音信号感应的灵敏度也有很高要求，即不能太低，也不能太高，太高或太低都难以对声控电路实现较好的控制，对声音信号感应的灵敏度应能接收到像人的说话声、拍手声、脚步声等比较常见的声音信号为准。我们可以使用常见的声音传感器将这类声音信号转化为电信号，其中比较常用的声音传感器有电容式和磁电式两类。电容式声音传感器是通过声音的振动，从而引起电容量的改变，来得到声音

21、信号到电信号的转化，目前常见的有驻极体话筒；磁电式声音传感器是通过用声音的振动，带动导线切割磁力线产生电流，以达到声音信号向电信号的转化，目前常见的就是动圈式话筒。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，考虑到元器件本身成本及使用方便等问题，这里使用驻极体话筒，利用驻极体话筒采集外界声音信号并转换成电信号，实现声音信号到电信号的转换。驻极体话筒的基本结构是由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极构成，驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成的一个平行板电容器，电容的两

22、极之间有输出电极，高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久自由电荷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，因此驻极体和背极的距离也跟着变化，即改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量C发生变化，而驻极体上的自由电荷数Q始终保持不变，根据公式：当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声音信号到电信号的变换。由于所形成的电容器的电容量很小，使得驻极体话筒转化来的电信号相对较弱，转换的电信号必须经过一定放大才能起到良好的控制作用，可作为放大用的电路有功率放大电路、运算放大电路等，通常都选用运算放大电路，运放电路不仅可以提高信号的输出电压

23、，而且还可以抑制零点漂移，但是使用运放电路会大大增加电路的体积和成本；而采用晶体三极管组成的放大电路来放大驻极体话筒产生的电信号，不仅简化了声控电路的结构设计，而且对声音信号的控制作用也更荣易实现，因此本文使用由三极管组成的放大电路来实现对微弱信号的放大。由于电路的设计对元器件的要求较高，因此电路设计中所用到的元器件特别是半导体器件必须要保证较高的灵敏度，各元器件的性能参数也要精确稳定，只有这样电路才能高效工作，正常发挥电路应有的功能。声控电路如图4所示,由Q1、R1 、R2 、R3 、C2 、MIC组成。其中MIC为驻极体话筒,它把采集到的声音信号转化为电信号,经电容C2耦合至三极管Q1的基

24、极，然后通过与门电路与光敏电阻转化来的电信号一起送入后续电路。外界有声音信号时,如果环境的声音信号很弱,三极管Q1仍处于饱和状态,集电极输出为低电平；当外界声音信号达到一定强度时,驻极体话筒将转化来的电信号经C2耦合到Q1的基极,三极管由饱和进入放大状态,集电极电位随着声音信号的强弱而高低变化,当声音信号达到一定强度时,其集电极由低电平转变成高电平，声控电路导通，并将信号传递至开关电路，控制灯的亮或灭。 图4 声控电路 图5 光控电路 光控电路光控电路一般可由光电传感器和电子元器件构成，电路有很多设计方案，由于光控电路对电路元器件本身有很高的要求，设计电路时必须充分考虑各个方案的经济性、稳定性

25、以及每个元器件的各项性能等问题。光控电路控制功能实现的核心是光电传感器，因此选择光电传感器时必须选择可靠、稳定、灵敏度高的光电传感器，以保证电路各项参数的可靠、精确和稳定，正常发挥电路应有的功能和作用，为此在设计光控电路时，不仅要尽量简化电路结构、降低成本，而且要使电路功能能够长期稳定可靠。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，此处可以选用光敏电阻作为光信号采集元件，光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件，用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物和碲化物等半导体，通常采用涂敷、喷涂等

26、方法在绝缘衬底上制做很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度，半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少，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强度增大而增大，入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流逐渐减小。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光照强度的增加而变大，从而实现光电转换，光

27、敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。利用光敏电阻的阻值随光照强度变化的特点，将光敏电阻与电阻等元器件一起构成光电压采样控制电路，光信号的强弱由光敏电阻转化成电信号的强弱，然后与声控电路采集到的电信号一起送到延时开关电路，只要转化来的电信号强度能够达到一定程度就能触发开关电路，使其导通或截止，从而达到光信号自动控制声控信号的目的。光控电路如图5所示，由R4和RG组成，设计所用的光敏电阻亮电阻为20K-30K,暗电阻约为10M，在光敏电阻上串接的电阻R4的阻值应该大于30K,小于10M，具体阻值在调试时依据对光信号感应灵敏度而定。电路的工作原理是：光信号的强

28、弱经光敏电阻RG转换为高、低电平后送入集成电路CD4011的1脚，由降压滤波电路知，光敏电阻RG和R4的总电压U为12V,白天光线照射到光敏电阻RG上时，其阻值变得很小，约为20K,则光敏电阻两端的电压U1为：根据CD4011的参数即第13页的表1可得，CD4011的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，此时声音信号通道电路被封锁，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音信号的控制，这时，门U1A的3脚输出的高电平经过门U2B、U3C、U4D三次反相后变成低电平，可控硅D7无触发信号不导通，灯不亮。晚上或光线较暗时，RG因没有光线照射电阻比较大，约为10M，则光敏电阻两端

29、的电压U2为：则与非门U1A的输入端1脚变成高电平，门U1A的3脚输出状态受2脚输入电平的控制，为声音通道的开通创造了条件，当有声音信号时，可控硅就会导通，灯亮。延时电路 延时电路如图6所示,由二极管D1，电阻R6和电容C3组成。夜晚或光线较暗且有声音信号时，声控电路和光控电路转化来的电信号经三极管放大以及CD4011与非门反相后输出高电平送入延时电路，经反相后输出低电平，然后送入开关电路使与非门U4D输出高电平，通过R5触发可控硅D7导通，灯亮；声音信号消失后，前级声控电路和光控电路转化来的电信号经三极管放大以及CD4011与非门反相后输出低电平送入延时电路，因D1的阻断作用，电容C3只能通

30、过R5缓慢放电，经过大约1分钟后下降到与非门U3C的阈值电压以下，经反相后输出高电平，然后送入开关电路使与非门U4D输出低电平，可控硅自动关断，灯熄灭。延时时间理论值为： 图6 延时电路 图7 开关电路 开关电路开关电路如图7所示，由集成电路CD4011、电阻R5和可控硅D7组成，可控硅的作用就是控制开关的通断。整个电子开关的核心器件是集成电路CD4011，其内部结构如图8所示，它是一个四-二输入与非门集成电路，其中1、2脚和3脚分别为与非门1的输入和输出端；5、6和4脚分别为与非门2的输入与输出端；8、9脚和10脚分别为与非门3的输入和输出端；12、13脚和11脚分别为与非门4的输入和输出端

31、；7脚接地；14脚接电源。在该电路中与非门1和与非门2组成声音信号和光信号与逻辑电路；与非门3、与非门4和电阻R7组成可控硅触发电路。设计中开关电路采用单向可控硅MCR100-6，其导通条件：一是可控硅阳极与阴极间必须加正向电压，二是控制极也要加正向电压，以上两个条件必须同时具备，可控硅才会处于导通状态，另外，可控硅一旦导通，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通，起到开关的开通作用，从而控制灯点亮。可控硅关断条件：降低或去掉加在可控硅阳极至阴极之间的正向电压，使阳极电流小于最小维持电流以下，开关电路就是通过控制可控硅的导通与断开来控制灯泡的亮和灭的。白天或光线较亮时，光敏电阻RG

32、的阻值较小，可控硅控制极输入端的电位很低，控制极得不到触发电压，可控硅不导通，灯不亮；晚上或光线较暗时，光敏电阻RG的阻值较大，然后与由MIC送来的声音电信号一起送入延时开关电路，使可控硅控制极输入端得到高电平,可控硅导通，灯亮。 图8 CD4011的内部结构本设计用到的CD4011的参数如表1所示。标志参数条件-55C+25C+125C单位最小值最大值最小值标准值最大值最小值最大值VOL低电压输出VDD=5VVDD=10V (IO1uA)VDD=15V0000,05VVVVOH高电压输出VDD=5VVDD=10V (IO1uA)VDD=15V51015VVVVIL低电压输入VDD=5V,VOVDD=10V,VOVDD=15V,V