学士学位论文声光控灯设计.docx
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学士学位论文声光控灯设计
学号10号
毕业设计说明书
设计题目声光控灯设计
系部机械电子系
专业机电一体化
班级机电1107
姓名范芳瑞
指导教师白金柯
2013年10月29日
摘要
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电流过载，大大地延长了开关使用寿命，并且可以起到保护灯泡的作用。
本次课程设计的任务是楼道声控灯，根据模拟电子和数字电子所学的知识自主设计，在老师的指导下以小组为单位组装实物并调试。
如今，人们对声控技术越来越熟悉。
用声音代替肢体动作给人们带来了很多好处和便利。
因此，越来越多的声控设备广泛地应用到人们的生活当中。
关键词：
光控灯、声控灯、光敏电阻、麦克风、导通、截至
Abstract
Optically controlled lamp and acoustic control lamp play an important role in our daily life（like in corridor,toilet,alleyway and so on）.They make our life more covenient.By use of them,we can not only protect ourselves from the hurt that maybe caused in looking for the switches of lights in the dark,but also eliminate the phenomenon that someone turn on the light but nobody turn off to avoid the waste of resources.
It introduces the principle of how to use dynatrons and a nand gate chip to achieve the purpose that control the lights by light and sound,and specially stresses the ways and concrete details about how to use them to achieve the purpose and the solutions of the problems that will be met in the process of making it.
Keywords：
Opticallycontrolled,acousticcontrol,mircphone,lightdependentresistor
breakover,cutoff
目录
摘要I
AbstractII
1．元器件的介绍与检测1
1.1电阻1
1.2电容3
1.3二极管5
1.4三极管6
1.5晶闸管7
2焊接9
2.1焊料与焊剂的选择9
2.2焊接的顺序及方法10
3.声控走廊灯开关电路的原理分析11
3.1.声控走廊灯开关电路工作原理11
3.2整流、降压、滤波电路12
3.3声控走廊灯开关电路原理图13
4调试14
致谢15
参考文献16
1．元器件的介绍与检测
1.1电阻
电阻，英文名resistance，通常缩写为r，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。
电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“Ω”表示，表示电阻阻值的常用单位还有千欧（kΩ），兆欧（mΩ）。
电阻器的种类有很多，通常分为三大类：
固定电阻，可变电阻，特种电阻。
光敏电阻是一种电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的元件，光越强阻值越小，光越弱阻值越大。
如果把光敏电阻的两个引脚接在万用表的表笔上，用万用表的r×1kΩ挡测量在不同的光照下光敏电阻的阻值：
将光敏电阻从较暗的抽屉里移到阳光下或灯光上，万用表读数将会发生变化。
在完全黑暗处，光敏电阻的阻值可达几兆欧以上（万用表指示电阻为无穷大，即指针不动），而在较强光线下，阻值可降到几千欧甚至1千欧以下。
光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。
当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。
一般光敏电阻器结构如图所示。
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
紫外光敏电阻器：
对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。
红外光敏电阻器：
主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。
锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。
可见光光敏电阻器：
包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。
主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。
光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性光谱特性，频率特性，温度特性。
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，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。
没有极性，纯粹是个电阻期间，使用时可加直流也可以加交流
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，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性，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。
光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。
它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。
它的工作原理是：
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作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。
光敏电阻的原理结构如图所示。
在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
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，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性，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。
国际上惯用“色环标注法”。
事实上，“色环电阻”占据着电阻器元件的主流地位。
“色环电阻”顾名思义，就是在电阻器上用不同颜色的环来表示电阻的规格。
有的是用４个色环表示，有的用５个。
两者有所区别：
４环电阻，一般是碳膜电阻，用３个
色环来表示阻值，用１个色环表示误差。
５环电阻一般是金属膜电阻，为更好地表示精度，用４个色环表示阻值，另一个色环也是表示误差.
色环电阻的规则是最后一圈代表误差，对于四环电阻，前二环代表有效值，第三环代表乘上的次方数。
例如第一环是棕色的，第二环是黑色的，第三环是红色的，第四环是金色的，那么它的电阻值是1、0，第三环是添零的个数，这个电阻添2个零，所以它的实际阻值是1000Ω，即1kΩ。
将两表笔（不分正负）分别与电阻的两端引脚相接即可测出实际电阻值。
为了提高测量精度，应根据被测电阻标称值的大小来选择量程。
由于欧姆挡刻度的非线性关系，它的中间一段分度较为精细，因此应使指针指示值尽可能落到刻度的中段位置，即全刻度起始的20％～80％弧度范围内，以使测量更准确。
根据电阻误差等级不同。
读数与标称阻值之间分别允许有±5％、±10％或±20％的误差。
如不相符，超出误差范围，则说明该电阻值变值了。
1.2电容
电容器是“储存电荷的容器”,简称电容，用字母C表示。
尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。
两片相距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。
两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。
电容器也分为容量固定的与容量可变的。
但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。
在电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。
电容器的选用涉及到很多问题。
首先是耐压的问题。
加在一个电容器的两端的电压超过了它的额定电压，电容器就会被击穿损坏。
固定电容器的检测
（1）、检测10pF以下的小电容
因10pF以下的固定电容器容量太小，用万用表进行测量，只能定性的检查其是否有漏电，内部短路或击穿现象。
测量时，可选用万用表R×10k挡，用两表笔分别任意
接电容的两个引脚，阻值应为无穷大。
若测出阻值（指针向右摆动）为零，则说明电容
漏电损坏或内部击穿。
（2）、检测10PF～0.01μF固定电容器是否有充电现象，进而判断其好坏
万用表选用R×1k挡。
两只三极管的β值均为100以上，且穿透电流要小。
可选用3DG6等型号硅三极管组成复合管。
万用表的红和黑表笔分别与复合管的发射极e和集电极c相接。
由于复合三极管的放大作用，把被测电容的充放电过程予以放大，使万用表指针摆幅度加大，从而便于观察。
应注意的是：
在测试操作时，特别是在测较小容量的电容时，要反复调换被测电容引脚接触A、B两点，才能明显地看到万用表指针的摆动。
（3）、对于0.01μF以上的固定电容
可用万用表的R×10k挡直接测试电容器有无充电过程以及有无内部短路或漏电，并可根据指针向右摆动的幅度大小估计出电容器的容量。
电解电容器的检测
（1）、因为电解电容的容量较一般固定电容大得多，所以，测量时，应针对不同容量选用合适的量程。
根据经验，一般情况下，1～47μF间的电容，可用R×1k挡测量，大于47μF的电容可用R×100挡测量。
（2）、将万用表红表笔接负极，黑表笔接正极，在刚接触的瞬间，万用表指针即向右偏转较大偏度（对于同一电阻挡，容量越大，摆幅越大），接着逐渐向左回转，直到停在某一位置。
此时的阻值便是电解电容的正向漏电阻，此值略大于反向漏电阻。
实际使用经验表明，电解电容的漏电阻一般应在几百kΩ以上，否则，将不能正常工作。
在测试中，若正向、反向均无充电的现象，即表针不动，则说明容量消失或内部断路；如果所测阻值很小或为零，说明电容漏电大或已击穿损坏，不能再使用。
（3）、对于正、负极标志不明的电解电容器，可利用上述测量漏电阻的方法加以判别。
即先任意测一下漏电阻，记住其大小，然后交换表笔再测出一个阻值。
两次测量中阻值大的那一次便是正向接法，即黑表笔接的是正极，红表笔接的是负极。
D使用万用表电阻挡，采用给电解电容进行正、反向充电的方法，根据指针向右摆动幅度的大小，可估测出电解电容的容量。
1.3二极管
半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。
半导体最重要的两种元素是硅和锗。
二极管最明显的性质就是它的单向导电特性，就是说电流只能从一边过去，却不能从另一边过来（从正极流向负极）。
二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。
根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。
按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。
光电二极管的检测
光电二极管是一种能把光照强弱变化转换成电信号的半导体器件。
光电二极管的顶端有一个能射入光线的窗口，在光的激发下，光电二极管的管芯产生大批“光生载流子”，管子的反向电流大大增加，使内阻减小，是典型的光电导器件。
光电二极管可以用万用表测量。
将万用表置于R*1KΩ挡，红、黑表笔随意接光电二极管的两个脚，此时是测反向电阻，万用表表头指针偏转应很小，一般读数应在200KΩ以上（注意测量时窗口不要对着光）
接着用手电筒的光去照射光电二极管顶端的窗口（用自然光也可以），着时表指针偏转应加大，光线越强，光电二极管的反向电阻应越小，甚至仅为几欧姆。
关掉手电光，指针所指读数应立即恢复到原来的阻值。
这样说明被测二极管的质量是良好的。
如果正相电阻很大，超过15KΩ以上，或反向电阻很小（窗口不受光照时），或受光照后阻值不变，移去光照后阻值不恢复到原来的高阻，都说明被测光电二极管已坏。
1.4三极管
半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。
它最主要的功能是电流放大和开关作用。
三极管顾名思义具有三个电极。
二极管是由一PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母b表示）。
其他的两个电极成为集电极（用字母c表示）和发射极（用字母e表示）。
由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。
（1）晶体三极管得结构和类型
三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。
硅晶体三极管和锗晶体三极管都有PNP型和NPN型两种类型。
（2）三极管得封装形式和管脚识别
常用三极管的封装形式有金属封装和塑料封装两大类，引脚的排列方式具有一定的规律，对于中小功率塑料三极管使其平面朝向自己，三个引脚朝下放置，则从左到右依次为
ebc。
（3）晶体三极管得电流放大作用
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。
这是三极管最基本的和最重要的特性。
我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。
电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。
1.5晶闸管
可控硅也称作晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成的元件，有三个电极，阳极a，阴极k和控制极g。
可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。
在调速、调光、调压、调温以及其他各种控制电路中都有它的身影。
可控硅分为单向的和双向的，符号也不同。
单向可控硅有三个PN结，由最外层的P极和N极引出两个电极，分别称为阳极和阴极，由中间的P极引出一个控制极。
单向可控硅有其独特的特性：
当阳极接反向电压，或者阳极接正向电压但控制极不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极同时接正向电压时，它就会变成导通状态。
一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用，不论有没有控制电压，也不论控制电压的极性如何，将一直处于导通状态。
要想关断，只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向。
普通晶闸管的阳极与阴极之间具有单向导电的性能，其内部可以等效为由一只PNP晶闸管和一只NPN晶闸管组成的组合管，如图1.1所示。
晶闸管的检测
（1）．判别各电极根据普通晶闸管的结构可知，其门极G与阴极K极之间为一个PN结，具有单向导电特性，而阳极A与门极之间有两个反极性串联的PN结。
因此，通
过用万用表R×100A或R×1k档测量普通晶闸管各引脚之间的电阻值，即能确定三个电极。
具体方法是：
将万用表黑表笔任接晶闸管某一极，红表笔依次去触碰另外两个电极。
若测量结果有一次阻值为几千欧姆（kΩ），而另一次阻值为几百欧姆（Ω），则可判定黑表笔接的是门极G。
在阻值为几百欧姆的测量中，红表笔接的是阴极K，而在阻值为几千欧姆的那次测量中，红表笔接的是阳极A，若两次测出的阻值均很大，则说明黑表笔接的不是门极G，应用同样方法改测其它电极，直到找出三个电极为止。
（2）．判断其好坏用万用表R×1k档测量普通晶体管阳极A与阴极K之间的正、反向电阻，正常时均应为无穷大（∞）若测得A、K之间的正、反向电阻值为零或阻值较小，则说明晶闸管内部击穿短路或漏电。
测量门极G与阴极K之间的正、反向电阻值，正常时应大（大于80kΩ）。
若两次测量的电阻值均很大或均很小，则说明该晶闸管G、K极之间开路或短路。
若正、反电阻值均相等或接近，则说明该晶闸管已失效，其G、K极间PN结已失去单向导电作用。
测量阳极A与门极G之间的正、反向电阻，正常时两个阻值均应为几百千欧姆（kΩ）或无穷大，若出现正、反向电阻值不一样（有类似二极管的单向导电），则是G、A极之间反向串联的两个PN结中的一个已击穿短路。
2焊接
2.1焊料与焊剂的选择
一般常用焊锡作焊料。
它具有较好的流动性和附着性。
在一定是温度、湿度及振动冲击条件下有足够的机械强度。
而且具有耐腐性，使用方便的优点。
焊剂：
作用是除去油污，防止焊件受热氧化，增强焊锡的流动性。
常用的电烙铁有外热式、内热式和速热式三种。
一般功率不能过大，选用20—50W即可。
若选用的功率过大，不易掌握火候，很容易使元件过热而损坏。
烙铁头经常加工成各种形状以适应焊接的要求。
为了保证一定的温度，烙铁头要有一定的体积。
一般焊接较大的元件时，烙铁头与焊接物接触面积要大.焊接密度较大的小焊点时，为了避免伤及周围元件和焊点，应采用锥形的烙铁头。
焊点的质量直接关系到整块电路板能否正常工作，也是每个操作人员要学会并掌握的基本功。
质量好的焊点称标准焊点，在交界处，焊锡、铜箔、元件三者较好地融合在一起。
虚焊点，在交界处，从表面看焊锡把引线给包住了,但焊点内部并未完全
融合，焊点内部有气隙或油污等。
2.2焊接的顺序及方法
先测量，作好记录；再清洁，挂锡焊接；最后再检查测量。
杜绝马虎大意。
焊接方法：
1.右手持电烙铁。
左手用尖嘴钳或镊子夹持元件或导线。
焊接前，电烙铁要充分预热。
烙铁头刃面上要吃锡，即带上一定量焊锡。
2.将烙铁头刃面紧贴在焊点处。
电烙铁与水平面大约成60度角。
以便于熔化的锡从烙铁
头上流到焊点上。
烙铁头在焊点处停留的时间控制在2～3秒钟。
3.抬开烙铁头。
左手仍持元件不动。
待焊点处的锡冷却凝固后，才可松开左手。
4.用镊子转动引线，确认不松动，然后可用偏口钳剪去多余的引线。
3.声控走廊灯开关电路的原理分析
3.1.声控走廊灯开关电路工作原理
电路原理如图1所示。
二极管VD4~VD7组成桥式整流电路。
电阻R10、电容C4组成降压、滤波电路。
单行晶闸管VS式照明灯HL的无触点开关。
VS导通，HL点亮；VS关断，HL熄灭。
白天，由于光电二极管VD1受到环境光线的照射阻值很小，反相器F3的
脚呈低电位，
脚呈高电位，经反相器F4
脚呈低电位，二极管VD3呈截止状态。
反相器F5的
脚呈高电位，反相器F6的
脚呈低电位，三极管VT处于截止状态。
由于单向晶闸管VS无触发电压而关断。
照明灯HL不亮。
天黑时，光电二极管的阻值增大，虽然F3的
脚电位有所上升，但仍达不到开启F3的阀值电压，故处于预备工作状态。
此时，F6的
脚呈低电位，照明灯HL依然不亮。
当外界有声音发出时，其声波被压电陶瓷片BC转换为电信号，经两级反相器F1和F2变换，
脚输出的信号经电容C1耦合，有限流电阻R3加给F3的
脚。
F3的
脚达到阀值开启电压，F3反相器工作，
脚呈低电位，F4的
脚呈高地位二极管VD3获得正向电压而导通，并给电容C3充电（由于这种延时，可保证有效的减缓冲击电流，从而大大的延长灯泡使用寿命）。
F5的
脚电位升高，则
脚电位降低，经F6反相，
脚呈高电位，单向晶闸管VS获得高电位而触发导通，HL点亮。
同时三极管VT导通。
无声时，F3的
脚又回到原等待电位，则二极管VD3截止。
此时充足电荷的电容C3开始向电阻R8放电。
由于放电过程中F6的
脚仍持续高电位，HL仍旧保持照明状态。
随着时间的推移，电容C3的端电压放电到一定低电位时，促使F5反相，
脚电位变高，则F6的
脚电位变低，VS关断，HL熄灭。
电路中三极管VT主要是为了节能而设置的。
当F6的
脚呈高电位时，三极管VT导通，其集电极电位变低，因而使F3的
脚电位下降。
即使F2的
脚有信号输出，由于VT的集电极的钳位作用，使得F3不受F2控制，只有当C3放电完毕后VT才会截
止。
所以，外界的声音无论怎样连续发出，都不会影响电路定时的正常工作，这样既满足接受第一次声音控制，又达到了节能的目的。
只有当定时完毕，电路在接收信号，
才开启照明灯工作。
R2为负反馈电阻。
电阻R1、R9构成分压电路。
VD2为隔离二极管。
C2为抗干扰电容，用于消除外界的杂波影响。
3.2整流、降压、滤波电路
桥式整流电路是一种将交流电压变换为单向脉动的直流电压，原理图中用VD4-VD7四个二极管组成了桥式整流电路。
桥式整流电路的工作原理如下：
e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。
电路中构成e2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。
电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。
上述工作状态分别如右图（A）（B）所示。
如此重复下去，结果在Rfz，上便得到全波整流电压。
其波形图和全波整流波形图是一样的。
从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管
承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小
图
3-1桥式整流电路工作状态图
3.3声控走廊灯开关电路原理图
3-2电路原理图
3-3电路PCB图
4调试
在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路图按照一定顺序逐级检测，特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管是否接反，轻轻拨一拨元器件，观察焊点是否牢固。
安装保险管后才能给电路通电。
电源接通后首先保证安全，观察电路中是否有冒烟、起火等现象。
如果有，应立即断电，故障排除后继续通电，并注意观察各器件引脚电压是否正常。
打开电源，给系统加上激励信号源（如系统的啪手声、打击声），用眼睛直接观察灯泡是否亮和按时熄灭。
先用万用表测量电路有关点电位是否正常。
检查发光二极管是否正常工作。
发现不正常现象时，及时找出原因进行修改，
注意接线不得有误，接入电源，使脉冲发生电路正常工作。
在光电二极管有光与无光的情况下看总体电路的工作情况。
观察灯泡是否按要求进行亮暗变化。
如不能顺利完成以上功能，则应认真检查电路的连接及功能设计是否有误并作出相应调整。
在本电路调试中，发
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