声光控楼道灯开关设计.docx
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声光控楼道灯开关设计
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。
放大
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，处理电路如图2-2所示。
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：
①白天电路呈封锁状态，电路不工作；
②夜晚电路随声音信号而工作，点亮灯泡；
③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。
3.3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5kΩ的，故称为555定时器。
（a）555定时器的引脚图（b）555定时器的内部组成
图3-4555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，使电路能正常工作；
5脚为比较电压控制端，一般将其通过一个0.01μF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。
为置0输入端，当
=0时，定时器的输出OUT为0；当
=1时，555定时器具有以下功能：
①当高触发端TH>
Vcc，且低触发端
>
Vcc时，比较器C1输出为低电平；C1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。
②当低触发端
<
Vcc，且高触发端TH<
Vcc时，比较器C2输出为低电平；C2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。
③当TH<
Vcc、
>
Vcc时，定时器的输出OUT和放电管VT的状态保持不变。
根据以上分析，可以得出555定时器的功能表，见表3-1。
表3-1555定时器的功能表
输入
输出
TH
OUT
VT
×
×
0
0
导通
>
Vcc
>
Vcc
1
0
导通
<
Vcc
>
Vcc
1
不变
不变
<
Vcc
<
Vcc
1
1
截止
3.3.2单稳态触发器
将低触发端
作为触发信号
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。
（a）电路（b）工作波形
图3-5555定时器构成的单稳态触发器
当触发脉冲
下降沿到来时，由于
<
Vcc，而TH=
=0，从555定时器的功能表不难看出，输出端OUT为高电平，电路进入暂稳态，此时放电管VT截止。
由于VT截止，Vcc则通过R对C充电，当TH=
≥
Vcc时，输出端OUT跳变为低电平，电路自动返回稳态，此时放电管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
≈1.1RC。
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≥100KΩ，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常数，其大小为
=1.1×
×
（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≤1KΩ，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≥100KΩ，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β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1A／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1n4001～1n4007。
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
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[2]彭介华．电子技术课程设计指导．高等教育出版社，200620～100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，200750～80页
[4]华成英．电子技术．中央广播电视大学出版社，2006120～200页
[5]童诗白．模拟电子技术基础．高等教育出版社，2004150～210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，200660～90页
[7]刘树林．低频电子线路．电子工业出版社，2003103～190页
[8]孙建设．模拟电子技术．化学工业出版社，2002130～230页
[9]黄俊王兆安．电力电子变流技术．机械工业出版社，200620～90页
附录
序号
名称
型号规格
位号
数量
1
集成电路
555定时器
IC1
1
2
单向可控硅
1A/400V
SCR
1
3
驻极体话筒
HTD35A
B
1
4
三极管
9014
VT1,VT2,VT3
3
5
三极管
3DK2
VT4
1
6
光敏三极管
3DU5
VT5
1
7
整流二极管
IN4001
VD1-VD6
6
8
稳压二极管
2CW57
DW1
1
9
电阻器
560K,200Ω
R1,R2
2
10
电阻器
300Ω,430K
R3,R4
2
11
电阻器
4.3K,2.7K
R5,R6
2
12
电阻器
1.8K,5.6K
R7,R8
2
13
电阻器
300K,22K,20K
R9,R10,R11
3
14
瓷片电容
0.47uF,0.01uF
C1,C9
2
15
电解电容
220uF,47uF
C2,C3
2
16
电解电容
4.7uF,10uF
C4,C5
2
17
电解电容
10uF,0.68uF,100uF
C6,C7,C8
3
总结
本次我设计的题目是声光控楼道灯开关设计，这是一种声音和光照双重控制的照明灯开关，它可以用于楼梯、过道、库房等场合。
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响，就会自动点亮灯泡为行人照明，过几十秒后又自动熄灭，节约电能。
本设计思路清晰、逻辑合理，将我所学的专业知识得到了全面的运用，更提高了我的专业知识水平。
在电源设计中要根据其主体电路及执行机构不同，要求可靠，价廉，有效益。
由于此开关在光线较暗时是否接通取决于声音的强弱，因此为加强其工作效应，设计了信号放大整形电路，微弱的信号经过此电路加工也能使开关正常工作。
这次项目设计将我学到的知识得到了很好的应用，深化了对数字电路设计、模拟电子设计的认识，使我在设计的实践中获得新知。
这次实践操作，我不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是我通过自己的独立动手以及老师和同学的耐心指导，我学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图等。
在此设计中利用到了三极管的放大、光敏效应，特别是让我温习了555定时器的知识与应用，进一步巩固和掌握了前面所学的基础知识，加深对了对模拟电路、数字电路的理解，对元器件的使用更加深刻。
毕业设计是理论和实践的结合。
通过本次毕业设计不仅让我巩固和加深了以前所学的知识，同时也让我发现了自身的不足。
学习不能只学表面的，很多知识是需要我们深入了解的。
学习也不能是一时的，知识的日新月异需要我们长期的坚持和日积月累。
知识是博大精深的，由于电子技术的发展日新月异。
且个人能力有限，设计中难免会出现错误和不足之处，恳请读者批评指证。
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