声光控路灯控制器设计.docx
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声光控路灯控制器设计
声光控路灯控制器设计（总19页）
2008级电子信息工程
《模拟、数字电路》课程设计报告
设计题目
声光控节能路灯控制器
姓名及
学号
学院
物理与电子信息工程学院
专业
电子信息工程
班级
08级6班
指导教师
2010年11月25日
题目：
路灯控制器的设计
一、设计题目及要求
1、设计题目
声光控节能路灯控制器的设计。
2、设计要求
（1）作品要求
①具有光控功能，白天光线较亮，即使有声音路灯也不亮，光线较暗，有声音时路灯点亮。
②具有声控功能，晚上光线较暗，有声音时路灯点亮，声音消失后延长照明一段时间后自动熄灭。
（2）报告要求
（1）画出电路原理图
（2）元器件及其参数选择
（3）在调试及组装电路过程中出现的问题及解决方法
（4）元器件清单
指导教师签名：
2010年月日
二、指导教师评语
指导教师签名：
2010年月日
三、成绩
验收盖章
2010年月日
一、前言
声光控节能路灯具有许多实际意义：
一是省电，灯泡不会很长时间亮着，所以节电效率很高，达80%左右；二是便利，不需要接触，全自动智能控制；另外，接线简略、安装利便，是公共场所照明的首要选择。
再者，随着科技的发展，公共场所照明控制手段也将慢慢更新，除此刻已有的声光控开关外，另有微波感应开关以及热释远红外感应开关。
今朝，微波感应开关的抗干扰性能尚不完善，红外感应开关在性能上较为稳定，但安装复杂，比较娇气，价格也偏高，比较合适在一些管理完善的场所如宾馆、大饭店楼道及居家走廊应用。
在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装便利等因素，按照我国国情，可以估计在相当长一段时期内，声光控路灯将是首选的产品。
所以，对这一课题的研究是必要的。
世界的发展离不开能量物质，声光控开关能较好的为解决世界能量物质危机供给一点帮忙。
有助于我国实现可连续发展，构建节约型社会。
二、设计方案及其论证
设计思路
整个电路由电源电路，声控电路，光控电路及延时电路等部分组成。
电源由直流稳压电源提供。
光控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光亮程度相对应的电压信号，从而实现白天灯泡不亮晚上遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮。
声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而实现自动控制。
延时电路使得声音消失后灯泡延长一段光照时间。
必要时可加一个手动开关，以增强电路的实用性。
总体方框图如图1所示。
总体方框图
主要电路
声光控路灯控制器原理如图2所示：
设计原理分析
电路中集成块74LS00的脚1和脚2、脚13和脚12接成“与”输入用以鉴别输入动态。
由555定时器构成的单稳态触发器用于电路延时及低电平触发固态继电器。
按逻辑功能只有当脚13和脚12两输入端都呈高电平时，脚11的输出才为低电平，单稳态触发器被触发，555定时器3脚输出高电平激发固态继电器，接通灯路。
白天因光敏电阻受光线照射，74LS00的13脚呈低电位，74LS00的11脚输出为低电平，继电器处于关断，灯路关闭。
这时，无论外界声音再高灯都不会亮；到夜晚，GR的电阻随环境光线减弱而增大，脚13变为高电平，当人走动的脚步声传到传声器BW时，声波转换成电信号经三极管VT放大，使1、2脚电位由高变低，脚11输出高电平，与其连接的单稳态触发器的2脚也呈现高电平，单稳态触发器不被触发，其3脚输出低电平，固态继电器处于关断状态，灯泡不被点亮。
各部分电路工作原理及参数选择
声控电路
该电路结构如右下图所示，主要由驻极体话筒连接电路及放大电路组成。
话筒将声音信号转换为电信号，但话筒传输的电信号及其微弱，输出阻抗极高。
因此不能直接接放大电路，我们在这里用R1,C1组成话筒的连接电路，实现阻抗的变换及放大电路的输入变换，使得放大电路是对信号的电压进行放大。
当没有声音时，放大电路无输入信号，三极管处于静态工作状态。
此时声控电路的输出为高电平，经74LS00的1、2脚反相后3脚输出为低电平，即74LS00的12脚为低电平。
此时即使是夜晚状态，单稳态触发器也不会被触发，继电器任工作于关断状态，灯泡也不会亮。
每个声音信号转换来的电压信号，我们将其看作无数个正弦信号，有正负半周之分。
声音信号到来，三极管处于放大状态。
当信号处于正半周时，放大后的电压与静态工作状态下的电压相叠加，电路任输出为高电平；当信号处于负半周时，放大后的电压与静态工作下的电压叠加后呈低电平，经74LS00的1、2脚反相后3脚输出高电平。
如此时为夜晚状态，74LS00的13脚也为高电平，74LS00的11脚输出为低电平触发单稳态触发器，继电器被导通，灯泡被电亮。
我们选择的驻极体话筒工作电压为5V，测得话筒工作时的电阻为20K，电源电压为10V，故R1选择阻值为20K的电阻。
为达到信号向正弦电压的转换，选择的无极性电容。
转换来的电压很微弱，为使电路输出变化明显，我们将三极管的放大倍数设置为9013三极管的最大值144倍。
并为得到较大的灵敏度，我们选择的基极电阻及集电极电阻分别为兆、33K欧姆。
光控电路
该电路结构如右图示，由光敏电阻GR,电阻R4、R1以及三极管Q1组成。
白天或光照强时，GR的电阻很小，Q1的基极呈现高电位，Q1导通。
光控电路输出为低电平，即与其相连接的74LS00的13脚输入为低电平。
此时即使有声音，固态继电器也不会被导通，灯泡不亮。
夜晚或光线较暗时，GR的电阻达到１兆左右，Q1基极电位低，Q1截止。
此时，电路的输出为高电平，与其相连接的74LS00的13脚呈高电平。
如此时遇到声音触发，74LS00的12脚呈高电平，11脚输出低电平触发单稳态触发器。
单稳态触发器输出高电平，固态继电器迅速被激发导通，灯泡被点亮。
我们测得GR的亮电阻为20K，暗电阻为1兆。
欲使
Q1导通，Q1基极电压需达到。
通过分压公式，计算得R4取欧姆合适。
为保证夜晚时三极管截止时，光控电路的输出为高电平，我们在回路中接上阻值为10K的上拉电阻R2。
稳压电路
该稳压电路部分由一个三端集成稳压器及电容C4构成。
电路结构如右下图示。
因为74LS00集成块正常工作时需要的工作电压为5V，而1脚处的输入电压约为10V，所以在设计中选择了此稳压管稳压，使3脚输出约5V的电压供给74LS00集成块，使其正常工作。
为得到更加稳定的电压，输出端并联一个滤波电容C4,其值为10uF。
延时、触发电路
该延时电路是由555定时器组成的单稳态触发器，它具有一个稳态和一个暂稳态。
其电路结构如下图示：
在我们的设计电路中，该延时、触发电路如右下图示当没有触发信号时，Vi（2脚）处于高电平（Vi>VCC/3）,如果接通电源后Q=0，V0（3脚）=0，T导通，电容通过放电三极管T放电，使Vc=0,V0保持低电平不变。
如果接通电源后Q=1，放电三极管T就会截止，电源通过电阻R向电容C充电，当Vc上升到2VCC/3时，由于Vc1=0,Vc2=1时，锁存器置0，V0为低电平。
此时放电三极管T导通，电容C放电，V0保持低电平不变。
因此，电路通电后在没有触发信号时，电路只有一种稳定状态V0=0.若触发输入端施加触发信号（Vi平跳变为高电平，电路进入暂稳态，放电三极管T截止。
此后电容C充电，当C充电至Vc=2VCC/3时，电路的输出电压V0由高电平翻转为低电平，同时T导通，于是电容C放电，电路返回到稳定状态。
电路的工作波形如右下图所示：
如果忽略T的饱和压降，则Vc从零电平上升到2VCC/3的时间，即为输出电压V0的脉宽Tw=RCln3=.此Tw也为触发电路中的延时时间。
由于要让单稳态触发电路的V0能够由高电平翻转为低电平，则需要6脚的输入电压即Vc>2VCC/3;且考虑在调试时能够容易判断出电路设计的正确性，所以在设计中我们要求延时较短，为2s，即Tw=2s=；而通常R的阻值在几百欧至几百兆欧之间，电容取值为几百皮法到几百微法。
所以我们的参数选择为R6=2K,C5=100uF。
开关电路
该电路主要由固态继电器组成。
固态继电器是一种无触点电子开关，由分立元器件、膜固定电阻网络和芯片，采用混合工艺组装来实现控制回路（输入电路）与负载回路（输出电路）的电隔离及信号耦合，由固态器件实现负载的通断切换功能，内部无任何可动部件。
主要由输入（控制）电路，驱动电路和输出（负载）电路三部分组成。
其内部电路如下图所示。
1、2为输入端，3、4为输出端。
R0为限流电阻，光耦合器将输入与输出电路在电气上隔离开，V1构成反相器，R4、R5、V2和晶闸管V3组成过零检测电路，UR为双向整流桥，由V3和UR用以获得使双向晶闸管V4开启的双向触发脉冲，R3、R7为分流电阻，分别用来保护V3和V4，R8和C组成浪涌吸收网络，以吸收电源中带有的尖峰电压或浪涌电流，防止对开关电路产生冲击或干扰。
如图所示，当输入端未加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接收光而截止，V1饱和，V3和V4因无触发电压而截止，此时SSR关闭。
当加入输入信号时，光耦合器中的发光二极管发光，光敏晶体管饱和，使V1截止。
此时若V3两端电压在适当内时，只要适当选择分压电阻R4和R5，就可使V2截止，这样使V3触发导通，从而使V4的控制极上得到从R6→UR→V3→UR→R7或反方向的触发脉冲，而使V4导通，使负载接通交流电源。
考虑到固态继电器的过流、过压保护措施，我们选用规格为400伏、5安的继电器。
电源电路
该部分是由一个输出为9V的变压器和整流滤波电路组成电路结构如下图示。
220V的交流信号经过变压器，变压为9V的交流信号IN，而桥式整流电
路将交流电压IN变换成脉动的直流电压。
再经过由电容C7构成的滤波电路滤除纹波，输出直流电压U1约为10V。
为确保电路直流电源的稳定，我们用到了稳压二极管D1。
经桥式整流来的电压按公式计算应为。
为保护D1的完好，
我们选择了阻值为100欧姆的限流电阻。
因为声光控电路部分需要10V的直流电压供电，因此在设计中选择了输出为9V的变压器，输入为9V桥式整流器；为了确保供给声光控电路部分的电压为10V,因此我们用到10V的稳压二极管D1。
其他电路
（1）负载电路负载电路上接上一定功率的灯泡。
（2）数字电路与非门集成块用于鉴别输入动态；脚11输出低电平时，单稳态触发器被触发，从而3脚输出高电平，激发固态继电器导通。
三、整个过程中遇到的困难及解决方案
这次是我们第一次做课程设计，在电路的原理选取、分析、参数计算过程中出现了一些问题，由于参数选择不当，不能使三极管处于放大状态，也是我们对学过的知识不熟悉的一种表现；在元器件的焊接过程中，表现的不熟练，没有掌握好技巧，有时会出现虚焊等情况。
在电路的调试和故障排除过程中，遇到了很大的困难，比如：
因受到灌电流的影响，不管是白天还是黑夜，光敏电阻两端分得的电压始终为高电平，所以触发电路不能按要求正常工作，而在设计中我们没有考虑到这一点，致使此设计不能达到设计的目的;另外，只考虑到延时时间而忽略单稳态触发器的翻转条件，选择的R6过大，使得单稳态一被触发就不能再使输出为低电平，灯泡不在熄灭。
不过在老师的指导和帮助下，我们改变方案重新设计了现在的光控电路，并改变了R6的阻值，最终达到了设计要求。
四、总结及心得
通过近两周的课程设计，我们觉得自己的确学到了许多知识。
以前学习模拟和数字电子技术的时候，总觉得没有什么实用性，而现在才发现那种想法是完全错误的。
例如我们实习时要求我们设计的水位控制器，抢答器.报警器.路灯控制器，音频放大器等都离不开模拟电子技术基础这门重要的学科。
这些知识完全能够使本来很暗淡的世界，变得丰富多彩。
使我们的生活更加绚丽，使我对模电和数电课程更加迷恋。
通过两周的课程设计，我学会了许多专业知识。
遇到困难时，我就去积极的看教材，去图书馆查阅资料，去网上搜索相关信息，直至把每一个细节，每一个原理都搞清楚弄明白为止，大大增强了我的自学能力和独立能力。
更重要的是，我拓展了思路，开阔了视野，活跃了思想。
以前学习模电和数电时总觉得自己傻傻的，不知所措，无从下手，不知如何学起，思路很狭窄，视野也不开阔，学的东西很死板，也很僵硬，根本不能够运筹于帷幄之中，更不用说去自己设计个电子线路了，那简直是天方夜谈。
现在我就对自己充满了信心，敢于去动手，敢于去实践，敢于去偿试，敢于去面临挑战，不怕失败，不再放过自己每一个灵感的火花。
更为重要的是我深深地体会到了友谊的力量，在我们实习过程中，同学们互帮互助，相互关心，相互体贴，手挽手，肩并肩，风雨中同舟共济，克服了种种困难，最终为我们的实习画上了圆满句号，充分体现了拼搏精神和团队精神，使我终身难忘。
五、参考文献
[1]、《电子技术基础实验与课程设计》
[2]、《电子技术基础（数字部分）》
[3]、《电子技术基础（模拟部分）》
[4]、《电子线路CAD实用教程》
六、附录
元件清单
元件代号
元件型号
元件名称
R1
20K
电阻
R2
10K
电阻
R2a
电阻
R2b
电阻
R3
33K
电阻
R4
电阻
R5
100欧姆
电阻
R6
1M
电阻
J1
CON2
连接器
J2
CON3
连接器
C1
电容
C3
100u
电容
C4
10u
电容
C5
100u
电容
C6
电容
C7
100u
电容
Q1
9013
NPN
Q2
9013
NPN
U1
W7805
三端稳压
U2
74LS00
反向器
U3
LM555
555定时器
U4
RELAY
固态继电器
D1
10V
稳压管
D2
BRIDGE2
桥堆
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