声光控路灯的设计概要.docx

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声光控路灯的设计概要

摘要

关于路灯的自动控制电路，基本原理都是相同的，即利用自动控制理论如何实现自动控制。

路灯控制电路实现的方式、种类繁多，在满足性能指标要求的情况下，应尽量以强宜的性价比基于分立元件实现的模拟电路，根据具体环境使用的差异在电路选择上有所侧重。

本电路使用广泛，功能完善，成本低廉，而且设计电路简单，采用常用的电子元器件构成，使用非常方便，而且此电路具有延时时间可调的功能，照明装置采用低耗能高亮度LED,具有节能降耗的功能，并具有光控、声控的双重功能，可广泛用于多个场合。

声控路灯需要具有在白天不能工作，而在晚上正常工作的功能，因此需要一个光电开关来控制声控路灯在白天和晚上的工作状态。

主要实现利用声控电路、光控电路同时控制路灯，以实现照明的目的。

关键词：

声控电路、光控电路、电路、设计

1前言

控制路灯常见的控制方式有光控、声控、以及声光结合的控制,当然还可以利用单片机,DSP等微控制器来实现。

在保证足够可靠性的基础上－为了尽量节约成本,利用简易的分立元件来实现,显得既经济又实用,在提倡构建节约型社会的今天无疑值得推广。

在信息技术不断发展，人类文明不断进步的时代，越来越多的电子产品开始占据人们的日常生活和工作，在很多公共场所，只要短时间照明的场所，就需要安装一些电子器件，即能够自动控制开关，在有人的时候亮，人走之后，能持续一段时间，路灯控制器是一种声光控制器件，能实现这种功能，即在白天光线比较亮不需要照明的时侯，能够使电路工作，自动控制灯打开，能够在声音消失后，延时照明一段时间，以实现照明的目的。

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，安装便利，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，另外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，比较适合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间内，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。

2声光控路灯的设计方案

2.1设计思路

此次设计的电路是声光控制路灯电路，在此电路中希望达到的目的是，使电路能根据声音和光线的作用自动发光，并且自动熄灭。

在白天强光照射时，电路中灯泡不发光；而晚上无灯光或被遮光，并且有声响时灯泡发光，且延续30秒后熄灭。

此电路图的设计主要是基于用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。

在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。

声光控延时开关不仅使用于与住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼，教学等公共场所，用途非常广泛。

2.2总体方框图

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2-1所示。

图2-1总体方框图

2.3总的设计原理分析

在此次电路设计中，对电路元器件的要求也极为高，必须保证其各项参数的精确，稳定。

故在选择这类元器件时一定要选择高灵敏度工作稳定可靠的元件，当然电路工作的稳定与否？

功能能否实现？

并不仅仅只和电路元器件有关，外加电源也是不可忽视的，因此最好给电路加上一个稳压电路以确保电路能正常工作。

希望能实现无安全隐患、节电、结构安装简单、维护量少、性能稳定、抗干扰强、成本低等功能【1】。

本次电路主要由声控电路，光控电路，延时电路，开关电路，电源电路组成。

首先电路收到声音信号经驻极体话筒三极管放大后变成电信号，如果没有声音放大电路则收不到信号，三极管不工作。

然后光控电路利用光敏电阻的特性收到光源信号，经三极管放大与声音信号组成与非门电路，经与非门电路后送到稳压电路。

这是加上一个开关电路，开关电路主要由输入（控制）电路，驱动电路和输出（负载）电路三部分组成。

延时部分，当两个条件都同时满足灯亮后，可以改变R、C元件值控制延时时间的定时。

最后经桥式整流经信号输出。

以上可以用简单示意图示意。

如图2-2:

图2-2原理分析示意图

3硬件电路的设计

3．1声控电路

图3-1声控电路

该电路结构如上图3-1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成电信号，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器单稳态触发器，继电器被导通，灯泡被点亮。

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0.1uF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4.8兆、33K欧姆【3】。

3.2光控电路

光控照明电路的制作主要是利用半导体光电器件—光敏电阻的特性制作而成的。

它利用光线的强弱来控制照明开关的动作，动作点可根据实际光线的强弱调节。

运行时无须人员操作、避免了人工操作开关不及时等不利因素。

因而有效地节约了电能。

图3-2光控电路

光控电路结构如上图3-2所示[3]，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，灯泡不会亮。

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74LSOO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0.7V。

通过分压公式，计算得R4取1.5K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，我们在回路中阻值为10K的上拉电阻R2。

光控电路的特点：

1）功耗低，在亮环境下几乎不通电，白天整个电路理论消耗的最大功率为0.73W。

2）抗干扰能力强。

3）设计了稳压电路，适用于各照明电路。

4）极小的体积。

3.3其他电路

3.3.1稳压电路

利用电路的调整作用使输出电压的稳定过程称为稳压。

稳压器，顾名思义，就是使输出电压稳定的设备。

所有的稳压器，都利用了相同的技术实现输出电压的稳定输出电压通过连接到误差放大器反相输入端的分压电阻采样，误差放大器的同相输入端连接到一个参考电压。

参考电压由IC内部的带隙参考源产生。

误差放大器总是试图迫使其两端输入相等。

为此，它提供负载电流以保证输出电压稳定。

该稳压电路由一个三端集成稳压器及电容C4。

电路结构如图3-3所示。

因为74LS00集成块正常工作时需要的工作电压为5V，而1脚处得输入电压约为10V。

图3-3稳压电路

3.3.2延时、触发电路

如图3-4所示，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，其电路构成如图所示：

图3-4设计中的单稳态触发电路

在此计的电路中，该延时、触发电路如图所示当没有触发信号时，Vi

（2脚）处于高电平（Vi>VCC/3），如果接通电圆锯后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

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。

图3-5单稳态触发电路工作波形

电路的工作波形如上图3-5【2】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=1.1RC。

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=1.1RC;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。

3.3.3开关电路

该电路主要由固态继电器组成。

固态继电器时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）的电阻隔离及信号耦合，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。

其内部电路图8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。

图3-6开关电路

如上图3-6所示，当输入末端加电压信号时，光耦合器的光敏晶体管因未接受光而截至，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，就可以使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，从而使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。

3.3.4电源电路

图3-7电源电路

该部分是由一个输出为9V的变压器和整流滤波组成。

电路结构如上图3-7所示。

220V的交流信号经过变压器，变压为9V的交流信号1N，而桥式整流电路将交流电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10.8V。

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。

4软件部分的设计

4.1软件介绍

本次课程设计是建立在51单片机的基础上，51单片机时对目前所有兼容Intcl8031指令系统的单片机的统称【4】。

该系列单片机的的始祖是Inter的8031单片机。

后来随着FlashRom技术的发展，8031单片机取得了长足的进步，发展成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列。

它广泛应用于工业测控系统之中。

在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。

51单片机即是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。

4.2软件流程

触发555输入高电平

开始

晶闸管导通

是否强制切断

灯不亮

灯亮

延时

灯灭

图4-1软件流程图

首先按下开始按钮，进行系统初始化，利用光敏电阻接收到光源信号，根据光源信号的强弱来控制开关动作。

当光线信号达到一定强度时，光控部分导通，灯泡被点亮。

如图4-2所示：

图4-2光控示意图

接着接收声控信号，利用驻极体话筒将声音信号转化成电信号，利用放大电路将微弱的电信号进行电压放大。

此时三极管处于放大状态，输出高电平，灯泡被点亮。

如图4-3所示：

图4-3声控示意图

然后加一个开关电路控制延时电路，开关电路由固态继电器组成，接收到输入信号经桥式整流输出信号，延时一段时间后，灯泡熄灭。

如图4-4所示：

图4-4延时示意图

5设计中遇到的问题及解决方案

这是我第一次做课程设计，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。

在电路的调试和故障排除过程中，遇到了很大困难，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便不能再使输出为低电平，灯泡不再熄灭。

不过在老师的指导和帮助下，我改变方案重新设计了现在的光控电路，并改变了R6的阻值，最终达到了设计的要求。

6总结及心得

通过此次的设计，我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完全是错误的。

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。

通过此次设计，我学会了许多专业知识。

在遇到困难时，我就去积极看教材，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。

以前在学习模电和数电时总觉得自己傻傻的，不知所措，无从下手，不知从何学起，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。

现在的我对自己充满了信心，敢于去动手，敢于去实践，敢于去尝试，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，在我们实习的过程中，同学们互相帮助，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，充分体现了拼搏神和团队精神，使我终身难忘。

我相信以后的路会更加宽阔，明天会更加灿烂。

7参考文献

[1]吴政江，简易声.光控制电子开关的设计与制作.电子制作，2005年

[2]周元兴，电工与电子技术基础.机械工业出版社，2003年

[3]焦中平，照明灯声光控制电路及制作.电子制作，2007年

[4]曾令国，郑淑清.PCB及电路的抗干扰设计［A］.全国第八届工业工程与企业信息化学

术会议论文集［C］,2004年

8致谢