智能楼道灯系统.docx
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智能楼道灯系统
第四届“创新杯”电子制作大赛
作品报告
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完成日期：
摘要
本作品是以模拟路灯为基础的智能LED节能控制系统，采用纯硬件电路实现诸多功能。
整体式对楼道走廊灯系统的模拟并实现。
本系统用到了光敏电阻，声控器件——驻极体等传感器性质器件，可实现LED灯的光控、声控以及对二者的综合作用做出反应。
系统的功能和具体参数将在正文中具体描述。
在系统实现基本供能的基础上，通过调节相关电位器的阻值可调节电路的灵敏度，即控制光线和声音强弱对电路特性的影响。
关键词：
模拟路灯；传感器件；智能控制
引言
众所周知，白炽灯是爱迪生的重要发明，这一发明使人类的夜晚从此告别了黑暗，迎来了光明。
但白炽灯太耗电了，进入二十一世纪的人类，将降低能耗，节约能源，注重环保看成是当今世界的主潮流。
占据照明灯主要市场的白炽灯由节能型的冷光源灯取代，也是无可争辩的事实。
于是节能，环保且寿命长的LED灯应运而生，其应用，发展势头在近几年，一年比一年迅猛，北京奥运场馆大量采用LED灯就是一个很好的例子。
本组通过简单的原件和硬件电路实现了一个智能LED楼道照明电路。
功能介绍：
1：
LED楼道照明灯接220v/50Hz的交流电使用，白天不亮，夜晚受声音控制发光，发光时间约为10秒。
2：
LED照明灯用三个发光二极管组成，利用晶闸管作开关。
3：
充电电池及充电电源的处理。
由于要在短时间内表明电池电压的变化情况，为此采用“317”可调电源代替可充电电池（不提供充电电池也不涉及制作充电电源）。
4：
指示灯说明：
用红灯表示电源充电，用黄灯表示电源供电，用蓝灯表示电源电压过高，需要停止充电。
5：
有防过充电，过放电电路。
充电电池电压Ｕ0正常为１０Ｖ上下。
为了延长充电电池的寿命，当电压低于8.6V时，停止供电，并且为充电电源充电，当电压高于12V时，停止充电。
本作品的工作过程如下：
白天时为充电电源充电，不给照明电路供电，当电源电压大于12V时停止充电；晚上利用充电电源给照明电路供电，当楼道中有声音时，ＬＥＤ照明灯亮，灯亮一段时间后，如果楼道中没有声音，ＬＥＤ照明灯自动熄灭，当电源电压低于8.6V时停止供电，为电源进行充电。
1方案设计
1.1电路系统设计指标
（1）电路系统能够对充电电压的高低做出反应
（2）能够感应光线的强弱，实现LED灯亮灭的自动切换；
（3）能够感知声音，对声音的强弱做出反应；
（4）能够对声音和光线强度的综合作用做出反应
1.2LED智能控制系统设计背景
白炽灯是爱迪生的重要发明，这一发明使人类的夜晚从此告别了黑暗，迎来了光明。
但白炽灯过于耗电，进入二十一世纪的人类，将降低能耗，节约能源，注重环保看成是当今世界的主潮流。
占据照明灯主要市场的白炽灯由节能型的冷光源灯取代，也是无可争辩的事实。
于是节能，环保且寿命长的LED灯应运而生，其应用，发展势头在近几年，一年比一年迅猛，北京奥运场馆大量采用LED灯就是一个很好的例子。
本组通过简单的原件和硬件电路实现了一个智能LED楼道照明电路。
白天，充电电池充电（红色发光管亮），当充电电池电压高于１２Ｖ时，自动切断充电，红色发光管灭，并转至ＬＥＤ照明灯及其控制电路供电，此时兰色发光管亮。
晚上，充电电池给ＬＥＤ灯及其控制电路供电，黄色发光管，兰色发光管亮，当楼道有声音时，ＬＥＤ照明灯亮。
灯亮时间约为１０秒，过后若楼道无声音，ＬＥＤ照明灯自动熄灭。
如果充电电池电压低于８.６Ｖ黄色发光管灭，控制电路将会自动接通充电电路充电（红色发光管亮）。
1.3LED智能控制系统设计思路
（1）电源部分采用正负连续可调电源，核心元件为LM317和LM337
（2）光敏感应电路使用光敏电阻结合CD40106BF触发器，作用于后级电路
（3）使用电磁驻极体感知声音，结合比较器、运算放大器作于后级电路
（4）使用5V继电器和晶闸管97A6对电路进行切换操作
（5）对多个部分的电位器组织进行调节，可调节阈值电压和感应灵敏度
2电路核心元件介绍
2.1光敏电阻
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
该电路使用的光敏电阻在调试过程中，在普通光照下的阻值为１ｋ左右，在光照较弱时可达到１００ｋ以上。
图2.1光敏电阻实物图
2.2单稳态触发器CD40106BF
CD40106BF是ＣＯＭＳ型施密特触发器，该触发器的滞回电压随着供电电压ＶＤＤ的变化而变化，典型的如０.９Ｖ ａｔ ＶＤＤ＝５Ｖ，２．３Ｖ ａｔ ＶＤＤ＝１０Ｖ，该触发器在该电路中的作用是将输入信号反向和整形。
图2.2CD40106封装图
2.3电磁继电器
电磁继电器一般由电磁铁、衔铁、弹簧片、触点等组成的，其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。
电磁继电器还可以实现远距离控制和自动化控制。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
该电路总使用了两个继电器，分别控制供电电路和显示灯的切换。
所用电磁继电器规格为5V。
图2.3电磁继电器
2.4驻极体
将电介质放在电场中就会被极化,许多电介质的极化是与外电场同时存在同时消失的,也有一些电介质，受强外电场作用后其极化现象不随外电场去除而完全消失，出现极化电荷“永久”存在于电介质表面和体内的现象。
这种在强外电场等因素作用下，极化并能“永久”保持极化状态的电介质，称为驻极体.声电转换的关键元件是驻极体振动膜。
它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。
然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。
膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。
膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。
这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。
当驻驻极体话筒极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。
驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。
因而它的输出阻抗值很高（Xc=1/2~tfc），约几十兆欧以上。
这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。
所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。
场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。
普通场效应管有源极（S）、栅极（G）和漏极（D）三个极。
这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。
接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。
场效应管的栅极接金属极板。
这样，驻极体话筒的输出线便有三根。
用驻极体材料作成的一种电容式话筒，其结构是由一个张紧的被敷有金属薄膜的振膜和驻极体作背极组成的平行板电容器。
声波作用时，振膜与驻极体背极间的距离改变，使平行板电容器电容量发生变化，两端电压随之改变，其变化与声振动相对应，完成声电转换过程，这种话筒除具有一般电容话筒的理想特性外，还具有稳定、体积小、重量轻及抗振性能良好等优点，其指向性也可以在无方向、心形、8字形间变化。
但由于输出信号比较微弱，依然需要加前置放大器。
图2.4驻极体话筒
2.5晶闸管97A6
晶闸管又称双向可控硅，是由N-P-N-P-N五层半导体材料制成的，对外也引出三个电极，其结构如图所示。
双向晶闸管相当于两个单向晶闸管的反向并联，但只有一个控制极。
图2.5双向晶闸管结构示意图
双向晶闸管有3个引出电极，分别用阳极（A）、阴极（K）、门极（G）表示。
工作时，器件的阳极和阴极间加正（负）压，若门极无电压，只要阳极电压低于转折电压，器件就不会导通，处于阻断状态；若门极加一定的正（负）压，则双向晶闸管在阳极和阴极间电压小于转折电压时被门极触发导通。
本电路采用双向晶闸管用作开关，控制照明灯工作。
晶闸管导通条件为Ｔ１，Ｔ２电压分别为高与低，当门控端电压为高时，晶闸管导通；在导通状态下，当门控端降为低电平时，晶闸管断开。
由此，通过声敏构成的声音采集电路输出的高低变化的电平即可控制晶闸管的通断，从而决定照明灯工作与否。
3电路设计原理
3.1可调电源
设计一种输出电压连续可调的集成稳压电源，输出电压在-12V——+12V之间连续可调，输出最大电流可达1.5A。
由于负电源的工作原理与正电源工作原理相同，因此在此只讲述正电源工作原理。
可调电源图解：
图31可调电源流程图
输入为220V的电网电压，变压器副边电压通过整流电路从交流电压转换为直流电压，即正弦波电压转换为单一方向的脉动电压，半波整流电路和全波整流电路的输出波形如图所示。
可以看出，他们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作。
为了减小电压的脉动，需通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。
理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。
然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。
对于稳定性要求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。
交流电压通过整流、滤波后虽然变为交流分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。
稳压电路的功能是使输出直流电压基本不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。
整体来说，可调电源由变压器、整流电路、滤波电路、稳压可调电路、滤波电路组成。
其中，整流滤波电路输出电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载电阻的变化而变化。
为了获得稳定性好的直流电压，必须采取稳压措施。
三端集成稳压器电路与简单稳压电路相比其电路结构简单，它可以通过外接元件使输出电压得到很宽的调节范围。
并且内部有过热保护、过流保护等保护电路，可以很安全的保护电路的正常工作。
图（5）时由LM317组成的基准电压源电路，电容Co用于消除输出电压中的高频噪音，可取小于1μF的电容。
输入端和调整端之间的电压时非常稳定的电压，其值为1.25V。
输出电流可达1.5A。
图3.2由LM317组成的稳压电路
为了减少R2上的纹波电压，可在其上并联一个10μF电容C。
但是，在输出开路时，C将向稳压器调整管发射结反偏，为了保护稳压器，可加二极管D2，提供一个放电回路，D1,D2起保护作用。
如图（6）所示：
图3.3LM317的外加保护电路
电源部分原理图：
图3.4可调电源原理图
3.2声敏控制电路
声敏控制电路的原理图如下图所示：
图3.5声敏控制电路原理图
本电路在满足电池工作电压以及环境较为黑暗的条件下，本电路通过驻极体采集声音信号来向晶闸管发出控制信号。
电路具体工作原理如下：
通过驻极体与
的组合，用以将声音信号转化为电信号。
在静音状态下，ＶＴ３基极电压大于导通电压。
ＶＴ３，ＶＴ４分别处于导通和截止状态，Ｕ４Ａ的反相输入端为高电平，大于同相输入端，所以１号引脚输出低电平，最终Ｕ４Ｃ输出端输出低电平，晶闸管处于断开状态，照明灯不亮：
在有声音状态下，ＶＴ３基极电压减小，ＶＴ３，ＶＴ４分别处于截止与导通状态，Ｕ４Ａ反相输入端为低电压，１号脚输出高电平，ＲＰ４与
组成积分电路，
迅速充电，８号脚输出高电平，使晶闸管导通，照明灯亮起。
声音消失后，
会缓慢放电，从而使照明灯在声音消失后一段时间才熄灭，具体的持续时间由ＲＰ４，
，ＲＰ５共同决定。
从而，电路即可实现在有无声的情况下，照明灯不工作，在有声音的情况下，照明灯可以持续工作一段时间。
3.3电源电量控制电路
电源电量控制电路原理图如图所示：
图3.6电源电量控制电路原理图
该电路采用信号灯来显示电源电量的相对大小，对于如何控制充电电源的电量，本电路没有涉及。
白天对充电电源进行充电，指示灯红灯亮，当充电电源的电压大于12V时蓝灯亮，显示充电电源的电压过高，应进行适当处理来停止充电；晚上利用充电电源给照明电路供电，指示灯黄灯亮，当充电电源的电压低于8.6V时，电路自动切断供电，红灯亮，提示要进行适当的处理来使电源充电。
本电路中利用稳压管作基准源，通过调节分压的电阻来实现8.6V和12V的比较；利用光敏电阻来实现对光源信号的采集，当白天有光照时，光敏电阻的电阻很小，导致其输出的低电压经过反向迟滞比较器后产生高电压时三极管导通，从而使继电器吸合使红灯亮，为电源进行充电，并且控制供电电路的继电器未吸合使得白天不供电，当晚上无光照时，光敏电阻的电阻很大，导致其输出的电压很高，经过一个反向迟滞比较器后产生低电压不能使三极管导通，因而相应的继电器不吸合，使得黄灯亮，并且控制供电电路的继电器吸合，从而使充电电源晚上为照明电路进行供电，并且用黄灯显示。
3.4晶闸管开关控制电路：
晶闸管开关控制电路原理图如图所示：
图3.7晶闸管开关控制电路
电路具体工作原理如下：
通过驻极体与
的组合，用以将声音信号转化为电信号。
在静音状态下，ＶＴ３基极电压大于导通电压。
ＶＴ３，ＶＴ４分别处于导通和截止状态，Ｕ４Ａ的反相输入端为高电平，大于同相输入端，所以１号引脚输出低电平，最终Ｕ４Ｃ输出端输出低电平，晶闸管处于断开状态，照明灯不亮：
在有声音状态下，ＶＴ３基极电压减小，ＶＴ３，ＶＴ４分别处于截止与导通状态，Ｕ４Ａ反相输入端为低电压，１号脚输出高电平，ＲＰ４与
组成积分电路，
迅速充电，８号脚输出高电平，使晶闸管导通，照明灯亮起。
声音消失后，
会缓慢放电，从而使照明灯在声音消失后一段时间才熄灭，具体的持续时间由ＲＰ４，
，ＲＰ５共同决定。
从而，电路即可实现在有无声的情况下，照明灯不工作，在有声音的情况下，照明灯可以持续工作一段时间。
4总体电路效果
电阻总体效果相对比较满意，楼道、走廊的灯的效果基本都可以实现，而且可通过调节相关电阻和电容的值来控制LED灯亮的时间长短，由于器件限制的原因，仅使用了电位器来调节电阻值，未使用可调电容，因此LED灯亮的时间比较固定不能随意调节。
最终电路系统原理图如下图所示：
图4.1电路系统原理图
由于电路原理相对复杂，用到的电路元件比较复杂，因此PCB布线相对比较繁琐，尽可能缩小板图面积，元件布局要合理，连线避免出现锐型拐角，电源及临界信号走线使用宽线，电源、信号布线有所不同，自动布线，先摆好原件再启动自动布线，自动布线后再手动调整。
下图为最终电路PCB图：
图4.2电路PCB图
下图为电路系统的实际效果：
图4.3电路系统的实际效果图
结论
本电路系统的最终成品看似不太复杂，但也不是一蹴而就的。
从前期的方案拟定到参数选择再到最后的系统板调试，每个过程都花费了不少的时间。
尤其是最后的成品板调试阶段，一定要顶住压力，否则可能功亏一篑。
本作品的设计思路比较灵活的一点是相关传感器件的相关灵敏度调节都使用了电位器，阻值可调给电路后期的调试和实际模型的使用提供了极大的方便。
同时也是人性化思想的体现。
该电路系统能相对完美地模拟实现LED灯智能控制，使得电路原理简单化、清晰化，这是只是在实际生活中的灵活运用，同时也体现了电学的完美魅力，知识产生于生活，服务于生活。
附录
附录为电路元件清单：
元件名称
单位
数量
备注
元件名称
单位
数量
备注
电源线
根
1
电位器（5.1kΩ）
只
1
220V/17。
5V变压器
只
1
可调电阻（103Ω）
只
１
熔断丝（0.5A）
只
1
可调电阻（104Ω）
只
１
熔断丝盒
只
1
可调电阻（504Ω）
只
３
LM317
片
1
光敏电阻
只
１
LM7806
片
1
４７０Ω
只
６
LM358
片
1
１ＫΩ
只
６
CD40106B
片
1
2.2ＫΩ
只
６
集成座8P
只
1
3.3ＫΩ
只
２
集成座14P
只
2
10ＫΩ
只
10
散热片
只
1
15ＫΩ
只
５
三极管9014
只
2
20ＫΩ
只
5
三极管9013
只
3
33ＫΩ
只
２
IN4007
只
6
51ＫΩ
只
４
IN4148
只
4
１００ＫΩ
只
１０
稳压二极管5.1V
只
1
180ＫΩ
只
２
发光二极管绿光
只
1
510ＫΩ
只
２
发光二极管红光
只
1
２ＭΩ
只
２
发光二极管兰光
只
1
电容1000ｕＦ/２５Ｖ
只
１
发光二极管黄光
只
1
220ｕＦ/２５Ｖ
只
２
发光二极管白光
只
3
47ｕＦ/１６Ｖ
只
２
5MM发光管
只
1
10ｕＦ/１６Ｖ
只
２
电磁继电器
只
2
105ＰＦ/４００Ｖ
只
１
驻极体
只
1
104ＰＦ
只
２
双向晶闸管（97A6）
只
1
单股导线φ0.5ｍｍ
根
１
致谢
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