楼道声光控制感应灯设计毕业作品文档格式.docx

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Thisdesignismainlyintroducedinthecircuitdesignsteerableaboutsound.Acousticlight-activatedisrealizedbyphotoconductiveresistance,whenthebacklightphotoconductiveresistancewhenlightwillslowlyextinguished,namelythenalsoisapersonwalked.Insomecircuitthisprinciplecouldberealizedbythevibrationofthevoice,whenpeoplewalkistosimplywithhandlegentlyrowaboutlampwillautomaticallylight,peopleleftandputout.Thustopassers-bywithacorrespondingconvenience,atthesametime,alsoachievedpowersavingandenergy-savingpurpose;

Prolonglamplife.Inactuallifesavingenergysaving,canrealizemoreautomation.

Inthisdesignisintroducedinthevarietyofacousticlight-activatedstreetlampcontroller,thescopeofthecomposition,propertiesanditsworkingprinciple,thecircuitprinciplediagramandgivendeviceparametersselection,powersavingeffectisapparent,alsogreatlyreducedmaintenance,Inthisdesignisintroducedinthevarietyofacousticlight-activatedstreetlampcontroller,thescopeofthecomposition,propertiesanditsworkingprinciple,thecircuitprinciplediagramandgivendeviceparametersselection,powersavingeffectisapparent,alsogreatlyreducedmaintenance,savingmoney,useeffectisgood.Daytimelightjob,whetheroutpassers-byvoice,isnotwhatbulbshine.Nightlightanddark,circuitpick-upaslongasdetecthavebrokenhairring,willautomaticallybrightlighting,forpedestriansforseveralsecondslaterautomaticextinguished,andeffectiveenergysaving.

Keywords:

LEDlights;

LM317regulator;

CD4011;

Acousto-opticcontrolcircuit

1引言

随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近我们的实际生活。

声光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品。

声光控电路是声音和光控制电路工作的电子开关，它将声音和光转化为电信号，经放大、整形，输出一个开关信号去控制电路的工作，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响时，楼道灯会自行亮起，提供照明，当人们经过楼道之后，楼道灯会延时几十秒后自动熄灭。

在光线充足的情况下，即使发出再大的声音，楼道灯也是不会点亮的，这样就可以达到一个节电，节能的目的。

声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，还适用于工厂、办公楼、教学楼等其它公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。

通过这次的课题研究我希望在理清它的发展脉络上进一步了解它的发明原理，将平时所学习的知识运用到实验探索上，这对提高动手能力，创新意识，及锻炼思维活动无疑是一个莫大的帮助。

同时我也希望这次的研究能让我进一步地了解照明灯，而不是仅局限与课本知识以内。

2设计方案比较与选择

2.1方案比较

方案一：

电路图如图2-1所示：

图2-1方案一原理图

当有声音信号时，驻极体话筒MIC将声音信号接收后经VT1放大，再经整流电路转变为电压信号。

当有光照照在光敏电阻RGM上时，其阻值变小，对直流控制电压衰减很大，导致VT2、VT3和R7、VD3组成的电子开关截止。

而C4中无电荷，使单向可控硅MCR处于截止状态，灯泡不亮。

结论1：

有声音有光时，灯泡不亮。

同理，当有声音信号传入而又无光照射在光敏电阻RGM时，RGM阻值很大，对直流控制电压衰减很小。

VT2、VT3和R7、VD3组成的电子开关导通，使C4充电。

由于充满电时间很迅速，C4充满电荷后通过R8把直流触发电压加到MCR控制端，MCR导通，灯泡点亮。

当C4中电荷放至零时，MCR回复截止状态，灯熄灭。

结论2：

有声音无光时，灯泡亮。

当灯泡点亮过程中有新的声源出现时，C4会重新充电后重新放电，即重新计算点亮时间。

如果需要改变灯亮时长，只需更改C4或者R8的参数即可。

方案二：

电路图如图2-2所示：

图2-2方案二原理图

声光控延时开关的电路原理图如图2-2所示。

电路中的主要元器件是使用了数字集成电路CD4011，其内部含有4个独立的与非门D1～D4，使电路结构简单，工作可靠性高。

当声音信号由驻极体话筒BM采集并转换换成负极性电信号，经C1耦合到VT的基极对电信号进行放大，在VT的集电极输出的正极性电信号送到CD4011中的与非门D2的2脚，R4、R7是VT的偏置电阻，C2是电源滤波电容。

为了使声光控开关电路在白天断开工作，即灯不亮，由光敏电阻RG等元件组成的光控电路，R5和RG组成串联分压电路，夜晚无光线照射时，光敏电阻的阻值增大，RG两端的电压高，即为高电平期间t=2πR8C3，改变R8或C3的值，可改变延时电路的延时时间，可满足不同延时时间的需要。

CD4011中的D3和D4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。

当C3充电到一定电平时，信号经与非门D3、D4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；

C3充满电后只向R8放电，当放电到一定电平时，经与非门D3、D4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。

二极管VD1～VD4将220V交流进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C2滤波后即为电路的直流电源，为BM、VT、IC芯片等供电。

2.2方案选择

通过比较方案一和方案二的电路实现原理，两方案基本相同，但方案二具有较高的灵敏性，且所用的元件少易于制作，我觉得方案二比较适合。

在选择方案二的同时，我在该方案上作了改进，使电路更加稳定，更易于实现本设计的设计要求，电路图如2－3所示：

图2－3方案实现电路图原理图

该方案与方案二相比在整流电路之后加了电容C1，LM317稳压器，把方案二中的白炽灯泡换成了LED灯。

3电路设计与实现

3.1总体方案

3.1.1电路原理框图如图3－1所示：

稳压，滤波

整流，降压

声控电路

光控电路

延时电路

受控LED电路

控制开关

图3－1设计电路原理框图

3.1.2电路原理图

本设计电路由受控LED电路（如图3－2所示）和声光控制延时电路（如图3－3所示）两部分组成：

图3－2设计电路受控LED电路原理图

图3－3设计电路声光控制延时电路图

3.2方案论证

3.2.1整流电路

整流电路把交流电能转换为直流电能的电路。

大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。

本次所用为单向桥式整流电路，是由电源变压器T，4只整流二极管VD1～VD4等组成。

此部分电路图如图3－4所示：

图3－4整流部分电路图

工作原理：

利用4个二极管接成电桥使在UIN的正负半周的电压经过两只二极管交替导通，即在负载上形成了单方向的全波脉冲电压。

其中单向桥式整流电路对电压的利用率高。

在桥式整流电路中，交流电在一个周期内有两个半波电流以相同方向通过负载所以该整流电路输出的直流电压比半波整流电路增加一倍，即

UOUT=UIN*0.9*1.414≈280V

3.2.2恒流源电路

LM317恒流电路：

IN脚接输入电压正，OUT脚接一个电阻后为恒流输出，ADJ脚直接接到恒流输出，就是OUT脚的电阻的另一端，负载正接在这里，因为LM317里面有基准的1.25V电压，这个电压在LM317里面有稳压措施，所以会一直保持不变，这个电压就在电阻的两端（OUT脚与ADJ脚），电阻值是定的，电压也是定的，流过电阻的电流就是恒定不变的。

恒流值=1.25V/电阻（欧姆）

图3－5稳压部分电路图

3.2.3光控电路

本设计电路光控电路中的核心元器件为光敏电阻，又叫光感电阻，是利用半导体材料的光电效应制做而成的一种电阻阻值随入射光线的强弱而改变自身电阻的电阻器；

当入射光线强的时候，光敏电阻阻值减小，当入射光线弱的时候，光敏电阻阻值增大。

光敏电阻器一般可以用于光线强弱的测量、光线强弱的控制和光电信号转换，即将光信号的变化转换为电信号的变化。

在光线较暗时，光敏电阻呈高阻态；

在光线较亮时，光敏电阻呈低阻态，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。

光控电路由光敏电阻器RG，电阻器R5和CD4011中的D1组成。

此部分电路图如图3－6所示：

在黑暗状态下光敏电阻RG呈高阻态，电路通过R5在光敏电阻

图3－6光控部分电路图

RG形成高电平。

当同时有声音信号时，经过CD4011的一个与非门D1使后级电路工作。

当有足够的光通量照射在光敏电阻上时，其电阻值突然降得很低，既光敏电阻两边就的电压就很小，即不能形成高电平，使其后级电路不能工作。

3.2.4声控电路

当MK获取到声音信号后，其会转换成电信号，如图3－7所示声控电路由传声器MK，电阻器R3、R4，晶体管VT、电容C2和CD4011中的D2组成。

图3－7声控部分电路图

此部分电路图如图3－7所示：

话筒将声音信号转化为负极性的电信号，但接收到的微弱信号经C2滤波，通过由三极管VT组成的放大器把微弱的信号进行放大，其集电极输出正极性的电信号送到CD4011的2脚。

并通过R4给基极提供导通电压。

3.2.5延时电路

延时电子开关电路是用电路中送进来的信号去控制电路，使电路达到延时的效果。

声光双控电路是声、光控开关的组合。

它是利用驻极体话筒是否采集到声音信号，光敏电阻感应光线的明暗来改变信号的高低电平，以达到控制电路输出高低电平的目的，再利用稳压管高电平导通的原理来控制灯泡的亮灭。

如图3－8所示延时电子开关电路由二极管VD5、电容C4、电阻R8、晶闸管VT和集成芯片CD4011组成。

此部分电路图如图3－8所示：

延时电路的设计主要由C4和R8组成。

当夜晚有响声（如脚步声、说话声等），驻极话筒会接收到信号并通过三极管VT对其进行放大之后送到CD4011的2脚，同时光敏电阻这时也呈高阻态并送入CD4011的1脚，经与非关系后3脚输出低电平，（集成芯片引脚的连接方式如图3－8所示）芯片4

图3－8延时部分电路图

脚输出高电平使二极管VD5导通对C4充电。

最终芯片11脚输出高电平去控制晶闸管导通点亮灯泡L。

在此期间同时通过VD5对C4快速充电，充电电流大，充电时间很短，快速将C4上电压充满，C4上所得的电压经R8对晶闸管VT的T、K级慢慢放电，此时就算没有响声灯泡仍然点亮，直到C4上的电放完，可控硅截止灯泡熄灭等待下一次触发。

延时时间为τ＝RC

3.2.6显示电路

设计电路在显示部分串联了92枚LED灯珠，LED灯与白炽灯管，或者低压荧光灯管相比，LED灯低损耗、低能耗，可以做为绿色环保产品。

LED的稳定性和长寿命更是明显的优势。

本电路选用了型号为ET-5050W-AB1W的LED灯珠，所需电压为3.4V，额定电流为150mA，每颗灯珠亮度为35lm。

显示部分电路如图3－9所示：

图3－9显示部分电路图

3.3主要元器件介绍

本设计方案是由LED利用门电路来完成声光控的调节，在光敏，声敏电路中选择了光敏传感器光敏二极管和声音传感器驻极体话筒，采用了LM317供电方案，使用了数字集成电路CD4011芯片。

3.3.1光敏电阻

图3－10光敏电阻实物图

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。

光敏电阻器，它是一种利用半导体的光电效应而制成的一种自身电阻值可以随着光线强弱而改变的电阻器；

光敏电阻器一般用于光线的测量、光线强弱的控制和光电信号转换，即将光信号的变化转换为电信号的变化。

人们生活当中比较常用的光敏电阻器是硫化镉光敏电阻器。

光敏电阻器的阻值随入射光线的强弱变化而变化，在没有光线照射的情况下，光敏电阻器的阻值（暗阻）可达1～10M欧,在光线充足的情况下，光敏电阻器的阻值（亮阻）仅为几百至数千欧姆。

光敏电阻器的光谱特性与人体肉眼对可见光的响应很接近，只要人体肉眼可感受到的光，都会引起光敏电阻器的阻值变化。

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。

光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。

光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

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，那么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—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。

在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，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，也加交流电压。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

3.3.2驻极体话筒

话筒又称传声器，一种电声器材，属传声器，是声电转换的换能器，通过声波作用到电声元件上产生电压，再转为电能驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。

属于最常用的电容话筒。

由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作

图3－11驻极体话筒结构图1

电压电荷的公式是Q＝C×

V，反之V＝Q/C也是成立的。

驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。

最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。

由于场效应管时有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。

高分子极化膜在生产时就注入了一定的永久电荷（Q），由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。

驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。

　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，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

图3－12驻极体话筒结构图2

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。

即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。

驻极体话筒与电路的接法有两种：

源极输出与漏极输出。

源极输出类似晶体三极管的射极输出。

需用三根引出线。

漏极D接电源正极。

源极S与地之间接一电阻Rs来提供源极电压，信号由源极经电容C输出。

编织线接地起屏蔽作用。

源极输出的输出阻抗小于2k，电路比较稳定，动态范围大。

但输出信号比漏极输出小。

漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。

只需两根引出线。

漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出。

源极S与编织线一起接地。

漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。

Rs和RD的大小要根据电源电压大小来决定。

一般可在2.2～5.1k间选用。

例如电源电压为6V时，Rs为4.7k，RD为2.2k。

在输出电路中，若电源为正极接地时，只须将D、S对换一下，仍可成为源、漏极输出。

一声控电路前置放大级中驻极体话筒的源极输出和漏极输出的两种不同的接法，最后要说明一点，不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为它内部装有场效应管。

关于驻极体电容式话筒的检测方法是：

首先检查引脚有无断线情况，然后检测驻极体电容式话筒。

驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。

驻极体话筒的内部结构如图所示。

由声电转换系统和场效应管两部分组成。

它的电路的接法有两种：

源极输出和漏极输出。

源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一电容作信号输出；

漏极输出有两根引出线，漏极D经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极S直接接地。

所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。

在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。

将万用表拨至R×

1kΩ档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。

再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。

3.3.3LM317稳压器

图3－13LM317稳压器示例图

LM317作为输出电压可变的集成三端稳压块，是一种使用方便、应用广泛的集成稳压块。

317系列稳压块的型号很多：

例如LM317HVH、W317L等。

电子爱好者经常用317稳压块制作输出电压可变的稳压电源。

稳压电源的输出电压可用下式计算，Vo＝1.25（1＋R2/R1）。

仅仅从公式本身看，R1、R2的电阻值可以随意设定。

然而作为稳压电源的输出电压计算公式，R1和R2的阻值是不能随意设定的。

首先317稳压块的输出电压变化范围是Vo＝1.25V—37V（高输出电压的317稳压块如LM317HVA、LM317HVK等，其输出电压变化范围是Vo＝1.25V—45V），所以R2/R1的比值范围只能是0—28.6。

其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流，有的资料称为最小输出电流，也有的资料称为最小泄放电流。

最小稳定工作电流的值一般为1.5mA。

由于317稳压块的生产厂家不同、型号不同，其最小稳定工作电流也不相同，但一般不大于5mA。

当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时，317稳压块就不能正常工作。

当317稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时，317稳压块就可以输出稳定的直流电压。

3.3.4CD4011芯片的结构与原理

CD4011BC是一个集四个2输入与非门电路为一体的芯片，其外部结构如图3－14所示。

图3－14CD4011芯片封装图

CD4001BC和CD4011BC四门是整体的补充MOS（CMOS）集成电路以N-和P-channel增强模式晶体管。

他们有同样的源与汇电流能力和符合标准系列输出驱动。

这个装置也有缓冲输出大大提高传递特性提供非常高的增益。

所有的输入是防静电放电和二极管对VDD和说明。

这个系列的逻辑门用磷和氮频道增强模式在一个单一的整体结构的装置。

使用他们主要是为了节省功率耗散和有较高的抗噪能力。

CD4011芯片内部结构如图3－15所示。

CD4011的功能：

四个2为输入与非门CMOS芯片。

电源电压范围：

3V～15V

功耗：

700mW（普通封装）；

500mW（小外形封装）

工作温度范围：

CD4011BM-55℃～+125℃、CD4011BC-40℃～+85℃

图3－15CD4011芯片内部结构图

3.4电路所需元器件清单

元件名称

序号