声光双控延时节电开关资料.docx

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声光双控延时节电开关资料

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目录……………………………………………………………………2

摘要……………………………………………………………………3

前言……………………………………………………………………4

1.1、设计任务………………………………………………………5

六、焊接调试电路…………………………………………………17

九、参考文献………………………………………………………21

声光双控延时节电开关系统设计

摘要：

声光双控延时节电开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，而且降低能耗、节约能源、注重环保是当今世界的主潮流，适合于各种楼房走廊的照明设备。

本次设计的是一个灵敏度很高的声控开关，用普通的行人脚步声就能将电路触发。

本电路仅用一只CMOS门电路HEF4069与压电陶瓷声传感器配合就能将双向可控硅触发，使其导通，将电灯打开。

它不需发送关闭信号，由电路自身的延时电路将灯关闭。

当灯被打开后，延时电路延时约25s后将灯自动关闭。

该电路还具有自动光控作用，在白天由光敏二极管控制着电路，即使受到声信号的触发，开关也不会被打开。

这种声控开关适合于作安装在楼道等公共场所的照明灯的声控开关。

关键词:

声光双控延时节电开关

ABSTRACT:

Acousto-opticpairsofenergy-savingswitchcontroldelayappliesnotonlytoresidentialareas,thecorridor,butalsoappliestofactories,officebuildings,teachingbuildingsandotherpublicplaces,ithasasmallsize,beautifulshape,makingeasy,reliable,etc.,butalsoreducestoconsumption,energyconservation,payattentiontoenvironmentalprotectionisthemaintrendintoday'sworld,suitableforallkindsofbuildings,corridorlighting.Thedesignisahighsensitivityofthevoice-activatedswitch,withtheordinarypedestrianfootstepswillbeabletotriggerthecircuit.ThiscircuitonlyoneCMOSgateHEF4069andpiezoelectricceramicacousticsensorswithbi-directionalSCRcanbetriggeredtoconduction,thelightsturn.Itdidnothavetosendoffthesignalfromthecircuit'sowndelaycircuitwillbelightsoff.Whenthelampisopened,thedelaycircuitdelayofabout25safterlightsshutdownautomatically.Thecircuitalsohasanautomaticlightcontrolroleinthedaybythelight-sensitivediodecontrolcircuit,eveniftriggeredbytheacousticsignal,theswitchwillnotbeopened.Thisvoice-activatedswitchsuitableforinstallationinthecorridorlightinginpublicplacessuchasvoice-activatedlightswitch.

KEYWORDS:

Acousto-opticpairsofenergy-savingswitchcontroldelay

前言：

近年来，城市居民住宅越来越趋向高层化。

高层建筑的一个不可忽略的问题是楼道等公用部分的照明问题。

楼道照明灯如果不能做到随手关灯，将是一个极大的能源消耗。

以一栋六单元十二层楼房为例：

每层安装一只15瓦的灯泡，就是72个灯泡，每小时耗电1.08度。

如果这些灯彻夜通明，一晚耗电10多度，一年就是4000多度。

一般住户在开灯后往往忘了或不愿意再费事专门去关灯。

感应式楼道照明开关是解决这个问题的一种简单方法。

它可以在开灯后一定时间内自动熄灭。

在白天，即使有人走过，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。

声光双控延时节电开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，而且降低能耗、节约能源、注重环保是当今世界的主潮流，适合于各种楼房走廊的照明设备。

由于近年来我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品的主要输出国之一。

照明器材行业属一般性竞争行业，是我国轻工业对外开放较早的行业之一。

WTO后，国际上一些知名品牌大企业相继进入国内产销领域，使得国内竞争国际化。

努力增加节能光源和不同档次、花样、不同用途的照明器具的开发，加快绿色、节能光源产品的开发推广和应用是我国目前照明器材行业结构调整的重点。

我国照明器材行业将面临着前所未有的机遇和挑战，而由此带来的巨大商业利益也成为一些企业瞩目的焦点。

生产需求：

随着全球经济一体化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般照明电器产品生产大量向发展中国家转移，而中国又是一个比较适合的国家，一是中国具备生产这些产品的条件，二是劳动力成本比较低，从而使中国逐步成为照明电器产品出口大国。

展望未来的国内市场，需求仍会呈逐年增长趋势，以下强力因素都预示着我国照明市场仍有很大的潜力可挖。

基础设施建设方面：

机场、铁路、港口、城市轨道交通等讯速发展，每一项工程均需要照明。

城市亮化工程方面：

城市广场、绿地、道路、建筑物泛光照明，已从大城市发展到中小城市。

因此我设计一个声光双控延时节电开关来解决此浪费问题。

夜晚，行人经过楼道口出入时，照明灯自动点亮25s后熄灭；白天，照明灯自动停止工作。

正文：

一、设计任务及主要指标和要求

1.1、设计任务

在实习的两周内保质保量完成设计声光双控延时节电开关电路，并且购买相关元器件焊接出实物，并进行调试。

1.2、主要技术指标

延迟时间τ=25s；

控制方式光敏二极管、压电陶瓷传感器、双向可控硅等控制照明灯点亮和熄灭；

1.3、设计要求

（1）、设计思路清晰，给出整体设计框图；

（2）、设计各单元电路，给出具体设计思路、电路器件；

（3）、总电路设计；

（4）、安装调试电路；

（5）、写出设计报告；

1.4、设计条件

（1）、Protel，NIMultisim软件辅助设计电路原理图及仿真。

（2）、图书馆借阅相关电子设计与制作的参考书籍。

（3）、充分利用电子阅览室数字图书馆有效资源，查阅相关设计期刊。

（4）、请教辅导老师和同学有疑惑的地方，以方便快速。

二、设计总体思路，基本原理和框图

2.1、设计思路

此课程设计灵感来源于寝室楼道、走廊上的不眠灯。

当时就想能否设计一个像家里楼道那样的节电照明灯，从而相应党“十七大”提出的科学发展，建和谐环保社会。

（1）、照明灯是夜晚才能点亮，如果白天点亮就起不到节能作用了，这就要安装一个光敏二极管来控制电路开启和关闭，光敏二极管RD感应光线明暗来判断白天黑夜。

在夜晚时，有行人通过时照明灯点亮，这就需要一个压电陶瓷传感器，从而控制双向可控硅VS的导通与断开。

白天，光敏二极管RD电阻极小，双向可控硅VS不能被触发；夜晚，光敏二极管RD电阻极大，双向可控硅VS可以被触发。

（2）、电路中，反相器F1作为电压放大器，R2是它的偏置电阻。

由压电陶瓷声传感器HTD接收到脚步声信号并将其转换为电脉冲后，经F1放大、F2整形后由⑩脚输出。

光敏二极管RD和F3、F4组成光控电路。

夜间，由于光敏二极管的内阻很大，它和R3的并联值仍然很大，电容C3作为耦合电容，将F5输出的信号脉冲耦合至F3、F4，经过VD5的整流向C3充电。

当C3充电至F5的转换电平后，F5输出低电平，再经F6反相变为高电平，并通过R5将双向可控硅VS触发，接通了电灯的电源通路。

该通路为：

电源火线→VD2→VS→VD4→灯泡→电源零线。

（3）、在白天，由于光敏二极管RD内阻变小（约为10kΩ），它和R3的并联值也变小，这时C2和R3∥RD形成了微分电路，而不是原来的耦合电路。

由F2输出的脉冲信号，通过微分电路形成的尖脉冲远不足以使F3及其后续电路改变状态，因而可控硅不可能被触发，电灯不会亮。

（4）、C3、R4与F5组成延时控制电路。

当控制信号由F4输出后，通过VD5整流，将脉冲信号变为直流后向C3充电，并在充电电压达到一定值后使F5发生转换。

当控制信号消失后，电容C3通过R4放电，放电时间常数为R4•C3，约为25秒。

当C3放电至使F5的输人端电压低于转换电平后，F5输出高电平，F6输出低电平，双向可控硅VS关断，电灯因失去电源而熄灭。

2.2、设计原理

该开关体积小，可直接安装于原电灯开关处，两根引线与原开关的接线相连。

平时，电源经VD1～VD4整流、R1和C1滤波、稳压管DW稳压后，向电路提供工作电源。

电源回路由负极经VD4及灯泡灯丝形成回路。

由于电路处于静态，基本上不消耗电流，因此既不会使灯泡发光，也不会消耗电能。

这时，在F5的输人端，由于有下拉电阻R4的作用，它的输出端⑥脚为高电平，F6的输出端⑧脚为低电平，双向可控硅VS因无触发信号而不导通，灯不会亮。

2.3、工作流程框图

光敏二极管

RD

双向可控硅VS可触发

不能被触发

夜晚夜晚

白天

双向可控硅VS

不能被触发

无行人

声传感器HTD无脉冲

发出脉冲

C2和R3∥RD形成了微分电路

有行人

声传感器HTD接收到脚步声信号

尖端脉冲

过小

可控硅不能被触发

声传感器HTD

发出脉冲

F3及其后续电路不改变状态

三极管

V6不导通

F1放大、

F2整形

光敏二极管RD、R3、C3耦合

VS触发

照明灯

ZD不亮

F5输出的信号脉冲耦合至F3、F4

VD5的整流

电容

C3放电

无行人

电容C3充电

F5输出低电平

F5输出

高电平

F6输出高电平平

F6输出

低电平

双向可控硅导通

照明灯ZD点亮

双向可控硅

关断

照明灯

ZD熄灭

三、单元电路设计

3.1、方案论证：

方案一：

在NIMultisim软件中设计和仿真声光双控延时节能开关电路。

设计的声光双控延时节能开关电路可以由光敏二极管判断白天黑夜，同时根据压电陶瓷传感器对照明灯点亮及延时，从而实现仿真电路。

方案二：

采用protel软件绘制光敏二极管、双向可控硅、压电陶瓷传感器组成的电路原理图，并制作PCB板。

可行性分析：

上面两种方案中，方案一是在NIMultisim软件中生成的，此种方案较为简单易行，思路较清晰，分多个模块，但不能制作出PCB板，不利于实际电路的焊接，另由于宿舍电脑内没有安装NIMultisim软件，故不采用此方案。

方案二要人为绘制电路原理图，但电容、电阻、二极管和三极管等原件较常见，总电路图相对简单。

综上确定方案二为本次课程设计的最终方案。

3.2、单元电路设计

声光控开关必须同时具备两个条件，声光才起作用。

从声光控开关的结构上分析，开关面板表面装有光敏二级管，内部装有压电陶瓷传感器。

而光敏二极管的敏感效应，只有在黑暗时才起到作用（可用液晶万用表测得数值）。

也就是说当天色变暗到一定程度，光敏二级管感应后会在电子线路板上产生一个脉冲电流，使光敏二级管一路电路处在关闭状态，这时在楼梯口等处只要有响声出现，压电陶瓷传感器就会同样产生分压，这时声光控制开关电路就连通起作用。

因为必须要二个条件同时存在，声光控开关才起作用，故叫与门电路。

3.2.1、声控电路

压电陶瓷传感器HTD和F1、F2、R2组成声控电路。

在下图的电路中，反相器F1作为电压放大器，R2是它的偏置电阻。

由声传感器HTD接收到脚步声信号并将其转换为电脉冲后，经F1放大、F2整形后由⑩脚输出。

3.2.2、光控电路

光敏二极管RD和F3、F4组成光控电路。

夜间，由于光敏二极管的内阻很大，它和R3的并联值仍然很大，电容C3作为耦合电容，将F5输出的信号脉冲耦合至F3、F4，经过VD5的整流向C3充电。

当C3充电至F5的转换电平后，F5输出低电平，再经F6反相变为高电平，并通过R5将双向可控硅VS触发，接通了电灯的电源通路。

该通路为：

电源火线→VD2→VS→VD4→灯泡→电源零线。

在白天，由于光敏二极管RD内阻变小（约为10kΩ），它和R3的并联值也变小，这时C2和R3∥RD形成了微分电路，而不是原来的耦合电路。

由F2输出的脉冲信号，通过微分电路形成的尖脉冲远不足以使F3及其后续电路改变状态，因而可控硅不可能被触发，电灯不会亮。

3.2.2芯片选择

数字集成电路合法4069为双列14脚封装，由六个COS/MOS反相器电路组成，有直插式和表面安装两种封装外形，其工作电源电压范围是3.0V至15V。

HEF4069引脚图和内部电路图如下所示：

推荐工作条件：

电源电压范围……………3V～15V

输入电压范围……………0V～VDD

极限值：

电源电压…………………－0.5V～18V

输入电压…………………－0.5V~VDD+0.5V

输入电流………………….±10mA

储存温度…………………－65℃～150℃

引出端符号：

I1～I6数据输入端

VDD正电源

VSS地

O1～O6数据输入端

逻辑表达式：

Y＝—A

3.3、重要元器件简介

3.3.1、压电陶瓷声传感器HTD

（1）、工作原理　　

传感器应用的是压电原理，某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。

当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。

当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。

相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。

依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。

本次设计所选用的压电陶瓷传感器是功能陶瓷中应用极广的一种。

日常生活中很多人使用的“电子打火机”和煤气灶上的电子点火器，就是压电陶瓷的一种应用。

点火器就是利用压电陶瓷的压电特性，向其上施加力，使之产生十几kV的高电压，从而产生火花放电，达到点火的目的。

压电陶瓷实际上是一种经过极化处理的、具有压电效应的铁电陶瓷。

它是在1946年当有人证实了钛酸钡陶瓷有铁电性之后开始问世的：

差不多十年之后，贾菲（Jaffe）等又发现了PbTi03-PbZrO2系（即所谓PZT系）及后来又发现的mPZT为基的三元系压电陶瓷和铌酸盐系压电陶瓷。

使压电陶瓷的性能和可应用性有了极大的提高。

特别是三元系压电陶瓷的出现，使压电陶瓷在选择一定耦合系数、温度特性方面有了较大的余地，能满足多种电子仪器的要求，从而使压电陶瓷的应用范围大大增加了。

例如陶瓷滤波器和陶瓷鉴频器，电声换能器，水声换能器，声表的波器件，电光器件，红外探测器件和压电陀螺等，都是压电陶瓷在现代电子技术中的应用。

3.3.2、双向可控硅97A6

本次课程设计选用的是AC97A6=400V/0.8A，双向可控硅的外形和三极管一样，不要误以为可控硅也是和三极管一样，是类似于基极电流控制三极管分压限流的原理。

可控硅和三极管的共同点在于：

都是电流控制器件，都可以起到开关作用；不同点在于：

三极管需要电流持续控制，可精确控制，可控硅导通后可以撤消控制电流，控制电流失去控制作用，负载电流取决于负载大小，可控硅在无控制电流和负载电流情况下会自动关断。

因此，可控硅控制电流又称触发电流。

由于可控硅是工作在开关状态，可控硅本身消耗的功率很小，从而效率很高，元件包中配用的97A6可控硅，外形和9014的三极管一样大，但是可以控制100W的灯泡（理论值220V时可以控制220W），如果换成用三极管串联分压限制电流的原理来控制调光的话，那得需要一个几十W的大功率三极管才行，光散热片的成本就很高了。

（因电路中未使用专用可控硅触发二极管，调光中途会出一些变化是正常现象）。

其结构图和电气符号如下：

双向可控硅97A6的引脚图如下：

3.3.3、光敏二极管

光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是相似的。

下图是光敏二极管的结构图。

在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过透镜正好照射在管芯上。

发光二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。

发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N型单晶硅上形成的一层薄膜。

光敏二极管的管芯以及管芯上的PN结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。

另外，与普通半导体二极管一样，在硅片上生长了一层SiO2保护层，它把PN结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。

光敏二极管与普通光敏二极管一样，它的PN结具有单向导电性，因此，光敏二极管工作时应加上反向电压，如图所示。

当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1*10-8--1X10-9A（称为暗电流），此时相当于光敏二极管截止;当有光照射时，PN结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对O这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。

光电流通过负载RL时，在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。

光敏二极管就是这样完成电功能转换的。

四、总体电路

本电路包括压电陶瓷声传感器、电压放大器、可控硅触发及延时电路、光控电路和电源电路，现在将声控电路、光控电路、光敏二极管、双向可控硅及其他辅助器件连接起来，这样一个完整的声光双控延迟节电开关照明电路就完成了。

总体电路图见下图：

总体电路原理图

NIMultisim软件辅助设计电路仿真图

protel软件电路原理图封装PCB板

（因作者电脑为Windows7系统，

元器件在导入PCB时，出现了元件丢失，无法自动布线等情况，上图为作者手动布线和元件导入）

protel软件电路3D图

五、参数计算

5.1、220V电源经VD1～VD4整流、R1和C1滤波、稳压管DW稳压后，向电路提供工作电源。

电源回路由负极经VD4及灯泡灯丝形成回路。

由于电路处于静态，基本上不消耗电流，因此既不会使灯泡发光，也不会消耗电能。

此电压除供给双向可控硅V6电源。

所以此时HEF4069输入电压为Vu1=6V

5.2、RC电路的放电过程

电容C3已充有电压U0，闭合开关S，电容器立即对电阻R4进行放电，放电开始时的电流为

，放电电流的实际方向与充电时相反，放电时的电流i与电容电压uc随时间均按指数规律衰减为零，电流与电压的数学表达式为uc=U0（1-e

）

I=

e

式中U0为电容器的初始电压。

放电时i和uc的变化曲线如图-10所示。

RC电路的时间常数

图-10RC放电时电流和电压的变化曲线

RC电路的时间常数用τ表示，τ=RC，τ的大小决定了电路充放电时间的快慢。

对充电而言，时间常数τ是电容电压uc从零增长到63.2%US所需的时间；对放电而言，τ是电容电压uc从U0下降到36.8%U0所需的时间。

将R5调至250kΩ左右，而C4为100uF，则有τ=R5*C4

∴τ=R5*C4=250k*100uF=25s所以延迟时间为25秒

红外探测可用对给定目标的最小探测距离（即作用距离）来表示它的灵敏度。

∴l=5~8米所以灵敏度为5~8米

六、焊接调试电路

6.1、元器件的辨认测量

1、利用色环来读电阻，然后用万用表来验证读数和实际情况是否一致，再将电阻别在纸上，标上数据，以提高下一步的焊接速度。

2、测量二极管及怎样辨认二极管的“+”，“—”极，长脚为“+”。

短脚为“-”。

3、电容的辨认及读数，“┥┣+”表示电解电容，电解电容的长脚为“+”，短脚为“-”。

4、电路板正负极的判断，从最开始的电源正负极的负极开始以此判断，发现在电路板正方式，左边的是负极，右边的是正极。

6.2、焊接前的准备

焊接最需要注意的是焊接的温度和时间，焊接时要使电烙铁的温度高于焊锡，但是不能太高，以烙铁接头的松香刚刚冒烟为好，焊接的时间不能太短，因为那样焊点的温度太低，焊点融化不充分，焊点粗糙容易造成虚焊，而焊接时间长，焊锡容易流淌，使元件过热，容易损坏，还容易将印刷电路板烫坏，或者造成焊接短路现象。

所以事先在实验品上先学一下焊接技术，当自己熟练掌握焊接后再开始焊接。

6.3、焊接过程

①焊接电阻，我们要按R1——R5的顺序焊接，以免漏掉电阻，焊接完电阻之后我们需要用万用表检验一下各电阻是否还和以前的值是一样（检验是否有虚焊）。

②焊接电容数焊电解电容了，特别要注意长脚是“+”极，短脚是“—”极。

③焊接二极管，注意长脚是“+”极，短脚是“—”极，以及与电路板上的正负极相对应。

④焊接双向可控硅，认清引脚并与电路板上的相对应，由于双向可控硅三极管的间隔比较近，要十分注意防止短路。

⑤焊接电源接线并组装前后盖。

6.4、注意事项

A、作者本次电路制作购买的是散件，在焊接过程中作者采用了一边组装一边测量的方法（也可以全部组装后再一次性测量），这样有利于发现错误的所在。

B、由于本电路使用220V交流，因此在组装时必须注意安全。

为安全起见在调试时作者采用6V直流电源代替，电灯改用发光二极管和电阻串联的方法代替。

待全部调试完毕，再用220V供电。

C、取消发光二极管和电阻串联，接上220V电灯。

重新检测有无其他异常情况。

确认安全后接上220V市电试试。

6.5、故障寻、检常用方法如下：

直观检查法电阻法电压法电流法

通过眼、耳、鼻、手来查找故障部位。

即是看元器件有无断线、互碰、烧焦、脱焊等现象；听声音有无异常；闻有无焦味；摸器件是否过热等。

用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值，粗查是否有短路、断路或元器件错焊等情况。

用万用表测量电路中各点对地的电阻以及元器件的阻值，以此来判断故障部位测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。

测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。

调试前，先将焊好的电路板对照印刷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