最新声光控制楼道照明灯的设计与制作设计29929972Word文档格式.docx
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2.1设计内容3
2.2方案设计3
2.2.1方案一3
2.2.2方案二3
2.2.3方案三5
2.3方案论证5
3硬件电路设计6
3.1系统电路的设计6
3.1.1三极管放大电路6
3.1.2带阻滤波电路7
3.1.3单电源放大电路7
3.1.4检波和电压比较电路8
3.1.5光控电路9
3.1.6延时电路9
3.1.7电源电路10
3.2主要元器件介绍11
3.2.1驻极体话筒11
3.2.2光敏电阻11
3.2.3NE555定时器12
3.2.4运放LM32414
3.2.5三端稳压器管14
3.3电路图的确定15
3.4PCB板制作流程16
4硬件电路安装与调试17
4.1元器件安装焊接及注意事项17
4.2电路的调试17
4.2.1硬件静态的调试17
4.2.2联机仿真调试17
4.3遇到的问题18
5结论19
本次设计的原理清晰，设计性能指标的灵敏度基本达到设计的要求。
在整个设计过程中，本着节约的精神，我用的都是简单廉价的元器件，降低了系统成本。
本次的声光控制灯设计加强了我思考、动手和解决问题的能力。
从学习的理论知识和实践操作上我不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是我通过自己的独立动手学会了分析、设计电路。
我还学到了很多以前专业课上没学过的东西，或者说是弥补了以前专业课所学过而遗忘了的知识，锻炼了我主动学习的能力。
在此设计中利用到了放大、光敏、延时的知识，让我进一步巩固和掌握所学的基础知识，加深了我对模拟、数字电路的理解。
设计一开始不知如何下手，经过查阅资料还有老师的帮助完成了实践要求。
我自知这次的设计有很多的不足，很多东西平时学得也不透彻，我希望能从中收获良多的知识，把知识真正变成自己的东西。
在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，心里想这样的接法可以行得通，可是实际接上电路总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去太多，在这次设计中我了解了很多元件的功能，平时课本上看不懂的东西通过实践做设计那些问题都迎刃而解了而且记得更牢，认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，是检验真理的唯一标准。
在中国这个高速发展的国家，只有不断更新自己，不断的吸取知识的精华，才能在这现实而又充满排挤的社会上生存下来！
在这次的设计中，我发觉自己还很弱，还得不断的充电，以使自己的能力再有所提高。
19
致谢20
经过长途跋涉，为的是各自的成长与收获，同时为了到达终点的甘甜和芳香。
在这充满阳光味道的季节里，我的心情却充满着失落。
经过这段时间的学习，我真正领略到艰苦奋斗这一词的真正含义，我才意识到老一辈电子设计为我们社会的付出。
设计确实很辛苦，但苦中有乐，随着论文的终结，意味着我生命中最纯美的学生时代即将结束。
纵然有百般不舍，但这一天终究会到来。
我所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。
很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。
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从开学初的资料查找，论题选择，到中间的思忖和写作，再到最后的修改与润色，这篇拙文也成形，只怪自己知识积淀得还不够深厚，但还是有很多人需要感谢，我真的心存感激。
感谢我的论文指导老师韩老师还有其他任课老师的谆谆教诲，感谢在忙碌的教学工作和生活中抽出时间来给我解答各种问题，悉心指导，提出许多宝贵意见，希望你们能够身体健康，工作顺利。
因为你们课堂上的指导和课外的交流，我才可以学习到很多知识和做人的道理，为论文的写作做准备，为今后的人生做准备。
这次毕业设计的开设必将成为我人生旅途上一个非常完美的回忆，给我以后的工作做了一个很好的基础和开端。
参考文献21
附录A:
电路原理图22
附录B：
PCB图23
附录C：
元器件清单24
附录D：
实物图25
1绪论
随着科技的发展，电子产品越来越多的走近了人们的生活，科技的力量对科学技术的发展起了不可估量的作用，从爱迪生发明了电灯让人们迎来了电的时代到现在TTL电路，COMS等新技术的应用为人们带来了便捷，声光双控照明灯不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公室、教学楼等公共场所，它具有体积小，外形美观，灵敏低耗、性能稳定、节能等优点，符合当今世界节能环保的主题。
通过模拟电子技术的学习，我提出了一种基于晶体三极管工作状态的系统设计方法，结合光敏电阻随着外部环境的阻值改变的特性，给出光控灯的设计方案，在此基础上结合数字电子技术的优点，引入驻极体话筒将声控功能加在其中，同时实现声控和光控，主要思路是通过把声音和光照物理信号通过驻极体传声器和光敏电阻，将其转换为电信号，并利用三极管的放大、开关特性，完成其对电路的控制。
定时是运用了NE555电路为核心的单稳态触发器，它有很好的定时作用。
根据技术要求选择相应元器件，依次绘制电原理图和印刷线路图，然后做出相应的电路板，安装元器件进行调试直到成功。
1.1设计背景、目的和意义
1.1.1设计背景
随着现代科技的高速发展，照明灯的需求也在不断地发展，人类有意识地采用各种方法改进它。
照明，不仅改变了人们“日出而作，日落而息”的生活方式，也丰富了我们的精神世界。
生活中我们用的最为平常的灯则是楼道里的照明灯，住过居民楼的人都知道，楼道很窄，晚上行走很不方便，如果让楼道的照明灯一直亮着，则难免会浪费国家资源，因此设计一种既不浪费国家电力又很方便实用的照明灯系统是很有实用价值的。
声光照明灯的使用极大的节约了资源。
我带着这个问题，选择了这个课题！
1.1.2设计的目的和意义
设计目的：
通过这次的课题研究我可以从理清它的发展脉络上进一步了解它的工作原理，将平时所学习的知识运用到实验探索上，这对提高我的动手能力创新意识及锻炼思维活动是一个莫大的帮助。
同时这次的设计能让我进一步地了解照明灯，而不是仅局限于课本知识以内。
从小的突破点入手，掌握又一项实用技能，从而实现课堂外的又一次提高！
设计意义：
随着电子技术的发展，用声光控延时开关代替住宅小区的楼道开关。
天黑以后，当有人走过楼梯发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮提供照明，当人们走过楼道，灯延时几秒自动熄灭。
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适用于住宅区的楼道，也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，因为楼道照明是非持续性的，有人经过才需要光亮，而不断的开关通断会影响灯的使用寿命，所以声光控照明灯在楼道照明领域得到广泛应用。
1.2国内外发展现状
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。
加入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，而努力增加节能光源和不同花样、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，而由此带来的巨大挑战与商业利益也成为一些企业瞩目的焦点。
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，而中国也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，基础设施建设、城市亮化工程建设都需要照明，这将预示着我国照明市场仍有很大的潜力可挖。
随着人们生活水平逐步提高，对生存环境质量的要求也越来越高，对照明电器产品也提出更高的要求。
提高照明产品的质量和档次，既是当前摆在我们面前的课题，也是全行业共同努力的长期目标，只有保证产品的质量才能不断地进步，才能使我国成为照明行业中的生产强国，才能为照明电器行业的健康发展做出更大的贡献。
2系统方案设计及论证
2.1设计内容
本课题研究设计一个声光控节能灯，当无人通过或在白天光线很好时有人通过或者是光线暗但是没人通过时，节能灯均不会开启照明，而当在夜晚或光线较暗时，遇到声响（例如脚步声，说话声等），节能灯可自动开启照明，并且延时一段时间后自动熄灭。
适用于楼道、走廊、洗涮间、厕所等公共场合，能节电并延长灯泡使用寿命，给人们的生活带来了很多的方便。
本次设计的是声光控制楼道照明灯，设计内容包括光控电路、声控电路、放大处理电路、延时电路等。
在夜间有声音时，灯点亮，无声后，延时2秒自动熄灭，如果持续有声音，灯一直亮；
在白天不论有无声音灯均不亮，从而达到节能目的。
完成控制电路的设计，根据技术要求选择相应元器件，依次绘制电原理图和印刷线路图，然后做出相应的电路板，安装元器件，布局美观，焊接良好，然后进行调试，直到成功。
2.2方案设计
2.2.1方案一
系统总框图如图2.1所示。
本方案以AT89S52单片机为核心设计的一种声光控智能开关控制系统，系统整体硬件电路包括：
电源电路、声控电路、光控电路、主控电路及灯控电路。
由系统方框图可以看出，声控、光控电路将外界声光信号送到控制器进行处理，然后将处理后的输出相应信号送到灯电路来控制灯泡的亮灭。
图2.1方案一系统总框图
2.2.2方案二
系统总框图如图2.2所示。
图2.2方案二系统总框图
本方案主要使用数字集成电路CD4011，内部含有4个独立的与非门D1～D4，当声音信号由驻极体话筒接收经C1耦合到VT的基极进行电压放大后送到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。
由光敏电阻RG等元件组成光控电路，R5和RG组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，RG两端的电压高，改变R8或C3的值可改变延时时间。
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；
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，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，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。
电路原理图如图2.3所示。
图2.3方案二原理图
2.2.3方案三
系统总框图如图2.4所示。
本方案主要由以NE555为核心设计的电路。
整个系统主要由声控电路、光控电路、放大电路、延时电路四部分组成。
其中，声控电路与光控电路分别由LM324内部两个放大器组成。
声控部分其实是一个负反馈放大器，主要是将驻极体话筒接收到的信号进行放大，输出到电压比较电路中，通过电压的变化来决定LM324输出的是高还是低电平，最终决定是否能驱动NE555工作。
光控部分是一个由光敏电阻与另外几个电阻组成的电压比较器，由于NE555中④脚的特性（低电平有效，输出为低电平）。
当有光时，光敏电阻器阻值很小，电流经反向端输出低电平，有无声音信号经过时，LED灯都不亮，且NE555复位；
当无光或光线暗时，光敏电阻阻值很大，电流经同向端输出高电平，当有声音信号经过时，LED灯亮，NE555输出高电平。
由驻极体话筒接收到的声音信号经反向放大电路送到NE555的⑥、⑦脚来对LED灯亮的时间进行延时。
图2.4方案三系统总框图
2.3方案论证
经三种方案的比较，方案一设计到的核心元件是AT89S52单片机，单片机功耗低，编程麻烦，软件调试复杂；
方案二电路中使用CD4011来实现声光转换相对复杂，使用电源信号来实现声电转换，传达声音效果不明显。
而方案三相对于前两种方案对比，使用的元器件价格便宜，电路结构简单，制作成本低，使用驻极体话筒实现声电转换，传达声音信号的灵敏度高、效益好。
综上考虑，我决定使用方案三作为本次设计的总体方案。
3硬件电路设计
3.1系统电路的设计
本设计电路图见附录A所示，主要采用由LM324、NE555、LM7809、驻极体话筒、光敏电阻、二极管4007、4148、NPN三极管和若干个电阻与电容组成的电路。
接通+12V电压后，经过LM7809将电压稳定在9V左右输出，电源指示灯L2亮起。
由驻极体话筒P接收到外部声音后先经过一个主要由NPN三极管和几个电阻组成的放大电路放大后，通过带阻滤波电路过滤掉50HZ以下频率的信号，然后通过LM324组成的单电源放大电路放大约15倍左右后，通过两个二极管4007对声音信号检波，通过一个电压比较电路，LM324的⑨脚流入的是一个基准电压，当流经⑩脚的电压大于门限电压后，⑧脚输出高电平，流入NE555的②脚。
NE555的②脚是一个低电平触发脚，此时如果是夜晚光线较暗时，光敏电阻Rg组成的光控电路输出高电平触发NE555工作，LED亮起，NE555的⑥、⑦脚控制延长时间2秒后，LED灯自动熄灭，如果是白天光线较强时，由于Rg阻值较小，输出低电平触发NE555的④脚复位，NE555不工作LED不亮。
3.1.1三极管放大电路
三极管放大电路如图3.1所示。
本级电路采用的是由驻极体话筒接收到的信号首先进入此由一个NPN三极管和几个电阻电容构成的三极管共射极放大电路，该电路是由直流电源UCC通过R2、R3、R4、R5使三极管获得合适的偏置，为三极管的放大作用提供必要的条件，R2、R3称为基极偏置电阻，R5为发射极电阻，R4为集电极负载电阻，利用R4的降压作用，将三极管集电极电流的变化转换成集电极电压的变化，从而实现信号的电压放大。
电源电压UCC进入电路后经过电解电容E1简单的滤波处理后分压加到晶体管基极，通过三极管进行一定倍数的电压放大。
图3.1三极管放大电路
3.1.2带阻滤波电路
带阻滤波电路如图3.2所示。
主要由运放Lm324和几个电阻电容组成，因为声音信号是连续振荡的不确定信号，为了便于处理，要将信号波形整形，经测试，该电路的设计可以有效的将50HZ以下频率的信号波形进行带阻滤波，从而得到较为稳定的信号输送到下一级电路中。
电容的作用通常是阻止直流信号通过，而允许交流信号通过，或者是减小低频信号的通过能力，增加高频信号的通过能力。
在这里通过电容与电阻的串并联可以有效的阻止一些低频信号的通过，对信号进行了很有效的处理，得到比较稳定的信号。
再输送到下一级。
图3.2带阻滤波电路
3.1.3单电源放大电路
单电源放大电路如图3.3所示。
输入电压通过电阻R11作用于集成运放的反相输入端，反馈电阻跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间，引入的是电压并联负反馈。
同向输入端通过R12和R13串联接地，其为补偿电阻，以保证集成运放的对称性。
上一级接收到的信号进入此电路后进行单电源放大，主要由LM324起作用，反馈电阻是变阻器Rp1和R14串联连接到LM324的反向输入端⑥脚中，⑤脚连接了电阻R12和R13，该电路主要是一个负反馈放大电路，扩展通频带、减小失真，使输出的信号更加稳定。
并且对信号进行了第二级放大，放大倍数约为15倍（见式3.1所示）。
A=（R14+Rp1）／R11=（14K+5K）／1K=15（式3.1）
图3.3单电源放大电路
3.1.4检波和电压比较电路
检波和电压比较电路如图3.4所示。
本设计使用的比较器是运放LM324。
该集成件的具体介绍见下章3.2.4。
检波二极管的作用是利用其单向导电性将高频或中频无线电信号中的低频信号或音频信号取出来，广泛应用于半导体收音机、收录机、电视机及通信等设备的小信号电路中，其工作频率较高，但是处理信号幅度较弱。
图3.4检波和电压比较电路
此电路中主要由上一级接收的信号通过两个4007二极管对信号进行检波，然后进入一个由运放LM324比较器和电阻R17、RP2构成的电压比较触发电路，LM324的⑨脚是一个基准电压，该电压作为一个门限电压，平时此处的电压约为½
UCC，⑩脚处的电压平时没有声音信号时是一个低电平，比⑨脚（基准电压）小的多，反向电压大于同向电压，⑧脚输出低电平，一旦前级电路采集的声控信号输出电压升高，⑩脚处的电压大于⑨脚的门限电压，LM324比较器的正向电压大于反向电压，⑧脚输出高电平，信号进入下一级电路，声控启动。
3.1.5光控电路
光控电路如图3.5所示。
R18、R19、Rp3、光敏电阻Rg和运放LM324比较器构成比较触发电路，平常（13）脚处的电压为½
UCC，白天光照较好的时候，电阻Rg的阻值很小，所以（12）脚处的电压很低，低于基准电压（比较器的（13）脚），比较器输出低电平，因为NE555芯片的④脚其实是一个使能端，低电平进入④脚后会复位，NE555芯片不工作，光控电路输出的信号被封锁，此时无论有无声音都不会导通LED灯不会亮。
当夜晚光线比较弱的时候，光敏电阻Rg的阻值升高，（12）脚的电压升高（U=IR），高于基准电压，由于正向电压大于反向电压，比较器输出高电平，送到NE555的④脚驱动NE555芯片开始工作，如果此时②脚同时接收到小于⅓UCC的电压时，NE555的③脚输出高电平，LED灯点亮。
图3.5光控电路
3.1.6延时电路
延时电路如图3.6所示。
由NE555设计的可重复触发的单稳态电路，电路初始处于输出低电平LED熄灭状态，在晚上无光前提下，②脚接收到低电平脉冲后，NE555输出状态立即发生改变，变成高电平，LED灯点亮，电路进入暂稳态状态，延时一段时间后，由于电解电容E5的充电，电压上升到⅔UCC的时候，输出再次转为低电平，LED灯熄灭，电路进入稳态状态，当②脚再次接收到低电平脉冲后，电路触发，E5放电，电路又进入暂稳态状态，灯持续亮一段时间后自动熄灭，此处主要设计通过电阻和电容对NE555的⑥、⑦脚并联起来来实现对灯点亮时间长短进行控制，控制时间公式为Tw=1.1RC=1.1×
（10K+5K）×
100uF=1.65≈2，延长时间大约为2秒左右后，灯自动熄灭。
图3.6延时电路
3.1.7电源电路
电源电路如图3.7所示。
在稳压器的两端都接有二极管、电容和电解电容。
电容用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰。
电解电容用以减少稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。
这里的4007二极管是一个保护二极管，当输入端短路时，给电解电容一个放电回路，防止电解电容两端电压作用于调整管7809的be结击穿而损坏。
接通电源后（输入电压差不多+12V左右）后，经过二极管4007整流，然后经过电解电容E6和瓷片电容C5对信号进行简单的滤波处理，得到较为稳定的电压，再通过一个LM7809将电压稳定在9V左右输出，电源电路中接的发光二极管L2作为电源的检测灯，接通电源后，该指示灯就会亮起。
与L2串联的R22电阻是一个限流电阻，可以有效保护发光二极管，防止电流过大时二极管击穿。
图3.7电源电路
3.2主要元器件介绍
3.2.1驻极体话筒
驻极体话筒外观如图3.8所示。
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电压，其工作电压通常在1.5～12V。
图3.8驻极体话筒
工作原理是高分子极化膜上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。
根据电荷的公式Q=C•U，驻极体总的电荷量不变，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。
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。
由于场效应管是有源器件，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。
3.2.2光敏电阻
光敏电阻结构如图3.9所示。
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。
一般用于光的测量、光的控制和光电转换。
其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。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
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。
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，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，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。
图3.9光敏电阻
3.2.3NE555定时器
NE555定时器外形如图3.10所示。
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；
而555是一个用途很广且相当普遍的计时芯片，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。
NE555的主要特点：
只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久；
操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配；
其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载；
它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。
NE555的基本参数：
供应电压4.5-18V，供应电流3-6mA，输出电流225mA（max），上升/下降时间100ns。
图3.10NE555定时器
NE555引脚位的介绍：
Pin1（接地）-地线（或共同接地），通常被连接到电路共同接地。
Pin2（触发点）-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC，下缘须低于1/3VCC。
Pin3（输出）-当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4（重置）-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5（控制）-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限
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