基于声控的楼道延迟开关设计Word文件下载.docx
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在白天或光线较强的场合即使有较大的振动声响也能控制灯泡不亮;
晚上或光线较暗时遇到声响、振动后灯自动点亮,经过约一分钟，可用于楼梯、厕所等公共场所照明灯的自动管理。
该设计中光敏电阻,声控传感器和触摸传感器三种传感器形成了声控、光控和触摸三种控制的电路板。
利用布局和布线规则完成了电路板的制作。
实现了电子开关的三种控制，实验结果实现了灯的控制。
关键词：
传感器；
声控；
光控；
触摸；
开关
Designofthecorridorsoundcontrolbuttondelaytocontrol
Student:
Supervisor:
ElectricalandInformationEngineeringDepartment
Abstract:
Soundandlighttouchcontrollightingswitches,automaticcontrolcanbeswitchedduringtheday,nightlighting,andeliminatepeopleoflights.Buthereissound,lightenergy-savingdelayautomaticcontrolswitches,integratedsound,lightanddelaycontrol,thestability,powerandextendlamplife.Inthedaytimeorlighteveniftherearemoreoccasionslargervibrationnoisecanalsocontrollightbulbdoesnotshine;
eveningorlowlightencounteredsound,vibrationlitafterthelightsautomaticallyafteraboutoneminute（timecanbeset）canbeusedtoautomaticallystairs,toiletsandotherpublicfacilitieslightingautomaticmanagement.Inthispaperasimpletouchofacousto-opticlightingcontrolswitchproduction.Photosensitiveresistors,sensorsandtouchsensorsvoicethreesensorformedavoice,opticalandtouch-controlofthethreecircuitboards.Uselayoutandroutingrulesofthecircuitboardproduction.Implementationoftheelectronicswitchcontrolofthethreeexperimentalresultsachievedlampcontrol.
KeyWords：
sensor;
voice;
opticalcontrol;
touch;
switch
1绪论
1.1设计的背景和研究意义
公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关,由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象,故使灯泡寿命短,浪费电量,为国家、单位、个人造成经济损失。
另外，由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关的损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。
因此，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。
使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。
以往的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠，如今单片机技术已经相当成熟，运用单片机可以设计出智能型的声控开关，电路设计好后，运用软件编程来实现其功能，灵活方便，修改简单。
目前许多声控开关的平均使用寿命不长，主要是因为电路作频繁的开关，启动电流非常大，导致功率元件可控硅由于过载而损坏。
本文中采用开关电压过零保护技术，可消除白炽灯开启瞬间的大电流冲击，有效地防止可控硅元件启动时的电流过载，大大地延长了开关的使用寿命，并且可以起到保护灯泡的作用。
1.2声控开关的发展情况
科技的进步使电灯的样式、种类以及控制方式千变万化，随着社会的发展，资源的大量开采，能源在逐渐的减少，所以我们要建立起节约能源的意识，电能的节约尤为重要，而电灯的使用最为普遍，所以设计一种自动控制灯开关的电路是非常必要的，声控开关就是其中一种。
声控电路已成为人们日常生活中不可缺少的必需品，不需要开关。
当有人经过时会自动变亮，广泛应用于走廊楼道招待所等公共场所，给人们的生活带来了极大方便，因此得到了广泛应用。
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各种电器的工作，在自动控制工业电器和家用电器方面有广泛的用途。
公共场所和居民区的公共楼道普通使用机械手动开关，由于各种原因往往出现许多灯泡长明的现象致使灯泡寿命短，浪费电量，给国家、单位、个人造成经济损失。
另外，由于频繁开关或人为因素，墙壁开关的损坏率很高,既增大了维修量，浪费了资金，又容易造成事故隐患。
因此，设计研究一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要、使公共场所和居民区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。
声控灯在光线充足时，任你发出多大的声音都不亮；
但在黑夜，轻轻一声就发出亮光，这是由于声控灯含光控电路，以防止其在光线足够的时候不工作，所以声控的控制盒是声、光同时控制的，在光亮度能达到的情况下，灯不会亮。
声控的楼道延迟开关是一种在受到光或声音的感应，而使照明灯做出熄或开选择的一种现代型自动化开关。
现在已广泛应用与工厂，居民楼，办公楼等各个场所。
而在前几年各工厂居民楼所用的仍是手动可触点开关，这种开关不光使用不便，还容易损坏，而且使用不当还会造成大量的经济浪费。
随着科学技术日益迅速的发展和现代工业技术的需要，自动控制系统已经深入到生活的各个方面，传感器技术也不断地改进和提高。
声控的楼道延迟开关系统具有技术效果好，经济效益高，维修方便等许多优点，具有广阔的发展前景。
1.3论文的主要内容
本课题研究的是基于声控的楼道延迟开关设计，该设计是利用单片机AT89C51芯片为核心，和声音传感器的原理组合而成。
该设计主要用于对声音和光强的感应而起到不浪费资源和方便安全的作用。
该设计广泛应用于居民楼和工作车间。
2声控开关的功能和设计
设计声光控开关，最起码要考虑三方面的问题，其一是灯泡的开关控制，这是由220V市电供电。
其二是光控制，使其在有光时，即使有声音也不能亮。
其三就是声音控制，在晚上或光线不足时，只要有人经过，发出声音，灯泡就会点亮。
2.1电路基本原理图
电路框图如图1所示:
图1电路原理框图
声光控延时开关实现在白天呈关闭状态，只有在晚上且存在声响情况下（如人的脚步声等）才开启，开启后延时一段时间后又能自动关闭。
这种开关广泛应用于楼梯、走廊、公厕等公共场合作照明灯自动控制开关。
声光控延时开关电路方框组成如图1所示，包括声音检测、亮度检测、判别电路、延时电路和开关电路等几个主要部分。
声音检测通常由驻极体话筒或高灵敏度的压电陶瓷片完成。
亮度检测由光敏电阻器完成。
判别电路综合检测信号，符合预定条件（晚上且存在声响情况）输出控制信号开启开关。
延时电路在开关开启后延时预定时间，输出控制信号关闭开关。
开关常用可控硅或继电器。
2.2系统组成与设计
该方案采用了单片机控制电路工作,CPU以AT89C51单片机为核心，该单片机能方便地用于不需外扩程序存储器的应用场合，达到简化电路、缩小体积、减小功耗和降低成本的目的。
所设计的电路分为五个模块：
电源模块，信号收集模块，信号处理模块，延时模块和被控制模块。
（模块图如1-2）电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动三极管，芯片AT89C51和小灯。
信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。
声音信号收集模块将声音信号转变为音频电信号从而能够输入电路，起到控制开关的作用。
光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起控制芯片的输入。
信号处理模块即是芯片AT89C51对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用于延时模块。
延时模块是在信号处理模块的作用下工作，起到延时的作用。
被控制模块在信号处理模块及延时模块的共同作用下工作，达到设计的目的。
根据题目要求和制作成本,从中挑出简单易行的电路，分析其控制原理。
分别对声感、光感和延时电路做接线实验，调试成功后两两进行整合。
由于各电路的工作电压及某些其他因素影响，所以电路的整合难度稍大。
最终搭试出一个新的电路，如方案一所示,此电路设计符合实验的要求。
再对新电路进行测试，不断修改，成功后焊接到电路板上。
3声控开关电路的工作原理
3.1声控原理
声控原理如图2所示：
图2声控原理图
为了得到5V和12V的直流电源，将220V频率为50
的单项正弦波交流电输入变压器，其原边与副边的比为
，经过变压器得到
=12.5V
（1）
得到
=15
交流电
通入单项桥式整流电路经过全波整流得到平均值为
=0.9
的直流电压，其脉冲系数很大。
单相桥式电路中的整流桥的二极管选用IN4007。
然后将
的直流电压通入滤波进行滤波，可以得到平均值为
=1.2
=18V的直流电压。
滤波电路中的电容为
，与
并联的负载为
，
的取值满足
=（3~5）
（2）
理想情况下可将交流分量全部滤掉，使输出电压仅为直流电压，然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后必会影响其滤波效果，要得到稳定的直流电源需将滤波后的电压输入稳压电路。
稳压电路中的稳压管Dz1选用稳压值为12V的稳压二极管，其型号为2CW19;
Dz2选用稳压值为5V的稳压器二极管，其型号为2CW12。
经过查阅电子元器件的手册，Dz2的最小工作电流为
=10mA最打工作电流为
=45mA内阻为
≦50Ω。
R2和Dz2对Dz1的电压
进行分压，Dz2上电压为
，则
上的电压为
（3）
（4）
（5）
则得到
的阻值范围为
（6）
所以155.6Ω≦
≦700Ω，所以去
=500Ω
查阅手册得到稳压管
的最小工作电流为
=5mA，最大工作电流为
=17mA，内阻为
≦35Ω.所以
（7）
图3电源控制原理图
由于该电路所要求的电压值可以在一定的范围内波动，可以将220V交流电源通过整流桥后用两个阻值较大的电阻R1、R2进行分压，并用电容C在电阻R2上并联，对R2的电压进行滤波，最后在电容C形成上正下负的直流电压。
R1、R2的取值应该较大，使得电路上的电流较小，其中R2上的电压值要考虑与R2并联的负载大小，在此次电路设计中，后面连接的被控制电路、芯片、声控、光控电路上的电阻连接起来大约为20K，所以取R2为20K，R1为150K。
3.2触摸控制原理
触摸控制原理在搞懂单稳态电路原理的基础上，很好的利用单稳态电路的性质尝试了触摸控制的实现，经试验得到了两个点可以通过触摸来控制的即R6电阻两端（VT3的集电极和VT4的基极），取的是VT4基极，这样有利于我焊接分布元件。
如图（5），当人体触摸A点时，人体感应电压使得VT4的基极电压降低，VT4导通。
继电器吸合，LED发光。
其熄灭原理与声控电路相同。
3.3光控原理光信号收集电路的设计
对于光信号的设计，我们要求在白天与晚上R5与RG间的电压输出有很大的反差，在白天要求输出低电平，而在晚上要求输出高电平，所以必须要用光敏电阻RG。
将光敏电阻RG与R5串联起来，所构成的电路图如下：
图4光控原理图
3.3.1光信号电路的工作原理
光敏电阻的实物图如图5所示：
图5实物光敏电阻
在白天光较强时，光敏电阻RG的阻值较低（约为1.2kΩ），在R5与光敏电阻的两端加有12V的电压，在白天我们要求此端输出低电平，则不管声控部分输出的是高电平或低电平，芯片TC4081BP最终都输出低电平，则使得控制电路的三极管不导通，继电器上无电流，由继电器的工作原理可知灯泡不亮。
所以R5的阻值要远大于1.2kΩ，近似使得R5短路。
常见光敏电阻的主要参数如表1所示：
表1光敏电阻
型号
最大电压
（VDC）
最大功耗（mw）
环境温度
光谱峰值
（nm）
亮电阻
（KΩ）
暗电阻
（MΩ）
MJ20516
250
500
-30~+70
560
5
1
在晚上光线较暗时，光敏电阻RG的阻值变大（最大约为50MΩ），R5、RG串联对12V电压分压，在晚上我们要求此端输出高电平，若此时有声音即声控部分输出高电平，则芯片TC4081BP最终输出高电平，使得控制电路的三极管导通，继电器上有电流，由继电器的工作原理可知灯泡亮。
若无声音，则声控部分输出低电平芯片TC4081BP最终输出高电平，灯泡不亮。
所以R5的阻值要远小于50MΩ，这样晚上可认为电压全分与R5，RG短路。
即控制灯泡在晚上无声时不亮。
3.3.2光信号电路相关参数的分析
通过对光电路的工作原理分析我们要求R5阻值要远大于1.2kΩ，同时又要远小于50MΩ。
再由串联分压公式可知
（R5+RG）*I=Vcc（8）
所以
R5=Vcc/I—RG
由于在白天RG约为1.2kΩ，晚上RG约为50MΩ，Vcc=12V
我们综合各种因素最终选择R5为1MΩ。
光敏二极管性质：
当有光照时（达到一定强度）相当于断路，当无光照时，相当于导线。
如图（6）当有光照D2时，三极管VT6的基极与R10的交叉点断路，VT6截止，从而VT5也截止。
当无光照时，VT6导通，其集电极电压接入VT5基极使其导通，VT5发射极的电压触发继电器吸合。
LED电路通路。
（之所以这样设计，是为了直接实现光控功能。
也可以将光控作为电路的总开关。
）
4基于声控的楼道延时开关设计
4.1电路的工作原理
声光控延时开关的电路原理图见图3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vd1～vd4，使电路结构简单，工作可靠性高。
顾名思义，声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启"
，若干分钟后延时开关“自动关闭"
。
因此，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。
明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元，由此可画出图6所示的方框图。
图6声光控延时开关
结合图6来分析图3。
声音信号（脚步声、掌声等）由驻极体话筒bm接收并转换成电信号，经c1耦合到vt的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门（vd1）的2脚，r4、r7是vt偏置电阻，c2是电源滤波电容。
为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，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，即为高电平间t=2πr8c3，改变r8或c3的值，可改变延时时间，满足不同目的。
vd3和vd4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vd3、vd4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vd3、vd4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。
常用灯光源技术性能如表2所示：
表2常用灯光源技术性能
种类
光效/LMW-1
色温/K
平均寿命/h
供电
白炽灯
15
2800
1000
交流
卤钨灯
25
3000
2000-5000
交流/直流
荧光灯
70
全系列
10000
高压钠灯
100-120
1950/2200/2500
24000
LED
6400（超高亮、白光）
100000
直流
4.2器件的选择及检测方法
ic选用cmos数字集成电路cd4011，其里面含有四个独立的与非门电路。
内部结构见图5，vss是电源的负极，vdd是电源的正极。
可控硅t选用1a／400v的进口单向可控硅100-6型，如负载电流大可选用3a、6a、10a等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图六示，它的测量方法是：
用r×
1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极（如印制板图所示），这时表针无读数，然后用黑表笔触一下控制极k，这时表针有读数，黑表笔马上离开控制极k这时表针仍有读数（注意触控制极时正负表笔是始终连接说明该可控硅是完好的。
驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：
100档将红表笔接外壳的s、黑表笔接d，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高；
光敏电阻选用的是625a型，有光照射时电阻为20k以下，无光时电阻值大于100mq，说明该元件是完好的。
二极管采用普通的整流二极管1n4001～1n4007。
总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。
在测试时先把指针表满偏同时将指针表打到1K档，其次：
用表笔对电容进行放电，在用表进行测试，用红笔接负极，黑笔接正极；
最后：
看指针的偏转，且还要指针还原，如能还原就表明电容正常，不能回到原位则表明电容漏电。
测试漏电电容方法：
用万用表的电阻挡（R*100和R*1K），将表笔接触电容器两引线。
刚接触时，由于电容充电电流大，表头指针偏转角度大，随着充电电流减小，指针逐渐向R=无穷方向返回，
最后稳定处即漏电电阻值。
一般电容器的漏电电阻为几百至几千兆欧，漏电电阻相对小的电容质量不好。
测量时，若表头指针指到或接近欧姆零点，表示电容器内部短路。
若指针不动，始终指在R=无穷处，则意味着电容器内部短路或已失效。
对于电容量在0.1μF以下的小电容，由于漏电电阻接近无穷，难以分辨，故不能此法侧漏电阻或判定好坏。
电解电容器的极性检测：
电解电容的正负极性不允许接错，当极性接反时，可能因电解液的反向极化，引起电解电容器的爆裂。
当极性标记无法辨认时，可根据正向连接时漏电电阻大、反向连接时漏电电阻相对小的特点判断极性。
交换表笔前后两次测量漏电电阻，阻值大的一次，黑表笔接触的是正极，因为黑表笔与万用表内电池正极相接（采用数字万用表时，红表笔接电池正极）。
但用这种办法有时并不能明显地区分正、负向电阻，所以使用电解电容时，要注意保护极性标记。
二极管测试：
二极管主要分为三种：
整流二极管、稳压二极管、发光二极管；
此外，还有开关二极管。
先打磨引脚，再用指针表测试，因二极管具有单相导电性，所以，在测试时，红笔接负极，黑笔接正极，若是导通，且红笔接正极，黑笔接负极，为截止，则表明二极管是正常的，若不是则表明二极管是坏的。
注：
发光二极管用10K，其它用1K档；
发光二极管的光线是非常微弱的，因此，在观察是要仔细。
半导体二极管的极性判别一般情况下，二极管有色点的一端为正极，如2AP1-2AP7，2AP11-2AP17等。
如果是透明玻璃壳二极管，可直接看出极性，即内部连触丝的一头是正极，连半导体片的一头是负极。
塑封二极管有圆环标志的是负极，如1N4000系别。
三极管测试：
和所有元件一样三极管也要打磨引脚，然后在进行测试。
用手拿住元件，用指针表来回测量六次，判断出基极、是PNP型还是NPN型。
若：
红笔不动——PNP型；
黑笔不动——NPN型。
如果是NPN型：
用手捏住三支引脚，用表笔测试两边引脚，并交换表笔；
若指针偏转较大，黑表笔接的是集电极，另一方则是发射集。
如果是PNP型：
步骤与NPN型一样，但当指针偏转较大是，黑笔接的是发射极，另一方则是集电极。
三极管除了判断其管型和极点外，还要判断出它所处的状态，是截止、饱和、还是放大。
光敏电阻：
先用手拿住两只引脚，使其对着光，然后，用数字表测出值；
再用握住使其背光，测出其值。
可控硅的原理：
可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。
可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。
它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。
（如下图所示）。
图7晶闸管控制图
晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。
从晶闸管的内部分析工作过程：
晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结图一，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管如图7。
当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。
图7中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。
因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。
设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；
发射极电流相应为Ia和Ik；
电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,
晶闸
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