声控LED节能照明灯设计.doc

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山西职业技术学院毕业论文

目录

摘要 1

关键词 1

一、绪言 2

（一）课题背景 2

（二）课题研究的目的和意义 2

二、LED灯的优点 2

（一）发光效率高 2

（二）使用寿命长 2

（三）安全可靠性强 3

三、LED灯的发光原理 3

四、LED的主要参数 3

（一）主要参数 3

（二）LED电学特性 3

1.正向死区 3

2.正向工作区 3

3.反向死区 4

4.反向击穿区 4

（三）最大允许功耗PFm 4

五、方案选择 4

（一）LED利用门电路来完成声光控的调节 4

（二）采用LM317供电 5

（三）使用了数字集成电路cd4011 5

六、总体方案 5

（一）课题分析 6

（二）设计方案 6

（三）电路的工作原理 6

1.滤波稳压电路 6

2.声光控电路 7

3.延时电路 7

4.显示电路 7

七、总结 7

参考文献 8

摘要

灯是指引心灵的方向标。

在生活中，我们无时不在地使用着灯，诸如台灯、路灯、日光灯、探照灯、彩灯等等，但不管是什么样式的灯，它们的作用都是一致的——照明。

因此，设计一个既实用又方便的照明灯则是我们人类共同的愿望。

而生活中我们用的最为平常的灯则是楼道里的照明灯，住过居民楼的人都应该知道，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意义的一件事。

该设计主要介绍的是关于声光控的电路设计。

声光控是通过光敏电阻来实现的，当光敏电阻在背光的的时候灯就会慢慢的熄灭，即这时也是人走过了的时候。

在有的电路中这种原理也可以通过声音的振动来实现，当人走过是只需用手轻排一下灯就会自动的亮，人离开后又熄灭。

这样就给路人提供了相应的方便，同时，也达到了节电和节能的目的；延长灯的寿命。

在实际生活中节电节能，能够实现更多的自动化。

在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。

另外，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。

同时，为了加强我们对模拟电子技术，数字电子技术，电子工艺的理解和巩固，我花了一个月的时间进行毕业设计，而我设计的课题是声光控制照明灯的设计，我设计了一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便、使用寿命长的声光双控白炽灯节能照明灯。

在本设计中介绍了多种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好。

白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。

夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过数十秒后又自动熄灭，节能节电。

关键词：

与非门放大，光敏二极管，可控开关，延迟电路

一、绪言

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，它不需要开关，当有人经过时会自动的亮；广泛应用于走廊、楼道招待所等公共场所，给人们的生活、带来极大的方便。

因此，得到了广泛的应用。

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（如击掌声）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着广泛的用途。

由于，本电路广泛应用于人们的日常生活中，所以，有很大的重用作用。

该电路在设计时应用了仿真软件，来进行仿真然后才确定下来的，虽然用的仅仅是EWB软件，但是在论文中也是比较有特色。

能够使人们在不知不觉中感受方便。

（一）课题背景

随着千年钟声的敲响,历史的车轮被推进了一个新的世纪──21世纪。

站在新世纪的门槛上，我们感受到的是高速发展的现代科技。

也因如此，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，也充斥丰富了我们的精神世界。

是的，也许你不禁要问：

“为什么一个小小的照明灯有如此神奇的功效”。

我想这要归功它的结构及发明原理啊！

这当中到底包含了多少值得我们去探索，发现的奥秘呢？

带着这个问题，我们共同选择了这个课题，一起从课题研究中找到答案！

（二）课题研究的目的和意义

研究目的：

通过这次的课题研究我们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，这对提高我们的动手能力，创新意识，及锻炼思维活动无疑是一个莫大的帮助。

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

从小的突破点入手，掌握又一项科技知识，从而实现课堂外的又一次提高,为现代教育科学尽一份力量！

研究意义：

用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，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音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。

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，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，适合于各种楼房走廊的照明设备。

降低能耗、节约能源、注重环保是当今世界的主潮流，高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不受欢迎。

继公布“欧盟后年封杀白炽灯”的时间表后，世界各地陆续抛弃白炽灯已成定局，环保型节能荧光灯是白炽灯的替代者。

节能荧光灯VS白炽灯，胜券在握已无悬念，但楼道照明却限制了荧光灯的使用，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荧光灯的使用寿命，所以声光控白炽灯在楼道照明领域得到广泛应用。

二、LED灯的优点

（一）发光效率高

LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。

白炽灯、卤钨灯光效为12-24lm/W，荧光灯50-70lm/W，钠灯90-140lm/W，大部分的耗电变成热量损耗。

LED光效经改良后将达到100-200lm/W，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。

目前，世界各国都加紧了提高LED光效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大提高。

（二）使用寿命长

LED采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等缺点。

而采用LED灯体积小、重量轻，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。

单个LED发光二极管，当亮度减半时，理论寿命可达到10万小时。

LED灯具使用寿命可达7-10年，可以大大降低灯具的维护费用，避免经常换灯之苦。

而且，LED照明器材的整体封装材料

（如灯带塑料和灯壳）在日晒雨淋下容易损坏，也直接影响LED照明器材的整体寿命。

（三）安全可靠性强

LED发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全接触；能精确控制光型及发光角度，光色柔和，无眩光；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质；内置微处理器可以控制发光强度，调整发光方式，实现光与艺术的结合。

LED尺寸小、重量轻、不易破碎、防震以及24V的工作电压等特点，所以在各种环境下都显得十分安全可靠。

三、LED灯的发光原理

发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由三部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子，中间通常是1至7个周期的量子阱。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

四、LED的主要参数

LED是利用化合物材料制成pn结的光电器件。

它具备pn结结型器件的电学特性：

I-V特性、C-V特性和光学特性：

光谱响应特性、发光光强指向特性、时间特性以及热学特性。

（一）主要参数

普通单色发光二极管的发光颜色与发光的波长有关，而发光的波长又取决于制造发光二极管所用的半导体材料。

红色发光二极管的波长一般为670~700nm，琥珀色发光二极管的波长一般为630~670nm，橙色发光二极管的波长一般为610~630nm左右，黄色发光二极管的波长一般为777nm左右，绿色发光二极管的波长一般为777~770nm。

（二）LED电学特性

I-V特性表征LED芯片pn结制备性能主要参数。

LED的I-V特性具有非线性、整流性质：

单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。

I-V特性曲线

1.正向死区

（图oa或oa′段）a点对于V0为开启电压，当V＜Va，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，此时R很大；开启电压对于不同LED其值不同，GaAs为1V，红色GaAsP为1.2V，GaP为1.7V，GaN为2.7V。

2.正向工作区

电流IF与外加电压呈指数关系

IF=IS（eqVF/KT–1）-------------------------IS为反向饱和电流。

V＞0时，V＞VF的正向工作区IF随VF指数上升IF=ISeqVF/KT

3.反向死区

V＜0时pn结加反偏压

V=-VR时，反向漏电流IR（V=-7V）时，GaP为0V，GaN为10uA。

4.反向击穿区

V＜-VR，VR称为反向击穿电压；VR电压对应IR为反向漏电流。

当反向偏压一直增加使V＜-VR时，则出现IR突然增加而出现击穿现象。

由于所用化合物材料种类不同，各种LED的反向击穿电压VR也不同。

（三）最大允许功耗PFm

当流过LED的电流为IF、管压降为UF则功率消耗为P=UF×IF

LED工作时，外加偏压、偏流一定促使载流子复合发出光，还有一部分变为热，使结温升高。

若结温为Tj、外部环境温度为Ta，则当Tj＞Ta时，内部热量借助管座向外传热，散逸热量（功率），可表示为P=KT（Tj–Ta）。

五、方案选择

从实验的主要内容与要求中可以看出该电路可以有以下几个方案：

（一）LED利用门电路来完成声光控的调节

电路图如下：

（图一）

LM317做LED的恒流源。

本系统中4.7uF/400V的电解电容滤波后得到7V电压提供给4011，白天有光时，光电二极管D7选用2CU2A，暗电流小于等于0.2uA，光电流大于30uA，灵敏度大于等于0.7uA/Uw，呈低阻状态，IC1A中的1，2脚为低电位，3脚为高电位，白天不论有无声音，也不论IC1B中的4脚电位如何，IC1D中的13脚始终钳位于高电位，12脚也为高电位，因此11脚则为低电位，可控硅截止，LED灯不亮。

D7夜晚无光照时，呈高阻状态，IC1A中的3脚为低电位，IC1D中的11脚为高，触发可控硅SCR导通，LED被点亮。

同时10uF电容充电，充电之初IC1C中7，9脚为高电位，使12脚为低电位。

声音一分钟之后IC1D中的13脚恢复高电位，但由于12脚为低电位，所以11脚继续保持高电位，灯继续被点亮。

10uF电容继续充电，一分钟之后，IC1C中的7，9脚为低电位，11脚也翻转为低电位，可控硅截止，灯灭。

（二）采用LM317供电

LED要恒流供电，不然容易老化损坏。

可以用LM317，原理是利用317的启探控电压不变，再除电阻，就是恒流值。

电路如下图。

灯可以根据需求接多少个。

改变R1可改变电流，电流=1.27/R1。

（三）使用了数字集成电路cd4011

其内部含有4个独立的与非门IC1A~~IC1D，使电路结构简单，工作可靠性高。

电路图如下：

图三

在这几个方案中，由于