声光控楼道延时灯控制电路的设计与制作解析Word文档格式.docx

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郑重声明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：

日期：

摘要

本设计主要通过音频放大电路、电平比较电路、延时开启电路、触发控制电路、恒压源电源电路和晶闸管主回路组成控制电路，运用学过的模拟电路、数字电路等知识设计出实用的电路，并进行理论分析画出原理模拟图，然后利用仿真软件对电路的功能进行仿真测试，再设计出符合实际的印制电路板，最后对元器件进行选择、检测，通过焊接和技术检测制作出符合设计原理和要求的电路实物。

关键词：

声光控；

延时；

控制电路；

仿真

ABSTRACT

Thisdesignmainlythroughtheaudioamplificationcircuit,alevelcomparatorcircuit,opencircuitdelay,thetriggercontrolcircuit,theconstantvoltagepowersupplycircuit

andthemaincircuitcomposedofathyristorcontrolcircuit.Usingthelearnedknowledgeofanalogcircuitryanddigitalcircuitrydesignsofpracticalcircuitanddrawtheprincipleofthesimulationdiagrambytheoreticalanalysis.Thenusingthefunctionsofthecircuitsimulationsoftwareprocessesprsimulationtestfortheobjectoffunctionsofthecircuitt,andthendesignstheprintedcircuitboardmatchingtheactualuse.Last,afterthecomponents’sselectionandtest,thecircuitphysicalobjectswhichmeettherequirementsofthedesignprinciplewillbeproducedbythemeansofweldingandtechnicaltest.

Keywords:

Sundandlightcontrol;

Dlay;

Ntrolcircuit;

Mulation

第1章引言

1.1课题研究的相关背景

在地球资源日渐衰竭的今日，环保、节能是当今各产业发展的重心，尤其是需要消耗大量电力的照明产业，在照明灯的控制和使用的研发上，更是趋向环保、节能的特性上著眼。

因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的照明电路对居家照明节能具有十分重要的意义。

由此声光控楼道灯的诸多优点在未来有可能取代传统的照明设备。

声光控楼道延时控制灯具有耗电量小、发热量低、寿命长、抗震、抗压、体积小、环保、控制方便、反应速度快等众多优点，因此十分被灯饰业者看好。

声光控开关使灯泡大部分时间不工作，节电效率高，并且不用接触，是全自动智能控制，是公共场所照明的理想选择。

再者，随着科学技术的发展，公共场所照明控制手段也在逐步更新，除现在已有的声光控开关外，还有微波感应开关和热释远红外感应开关，目前微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关的性能较为理想，但安装复杂，比较娇气，价格也偏高，比较适合在一些管理完善的场所如宾馆、大饭店楼道及居家庭走廊应用，在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等因素，可以预计在相当长一段时期内，声光控延时开关将是首选的主流产品[1]。

因此，人们认为这是跨世纪的值得关注的电子革命大事，它既是科技专家争先抢占的高新技术领域的制高点，又是企业家获得巨大利润的战场。

声光控延时控制电路照明在各个领域的新系统设计、研究等方面显示出了强有力的推广和应用前景。

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。

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。

根据国内外市场需求预测，我国照明电器行业的高速增长期还将继续，对未来的预测如何更加科学化是我们面临的问题。

进一步提高照明产品的质量和档次进一步提高照明产品的质量和档次，这既是当前摆在我们面前的课题，同时也是全行业共同努力的长期目标。

就国内市场需求而言，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，对照明电器产品提出更高的要求。

新的建筑照明标准已完成制订工作，即将批准执行，新标准基本与国际接轨，对不同场合的照明提高了要求，也需要生产企业适应新标准的要求，为各类照明场所提供相应的产品。

从国际市场分析，虽然我们的出口逐年大幅度增长，但我国大部分产品在国际市场仍属中低档水平，去过法兰克福的人都有体会，我们的产品与国际先进水平相比还存在较大差距。

另外，如果大量劣质低价产品出口，还会遭遇反倾销诉讼，从而影响全行业出口，因此我们仍要大声疾呼，质量是企业的生命。

我国目前已成为世界照明电器产品生产大国，我们的目标是要成为照明电器产品生产强国，我们与发达国家在照明电器产品的质量、档次、生产工艺、设备、材料以及新产品开发能力等方面均存在明显差距。

看到我们取得成绩的同时，也能清醒地认识我们存在的差距，才能不断地进步。

让我们全行业共同努力，为照明电器行业的健康发展做出更大的贡献。

1.2课题研究的内容

本课题研究的是声光控楼道延时灯控制电路的设计与制作。

通过模拟电子技术的学习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，并结合数字电子技术的优点，引入拾音器将声控功能加入其中，同时实现声控和光控，包括软件设计、软件仿真，以及测试和实验结果。

声光控楼道延时灯控制电路是利用声和光控制电路的新型智能开关，它避免了繁琐的人工开灯，同时具有自动延时熄灭的功能，在白天或者夜晚光线较亮或者夜晚线较暗但无声音时，由于光敏电阻的作用，门电路被封锁，电子开关断开，声音不能触发延时电路工作，灯泡不发光。

只有在夜晚光线较暗并且声音达到一定强度的某个瞬间，门电路发生短时翻转，电子开关闭合灯亮，先对定时电容充电或放电（两种工作类型），再利用大电阻对定时电容缓慢地放电或充电，以达到延时目的。

短暂的声音信号消失后，灯继续点亮一段时间后，电子开关恢复断开状态，灯灭，如果在使时想继续延长延时时间，可以在灯泡发光时再击一下掌（发声）即可。

在本课题的研究中最主要的内容是控制电路的设计、仿真与印制电路板的制作。

首先是基于电子线路的设计与仿真，整个电路主要由声控部分、光控部分、电平比较、触发控制、恒压源电源部分和晶闸管主回路几部分组成。

为了实现声控功能，要设计话筒放大电路，话筒得到小音频信号，然后通过三极管的作用得到放大音频信号。

光控部分利用光敏电阻来实现，光线较强（白天）时，光敏电阻很小相当于被短路，灯不亮，晚上或者光线较暗时，光敏电阻的阻值很大，相当于开路，音频信号不受影响，灯受声音控制。

恒压源电源即整流稳压电路由桥式整流电路构成。

触发控制部分是由可控硅开关控制灯的亮灭。

延时电路通过对电容的充电和放电去控制可控硅开关达到延时作用。

在课题设计的过程中，主要利用电子线路仿真软件Multisim对电路进行编辑和仿真，对元器件参数的设置进行反复调试，达到预期的仿真结果并实现本设计的功能。

基于理论的设计完成关键是做出能够实现这一设计的实践操作实物，只有理论和实践相结合达到统一的制作功能才可以，因此在电子工艺的制作中，PCB印制电路板的制作是关键。

首先画出PCB印制电路图，对元件的排放位置统一规划，看起来得体排放合理，一个元件对另一个元件不会造成拥挤而导致最终功能的实现。

在制作中选择重要的元器件时对其极性和性能等作出判断和选择，各元器件的参数设置要正确严谨，并对各器件进行检测，比如电阻的阻值大小，二极管和电解电容的正负，三极管的三个极及β值大小，可控硅的优劣，麦克风的优劣等。

其次制版的工艺和方法要得当，修整板——热转印——腐蚀——清洗——涂松香水——钻孔。

最后焊接元件，用手工焊接保证焊点的质量，并对焊接故障检测做出分析。

1.3课题研究的目的和意义

通过这次的课题研究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。

同时这次的研究能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。

用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，可以达到节能的目的，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，环保型节能灯是其替代者。

第2章声光控楼道延时灯控制电路的结构和原理

2.1声光控楼道延时灯控制电路的结构和功能

2.1.1声光控楼道延时灯控制电路的结构

声光控楼道延时灯控制电路的结构框图如图2.1所示，它是由音频放大电路、电平比较电路、延时开启电路、触发控制电路、恒压源电源电路和晶闸管主回路等组成[2]。

音频

放大电路

电平

比较电路

电源电路

延时

开启电路

触发

控制电路

晶闸管

主回路

光控信号

声控信号

图2.1声光控楼道延时灯控制电路结构框图

2.1.2控制电路的功能

（1）音频放大电路：

由于音频信号较小，不能满足检波的需要，利用三极管组成放大电路实现音频的放大。

在该电路中主要是声控电路，由电容、话筒MIC三极管、电阻、灯泡L与可控硅VT2串接后与电源相连，话筒将声音信号转换成电信号，声控电路通过声音信号控制可控硅VT2的导通状态，其特征在于，所述声控电路包括电源部分，谐振放大部分及触发器，电源部分通过电容降压、整流及稳压提供声控电路所需的直流电压，谐振放大部分包括多极三极管放大，话筒接在第一级放大三极管的基极上并由电容耦合，放大后的信号影响触发器的翻转，并最终控制可控硅的控制极的电位。

（2）电平比较电路：

即光控电路由光敏电阻来实现，光照程度使光敏电阻的阻值大小改变而控制电路的开关。

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应，当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。

光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。

当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。

入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

（3）延时开启电路：

通过对电容充电控制电压，放电经过可控硅使电路继续保持畅通达到延时目的。

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关动作。

（4）触发控制电路：

由可控硅开关控制整流电路的工作与否，从而控制灯的亮灭。

当可控硅起开关作用的一端为高电平时，使可控硅导通电路接通灯发亮，当起开关作用的一端处于低电平时，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。

（5）晶闸管主回路：

晶闸管导通与截止实现灯的亮灭延时。

（6）恒压源电源电路：

由二极管、电阻和稳压管组成为电路提供电源。

滤波电路的作用是平滑整流输出的单向脉动电压，最简单的滤波电路是电容器。

稳压电路的作用是稳定电源的输出电压，常采用稳压管稳压电路。

稳压管稳压电路虽然结构简单，但稳压电路的输出电流较小，输出电压不可调，在很多场合下不适用，利用三极管输出电压可调的特点也可以实现稳压的目的[3]。

2.2控制电路的工作原理

声光控楼道延时灯控制电路如图2.2所示。

图2.2声光控楼道延时灯控制电路原理图

在图2.2所示的声光控楼道延时灯控制电路原理图中，CD4011为四个2输入与非门电路，其功能为有0出1，全1出0[4]。

交流电源12V经桥式全波整流和VD2、电容C2滤波获得直流电压1.2×

12≈14.4V,经限流电阻R1，使VS稳压管有UZ=+6.2V稳定电压供给电路（灯亮时UZ有所降低），而灯泡L串于整流电路中。

白天时，光敏电阻RG阻值较小，与非门U1A的②脚（TP4）输入为低电平0态，U1A门被封锁，即不管U1A的①脚（TP3）为何种状态，U1A总是出1，U1B出0，U1C输入端（TP5）为0，U1C出（TP6）1，U1D出0，TP7为低电平，单向晶闸管VT2不导通。

在晚上天暗时，RG阻值增大，TP4为高电平1态，U1A门打开，TP3信号可传送。

若无脚步声或掌声，驻极体话筒MC无动态信号。

偏置电阻（RP2、R4和R3）使VT1的NPN三极管导通，TP3为低电平0态，则U1A出1，其余状态与上述相同，晶闸管VT2控制极G无触发信号，故不导通，灯泡L不亮。

晚上当有脚步声或掌声时，驻极体话筒MC有动态波动信号输入到放大电路VT1的基极，由于电容C1的隔直通交作用，加在基极信号相对零电平有正、负波动信号，使集电极输出端TP3有高电平动态信号为1态，因此使U1A全1出0为负脉冲，而U1B出1为正脉冲，二极管VD1导通对C3充电达5V,TP5也为1,U1C出0，U1D出1为高电平，经R7限流,在单向晶闸管VT2控制极G有触发信号使VT2导通，桥式全波整流电路中串联的灯泡L经晶闸管VT2导通，灯泡L点亮。

由于晶闸管导通后的UAK正向压降会降至约1.8V，由此VD2用来防止UZ电压下降，避免影响控制电路电源。

在脚步声消失后，电容C3上的电压经过R6放电过程，TP5电压仍为1态，故灯泡L仍亮，直到TP5电压小于与非门阀值电压UTH=12VCC时刻，U1C出1，U1D出0，当UAK过零电压时，晶闸管VT2截止，整个过程持续约为30～60秒钟后，灯泡L熄灭[5]。

第3章声光控楼道延时灯控制电路的设计

3.1声光控部分电路的设计

1.声控电路的设计

图3.1声控电路的结构原理

驻极体话筒具有体积小，频率范围宽，高保真和成本低的特点，目前，已在通讯设备，家用电器等电子产品中广泛应用。

如图3.1所示，话筒MC（接收讲话声、脚步声等音频信号，在该电路中用开关S1代替）和C1、VTl、RP2、R4、R3是声音拾取放大电路。

为了获得较高的灵敏度，VTl的电流放大倍数大于100；

MC选用高灵敏度话筒,尺寸不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡。

话筒得到音频信号，通过C1耦合到VT1的放大电路实现音频的放大，若声音消失则电子开关VTl不导通自动关断。

晚上当有脚步声或掌声时，驻极体话筒MC（用S1模拟代替）有动态波动信号输入到放大电路VT1的基极，由于电容C1的隔直流通交流作用，加在基极信号相对零电平有正、负波动信号，使集电极输出端TP3有高电平动态信号为1态，因此使U1A全1出0为负脉冲，而U1B出1为正脉冲，二极管VD1导通,TP7为高电平，晶闸管VT2导通（如图2.2），灯亮，实现了声控功能[6]。

2.光控电路的设计

图3.2光控电路的结构原理

光控电路主要的器件是光敏电阻RG，它体积小，灵敏度高，性能稳定，价格便宜，在自动控制电路、家用电器中得到广泛应用。

光敏电阻是一种无结器件，它是利用半导体的光致导电特性制成的，在受光时产生空穴和电子（光生载流子），在复合前由一电极到达另一电极，有效的参与导电，从而使光电导体的电阻率发生变化。

光照强度越强，电阻越小[7]。

光敏电阻的基本参数为光谱特性，照度（光照）特性，伏安特性和温度特性。

根据不同的用途有不同的参数要求。

这里利用它的光照特性，光电流随着照射强度一起增大或减小。

当光照很强或很弱时，光敏电阻的光电流和光照之间会呈现非线性关系，其他照度区域近似呈线性关系[8]。

在本设计中，光控电路如图3.2，白天或光照较强时，光敏电阻RG的阻值很小，与非门U1A的②脚（TP4）输入为低电平0态，U1A门被封锁，单向晶闸管VT2不导通，灯不亮。

在晚上天暗时，RG阻值增大，TP4为高电平1态，U1A门打开，有脚步声或掌声时，驻极体话筒MC有动态波动信号，VT2控制极G有触发信号使VT2导通，灯亮。

声光控的功能实现就是光强条件下，有无声音灯都不亮，光弱条件下，无声不亮有声亮。

3.2延时开启和触发控制电路的设计

图3.3延时和触发控制电路的结构原理

1.延时电路由图3.3中的R6和C3组成，当二极管VD1导通时TP5为高电平对C3充电，U1C输入端为1，输出为0，U1D两个输入为0，输出为1，VT2导通灯泡亮。

当声音消失后，由前面讲述和分析可知，VD1截止,TP5为低电平，此时C3上的电压经过R6放电，使得TP5继续保持高电平，因此VT2保持导通，灯继续亮，达到延时。

在本设计中电阻R6的阻值比较大，由于延时时间的长短由R6和C3决定，所以改变电阻R6和C3的值的大小可以改变延时时间的长短。

R6阻值越大延时越长，相反R6越小，延时越短。

2.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，亦称为晶闸管。

具有体积小、结构相对简单、功能强等特点，是比较常用的半导体器件之一。

该器件被广泛应用于各种电子设备和电子产品中，多用来作可控整流、逆变、变频、调压、无触点开关等。

家用电器中的调光灯、调速风扇、空调机、电视机、电冰箱、洗衣机、照相机、组合音响、声光电路、定时控制器、玩具装置、无线电遥控、摄像机及工业控制等都大量使用了可控硅器件。

要使晶闸管导通，一是在它的阳极与阴极之间外加正向电压，二是在它的控制极G与阴极之间输入一个正向触发电压。

晶闸管导通后，松开按钮开关，去掉触发电压，仍然维持导通状态。

晶闸管特点“一触即发”。

但是，如果阳极或控制极外加的是反向电压，晶闸管就不能导通。

控制极的作用是通过外加正向触发脉冲使晶闸管导通，却不能使它关断。

那么，用什么方法才能使导通的晶闸管关断呢?

使导通的晶闸管关断，可以断开阳极电源或使阳极电流小于维持导通的最小值（称为维持电流）。

如果晶闸管阳极和阴极之间外加的是交流电压或脉动直流电压，那么，在电压过零时，晶闸管会自行关断[9]。

触发控制电路主要是可控硅开关控制电路的导通与截止，从而控制灯泡的亮灭。

一端接在整流电路的输出端，起开关作用的一段接在控制电路部分保证电路的畅通与否，另一端接地。

如图3.3所示，当主控制电路导通时，G端为高电平，VT2导通灯亮，当主控制电路不工作时，G端为低电平电路截止，灯不亮，从而起到可控开关的作用。

3.3恒压源电源电路和整流电路的设计

桥式整流电路的工作原理如下：

e2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl、D3导通；

对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。

电路中构成e2、D1、Rfz、D3通电回路，在Rfz上形成上正下负的半波整流电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；

对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。

电路中构成e2、D2、Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。

图3.4桥式整流电路的工作原理

如此重复下去，结果在Rfz上便得到全波整流电压。

其波形图和全波整流波形图是一样的。

图3.4中，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整流电路小一半。

桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。

半波整流利用二极管单向导通特性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失掉。

桥式整流器利用四个二极管，两两对接。

输入正弦波的正半部分是两只管导通，得到正的输出；

输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的，所以输出还是得到正弦波的正半部分。

桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波整流高一倍。

桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步骤[10]。

图3.5恒压源电源电路和整流电路的结构原理

交流电源12V经桥式全波整流VD和VD2、电容C2滤波获得直流电压1.2×

12≈14.4V,经限流电阻R1，使VS稳压管有UZ=+6.2V稳定电压供给电路（灯亮时UZ有所降低）。

第4章控制电路的编辑与仿真测试

4.1原理图的编辑和绘制

1.创建原理图文件

运行Multisim10，软件自动打开一个空白的电路窗口。

电路窗口是用户放置元器件，创建电路的工作区域，用户也可以通过工具栏中的新建按钮新建一个空包的电路窗口。

2.放置元器件

电子仿真软件Mumsim10的元件库中把元件分门别类地分成十几个类别，每个类别中又有许多种具体的元器件。

其中主要的器件如下：

（1）Source库：

包括电源、信号电压源、信号电流源、可控电压源、可控电流源、函数控制器件6个类。

（2）BASIC库：

包含基础元件，如电阻、电容、电感、二极管、三极管、开关等。

（3）Boides:

二极管库、包括普通二极管、齐纳二极管、二极管桥、变容二极管、PIN二极管、发光二极管等。