声光控制开关电路的设计毕业设计修订版.docx
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声光控制开关电路的设计毕业设计修订版
IBMTstandardizationoffice【IBMT5AB-IBMT08-IBMT2C-ZZT18】
声光控制开关电路的设计毕业设计修订版
毕业设计（论文）
题目
声光控制开关电路的设计
系（院）
物理与电子科学系
专业
电子信息科学与技术
班级
2007级3班
学生姓名
学号
指导教师
职称
讲师
二〇一一年六月十八日
独创声明
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。
尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一一年六月一十八日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一一年六月一十八日
声光控制开关电路的设计
摘要
生活用照明灯大多数都是由普通开关控制，但在现实生活中普通开关控制不仅在晚上使用不方便，而且由于没有及时关闭造成大量能源浪费，尤其是在教室等公共场所长明灯现象更为严重。
随着电子技术的快速发展,尤其是数字电子技术的发展,用数字电路技术实现灯的自动点亮、节能节电、延长灯的使用寿命已变得越来越成熟,而且也贴近我们的实际生活。
本文设计的声光控制开关电路是一种利用声音信号和光信号双重控制且具有定时功能的电子开关，它主要有电源电路、声控电路、光控电路、延时电路及开关电路等部分组成，实质上就是一个替代传统手动开关的受声、光双重控制的电子开关。
白天或光线较亮时，光控电路通过光敏电阻对外界光照强度进行检测，将外界光强信号转化为电信号，此时开关电路输入端为低电平，开关不导通，无论外界有没有声音信号灯都不亮，从而实现控制灯白天不亮的功能；晚上或光线较暗时，光控电路通过光敏电阻将光照强度信号转化为电信号，外界有声音信号时，声控电路将检测到的声音信号转化为电信号，并与光控电路转化来的电信号经与非门一起送入后续电路，此时开关电路输入端为高电平，开关导通，灯点亮，并延时一段时间后自动熄灭，从而实现控制灯晚上受声音信号控制的功能。
而且对于声音信号感应的灵敏度和对光信号感应的灵敏度能够调节，还可以人为设定延时时间。
本系统使用的是分离元器件，电路明了，结构简单，克服了现有声光控制开关成本高、体积大等缺点，同时还大大减少了维修量，不仅节约了资金，更节约了能源，是家庭及公共场所理想的照明开关，特别适用于楼梯、走廊、仓库、厕所等公共场所的照明自动控制。
关键词：
自动控制；声控电路；光控电路；放大电路；延时电路
Acousto-opticcontrolswitchcircuitdesign
Abstract
Mostfloodlightinlifearecontrolledbyordinaryswitch,butthecommonswitchisinconvenientinthedarkanditiseasytowastepowerbecauseofnotbeingshutdownintime,especiallythelampsthatwerekeptalightwidelyintheclassroomsandotherpublicplaces,whichcostslotsofpowerunnecessarily.Withthedevelopmentofelectronictechnology,especiallythedevelopmentofdigitaltechnology,adigitalcircuittechniquestorealizetheautomaticlight,energy-savingandelectricity-saving,extendthelifeoflamphavebecomemorematureandalsoclosetoouractuallife.
Thispaperisaboutakindofbothsoundandlightcontrolledswichthathastimingfunction.Itmainlyconsistofamplifyingcircuit,Soniccircuit;Opticalcircuit,delayswitchcircuitandthepowercircuitandsoon.Inessenceitisanelectronicswitchthatcontrolledbysoundandlighttoreplacethetraditionalmechanicalswitch.Intheday,thelightcontrolledcircuitthroughthephotoresistancedetectsthebrightnessoutsideandandoutputsthecorrespondingelectricalsignal.Regardlessofexternalhavevoicesignal,thelampcan’tlightupthismoment,sothelampcan’tlightupintheday;atnightoronacloudyday,thephotoresistancedetectsthelightinsensityandoutputsthecorrespondingvoltagesignal,whensoundappears,thesoundcontrolledcircuitlightsthelamp,anditwillgooutinaperiodoftime,sothelampcanbecontrolledautomatically.Alsothephotoandsoundsensitivitycanbeadjusted.Andthedelaytimecanalsobesettedbypeople.
Thesystemusestheseparationcomponentsandthecircuitissimply,alsoitovercomingtheshortcomingsofthehighcostandthebigvolumeintheexistingacousto-opticcontrolswitch.Itisanideallightingswitchinafamilyandapublicplace,whichespeciallyapplystotheautocontrolofthelightinginpublicplaces,suchasresidentialbuilding,corridor,storehouse,
tolietandsoon.Itisakindofsoundandlightcontrolledandtimingautomaticswitchwhichisconvenientandsavesthepower.
Keyword：
Automaticcontrol;amplifyingcircuit;Soniccircuit;Opticalcircuit;delaycircuit
引言1
第一章绪论2
1.1开关电路综述2
1.2自动控制原理3
第二章声光控制原理分析及信号放大4
2.1声音控制原理分析4
2.2光强控制原理分析4
2.3声光自动控制系统稳定性4
2.4信号放大5
5
第三章声光控制开关电路的设计及其性能分析6
3.1声光控制系统6
3.2声光控制系统结构6
7
控电路9
10
12
13
14
16
3.3元器件的选择17
3.4元器件清单18
3.5系统安装工艺19
3.6系统测试与调试19
第四章总结与展望20
4.1全文总结20
4.2工作展望20
参考文献21
谢辞23
引言
随着电子科学技术的发展，公共场所照明控制技术也得到逐步更新，除现在已有的空气开关、光电开关、声光控延时开关外，还有红外电子开关和无线电波电子开关。
然而，目前红外电子开关性能虽然较为理想，但安装复杂，成本较高，还不适合在日常家庭生活及普通公共场所使用；无线电波电子开关的综合性能尚不理想，该开关的作用范围较小,本身耗电也比声光开关大，若要增大作用范围,势必要加大发射功率,耗电量也随之增大。
而对于普通日常生活考虑到价格、管理及安装方便等因素，声光控延时开关将是首选的主流产品，所以，对于这一课题的研究是十分必要的。
声光控延时开关是集声、光和延时技术为一体的自动照明开关,广泛应用于楼道、走廊、仓库，厕所等公共场所,是现代极理想的绿色照明开关,而且能延长灯的使用寿命,从而大大减少维修量,不仅节约资金，更节约能源。
白天或光线较强时,开关电路为关闭状态,灯不亮；晚上或光线较暗时，光敏电阻感受光强度并输出相对应的电压信号，此时,当来人有说话声、脚步声、拍手声等声源时,开关自动打开,灯亮,延时一段时间后自动熄灭,从而实现了“人来灯亮,人走灯熄”,杜绝了长明灯现象,不仅达到了节能、节电的目的,而且免去了在黑暗中寻找开关的麻烦，并且声光控延时开关安装方式灵活,可以安装在所选择的任何位置,给路人提供了极大的方便。
总之，声光控延时开关具有很多现实意义，从节约能源层面来说，灯泡大部分时间不工作，节电效率很高，达75%左右，是相当理想的节能用具；从安装、使用层面来说，开关接线简单、安装方便，不用接触，全自动智能控制，使用起来十分方便，是现代公共场所理想的照明开关。
世界的发展离不开能源，声光控延时开关能较好的为解决世界能源危机提供一点帮助，有利于我国实现可持续发展，构建节约型社会，造福子孙后代，造福全人类。
第一章绪论
1.1开关电路综述
从19世纪80年代爱迪生发明灯具以来，开关已经历了好几代变化，现在已经发展到第四代了。
第一代：
从灯具发明以来一直到上世纪80年代中后期，这个时期是以拉线开关为代表的机械时代，这种开关价格便宜、安装简便，但绳子很容易被拉断。
第二代：
1990年奇胜电器率先在国内引入面板开关，由此国内开关进入了按钮开关时代，按钮开关以其优良的耐用性在国内盛行了10年，虽然目前这类产品在市场仍有一定的需求，但由于这种开关安装方法即不安全也不科学，逐渐被其它开关所取代。
第三代：
2000年国际电工率先引入‘86型‘翘板开关，至此造型时尚美观的翘板开关开始盛行，且一直流行至今，但它的开关方式同样是极其不方便，按键较小，容易坏不说，在开关灯时还会出现火花，即不方便也不安全。
第四代：
2009年以来以声光延时开关、红外电子开关、触摸开关为代表的智能开关逐渐为人们所看好，它不仅使用安全、方便，而且还节约了大量能源，延长了灯的使用寿命。
现今居民公共生活中一直普遍使用的就是普通的86型翘板开关，这种开关完全由人手动去控制,在家庭用户中使用一直很普遍,但在公共场所（比如楼梯、走廊等）使用,受外界各种因素的影响,存在着严重的长明灯现象,不仅使灯的使用寿命大大缩短,而且还浪费了大量的电能，不利于能源的节约。
定时开关也能达到使灯自动关闭的目的,结构简单、明了,价格低廉，但由于它比较死板,不能适应各种临时情况的该变，比如阴天、下雨等特殊情况，因此不能得以推广；遥控开关使用起来灵活、方便,特别适合在家庭使用，但由于遥控器本身携带不便，用在酒店、学校等一些大型建筑的公用部分,遥控开关的使用就不太方便，因此也变得难以推广[]。
声光控开关无论是从性能还是价格上与其他开关相比,目前都显示出了巨大的优越性，是最能为用户所接受的电子开关，目前它正朝着更智能化的方向发展。
1.2自动控制原理
自动控制原理源于实践，服务于实践，并在实践中得到升华，从远古的计时容器到公元前的水利枢纽工程，从中世纪的天文望远镜到工业革命的蒸气机和蒸汽轮船，从百年前的飞机、汽车和电话通讯到半个世纪前的电子放大器和模拟计算机，从六十年代的登月飞船到现代的航天飞机和星球探测器，这些着名的人类科技发明直接催生和发展了自动控制技术[]。
经过千百年来的提炼，尤其是近半个世纪工业实践的普遍应用，自动控制技术已经成为人类科技文明的重要组成部分，随着新型制造业的兴起和网络信息技术的进步，自动控制技术的发展和应用也将进入一个全新的时代，本文的声光控制开关则是自动控制原理的最基本应用。
自动控制原理是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。
为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制装置和控制对象按照一定的方式连接起来，组成一个有机的统一体，这就是自动控制系统，在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是需要严格加以控制的物理量，它可以要求是随其它限定条件实时变化的物理量，例如本系统中的声音信号、光强信号等就是实时变化的物理量。
而控制装置则是对被控对象实时施加控制作用的机构总体，它可以采用不同的原理和方式控制被控对象，但最基本的是一种反馈控制系统，在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行实时控制的任务，这就是反馈控制的基本原理[]。
目前，自动化控制正向着成套化、系列化、多品种方向发展，以自动控制技术、数据通信技术、图象显示技术为一体的综合性系统装置成为国外控制技术的主导产品，现场总线则成为自动化控制技术发展的第一热点，相信未来自动控制技术的发展会越来越广阔。
第二章声光控制原理分析及信号放大
2.1声音控制原理分析
声音控制系统就是通过线性元件将采集到的外界声音信号转化为能够检测的电信号，再通过放大电路将微弱的声音电信号放大，对放大信号进行处理从而控制其它装置实现声音控制的功能。
本系统中，利用驻极话筒将声音信号转化为电信号，然后通过三极管放大电路将电信号放大，与光控电路转化来的电信号一起，通过开关电路控制开关的开启或关闭的目的。
2.2光强控制原理分析
光强控制系统就是通过线性元件将采集到的外界光强信号转化为能够检测的电信号，再通过放大电路将微弱的光强电信号放大，对放大信号进行处理从而控制其它装置实现光强控制的功能。
本系统中，利用光敏电阻将外界光强信号转化为电信号，然后与声控电路转化来的电信号一起送入后续开关电路，通过开关电路达到控制开关的开启或关闭的目的。
2.3声光自动控制系统稳定性
1.单纯的只有声音信号控制的灯价格较低，但其控制电路故障率较高，尤其是在外界噪声较大的环境使用，频繁让开关开启或关闭很容易烧坏元器件，使用寿命一般都不长，故单个的声控系统性能较差。
而声光双控系统在白天或光线较亮的情况下，无论外界声音有多大开关都始终处于关闭状态，大大减少了开关通断的次数，延长了灯的使用寿命，性能得到极大改善。
2.传感器使用一段时间以后，其本身性能保持不变的能力称为传感器的稳定性，影响传感器长期稳定性的因素除传感器自身的封装、外形结构外，主要还是传感器的使用环境，尤其外界干扰噪声极大的环境，因此，传感器必须对外界环境有很强的适应能力，这样传感器才会具有良好的稳定性能。
另外，传感器的稳定性也有定量指标，超过使用期后，在使用前应该对其性能进行重新标定，以确定传感器的性能是否发生变化，在某些要求传感器必须能长期使用而又不能轻易更换或标定的场所，对所选用传感器的稳定性要求更加严格，它必须能够经受性能稳定性的考验[4]。
2.4信号放大
信号放大的实质就是实现能量的转换，即用一个能量较小的输入信号来控制另一个能源，使其输出端的负载上能够得到能量比较大的信号。
放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真，如果放大过程中信号发生了失真，信号放大也就变得毫无意义，放大电路是通过增加电信号幅度或功率来实现放大的电子电路，应用放大电路实现放大的装置称为放大器，它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等。
为了实现放大，必须给放大器提供能量，常用的能源是直流电源，放大作用就是通过把电源的能量转移给输出信号，输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。
2.4.1三极管放大工作原理
要了解半导体三极管放大原理，就要分析其内部载流子的运动情况，首先必须要使半导体三极管有一个合理的偏置。
半导体三极管内部两个PN结的4种偏置方式中，为体现放大作用，首先必须保证有足够多的多子运动，所以发射结要正偏，这样发射区能不断向基区发射载流子；其次，集电极电流必须由非集电极本身的多子运动形成，才能体现其电流控制作用，因此，集电结要反偏。
不管半导体三极管组成的放大电路形式如何变化，要使其具有放大作用，都必须满足发射结正偏，集电结反偏。
三极管最基本的作用就是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的电信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。
三极管有一个重要参数就是电流放大系数，当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流几十倍的电流，即集电极电流，集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用，不过放大过程中要特别注意信号不能失真，因为只有不失真的信号放大才有意义。
本系统就是利用三极管的这种放大作用，将声音信号转化来的电信号进行放大，以达到能够控制后续电路正常工作的目的。
第三章声光控制开关电路的设计及其性能分析
3.1声光控制系统
声光控制开关电路就是通过声音信号与光信号共同控制灯的亮或灭，白天或光线较亮时，声光控制开关呈关闭状态，无论外界有没有声音信号，灯都不亮；夜间或光线较暗时，当有人经过该开关附近，驻极体话筒将采集到的说话声、脚步声、拍手声等声源传来的声音信号转化为电信号，然后与光控电路转化来的电信号一起送入开关电路，开关电路得到触发信号把控制开关打开，灯亮，延时约一分钟后控制开关自动关闭，灯灭[]。
系统设计任务：
（1）白天或光线较亮时，无论外界有没有声音信号，开关都关闭，灯不亮；
（2）夜晚或光线较暗时，无声音信号，开关断开，灯不亮；有声音信号触发，开关开启，灯亮；
（3）灯亮一段时间后自动熄灭，且延时时间可以设定；
系统设计要求：
（1）电路可靠性和稳定性要高。
这是对控制电路性能最基本的要求，否则对灯的自动控制能力会变弱，严重时可能还会失去自动控制功能。
（2）功耗要小。
控制电路一直都接于交流220伏电路上，若功耗比较大，则不利于节约能源，而且还会大大缩短控制电路的使用寿命。
（3）灵敏度要能调节。
这是控制电路正常工作时，对声光控制信号的基本要求，对于声音信号感知的灵敏度和对光信号感知的灵敏度应能满足不同的环境要求。
（4）触发延时时间要能按要求调节。
延时时间至少在1分钟内可调。
3.2声光控制系统结构
声光控制开关电路系统总体结构框图如图1所示，整个系统的工作原理是：
全波整流电路将交流220V市电变成约为200V直流电压，再经降压滤波后输出12V直流电压，为其后的声控电路、光控电路及整个电路提供所需的直流工作电压。
声控电路通过驻极体话筒采集声音信号，将采集到的声音信号转化为电信号，光控电路通过光敏电阻采集光强信号，将采集到的光强信号转化为电信号，然后与驻极体话筒采集到的声音信号转化而来的电信号一起送到三极管放大电路，经放大电路放大以后触发开关电路工作，从而控制受控开关的闭合，以达到控制灯亮或灯灭以及灯亮时间长短的目的，实现对灯的声光自动控制功能。
图1系统总体结构框图
3.2.1整流电路
所谓桥式整流电路，就是用二极管组成的一个整流电桥，整流电路如图2所示，它是由图中的极管D1、D2、D3、D4、组成，其功能是将220V的交流市电转换为直流电压以提供后续声控电路、光控电路延时电路及开关电路等电路所需的工作电压。
整流电路的工作原理：
桥式整流电路是最基本的将交流电转换为直流电的电路，整流电路中的二极管作为开关使用，具有单向导电性，根据图2中的桥式二极管整流电路以及图3中的整流波形图可知：
当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到的是正弦波的正半周；当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到的是正弦波的负半周；在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压，再经降压滤波后就可为后续电路提供所需的工作电压。
图2桥式二极管整流电路
图3桥式二极管整流电路波形
3.2.2声控电路
设计声控电路时，我们首先需要知道怎样才能把声音信号转化为电信号，而且对声音信号感应的灵敏度也有很高要求，即不能太低，也不能太高，太高或太低都难以对声控电路实现较好的控制，对声音信号感应的灵敏度应能接收到像人的说话声、拍手声、脚步声等比较常见的声音信号为准。
我们可以使用常见的声音传感器将这类声音信号转化为电信号，其中比较常用的声音传感器有电容式和磁电式两类。
电容式声音传感器是通过声音的振动，从而引起电容量的改变，来得到声音信号到电信号的转化，目前常见的有驻极体话筒；磁电式声音传感器是通过用声音的振动，带动导线切割磁力线产生电流，以达到声音信号向电信号的转化，目前常见的就是动圈式话筒。
驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛，考虑到元器件本身成本及使用方便等问题，这里使用驻极体话筒，利用驻极体话筒采集外界声音信号并转换成电信号，实现声音信号到电信号的转换。
驻极体话筒的基本结构是由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极构成，驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成的一个平行板电容器，电容的两极之间有输出电极，高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久自由电荷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，因此驻极体和背极的距离也跟着变化，即改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量C发生变化，而驻极体上的自由电荷数Q始终保持不变，根据公式：
当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声音信号到电信号的变换[]。
由于所形成的电容器的电容量很小，使得驻极体话筒转化来的电信号相对较弱，转换的电信号必须经过一定放大才能起到良好的控制作用，可作为放大用的电路有功率放大电路、运算放大电路等，通常都选用运算放大电路，运放电路不仅可以提高信号的输出电压，而且还可以抑制零点漂移，但是使用运放电路会大大增加电路的体积和成本；而采用晶体三极管组成的放大电
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