声光控照明节电开关电路课程设计.docx
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声光控照明节电开关电路课程设计
第1章绪论
科技的进步使电灯的样式、种类以及对灯的控制方式千变万化，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，电能的节约首当其冲，而电灯的使用最为普遍，所以设计一种自动控制开关的电路是非常必要的，声控开关就是其中的一种。
声控电路已成为人们日常中不可缺少的必须品，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电路工作的电子开关。
它将声音（如跺脚）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。
由于本电路应用于人们的日常生活中，所以，起到了很大的作用。
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，但是在论文中使用还是比较有特色的，能够使人们在不知不觉中感受到方便。
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，故使灯泡寿命变短，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，设计研制一种新颖电路、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。
声控灯在光线充足时，即使你发出多大的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出了亮光，这是由于声控灯含光控电路，以防止其在光线足够的时候工作，所以声控灯的控制盒是声、光同时控制的，在光亮度能达到的情况下，灯不会亮。
你可以做一个小实验，你可以用手遮挡声控开关的光控原件然后在发出声音，灯就会亮了。
声控走廊灯白天呈关闭状态，夜晚听到声响时自动发光，具有节能的优点，因此我们选择了这个课题。
第2章整体设计方案
声光控照明节能开关主要是根据声光控电路和延时电路来控制灯泡的亮与灭和时长，现在电子产品的日益更新，电路也越来越多，根据电路的设计提出了以下两种方案。
方案一：
声光控照明节电开关电路方框图如图2-1所示。
图2-1声光控照明节电开关电路方框图
工作原理：
当此周围有声音信号时，MIC将声音信号接收后经声控电路放大，再经整流电路转变为电压信号传入光控电路中。
当有光照照在光控电路中的光敏电阻上时，其阻止变小，对直流控制电压衰减很大，导致电子开关处于截止状态。
这时延时电路将不会工作，使单向可硅管处于截止状态，灯泡不亮。
当没有光时延时电路工作，使单向可硅管导通，同时控制交流开关，灯泡亮。
方案二：
声光控照明节电开关电路方框图如图2-2：
本电路为一声光自动控制白炽灯开关。
白天或者夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。
电路主要由555集成电路和声控专用集成电路BH-SK-I组成。
白天或者夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。
当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分。
电路是否接通，取决于声音信号强度。
当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次声音信号触发。
声控照明电路的主要原理：
是利用了声学和电子学的原理即用声音传感器将声音信号换成电信号从而推动触发器触发使电路导通工作。
考虑到电源的稳压性能，和器件的价格，结构简单，安装方便，适用性强。
根据对比采用方案一进行电路设计。
第3章单元电路设计
根据选定方案，该电路由话筒、声控电路、整流电路、光控电路、电子开关、延时和交流开关七部分电路组成。
3.1 声控电路设计
驻极体话筒（又称电容式微音器MIC）是由驻极体和场效应管组成的一种具有自偏压的电声换能器，工作电压范围一般为1.5～12V,它具有频带宽（20～100Hz）、音质好、噪声低、耗电少、灵敏度高等特点，而且体积小、重量轻、价格低廉，现在盒式录音机的录音用内接，外接话筒几乎都采用驻极体话筒。
其中两个由驻极体材料构成的极板组成了一个电容器，一个极板的作用是承受声压信号，作为振膜。
当振膜振动时，两极板间因距离变化而使电容量发生变化，即产生出与声信号对应的交变信号。
由于此电容量很小，在声频段，其阻抗高达几兆欧。
为了降低其输出阻抗，在驻极体的另一极板上通过弹簧连接了一个场效应管，以此来匹配阻抗，放大信号。
由驻极体话筒构成的声音放大电路如图3-1所示。
图3-1驻极体话筒构成的声音放大电路
（a）外部结构图
（b）内部结构图
图3-2驻极体话筒的外形与结构
工作原理：
当MIC获取到声音信号后，将会转化成电信号，经过C1耦合出来的信号将由三极管VT1放大，而在本电路中为了获得较高的灵敏度，三极管VT1的β值选用大于100，更利于信号放大。
而三极管VT1要实现这个功能必须满足基极电压为高电位，集电极为低电位才会导通。
图中的R1主要是起到分压限流的作用，R2、R3分别是给三极管VT1提供基极偏置和集电极偏置。
所以，其中R1、R2、R3不宜过小，否则电路容易产生间歇震荡。
三极管VT1放大后的电信号将从集电极流入下级单元电路。
3.2 整流电路
在本次单元电路设计中有两个整流电路，一个是由电容和二极管组成的倍压整流电路，一个是桥式整流电路。
而其中两个整流电路分别起到的作用有所不同。
3.2.1 倍压整流电路
由电容和二极管构成的倍压整流电路电路如图3-3所示。
二极管最明显的性质就是它的单向导电特性。
我这里选用的VD1和VD2是整流二极管。
C2、VD1和VD2、C3构成倍压整流电路。
把声音信号变成直流控制电压。
工作原理：
将声音放大电路放大后的信号通过C2耦合，将由VD1、VD2整流经C3滤波后传入下级光敏电路中。
其中电容C2和C3的作用有所不同，C2起到的耦合作用而C3起到的滤波作用。
3.2.2 桥式整流电路
由二极管构成的桥式整流电路如图3-4所示。
图3-4二极管构成的桥式整流电路
这部分整流主要是针对电源的整流。
220V交流电通过灯丝，经过VD1-VD4整流，将220V的交流电经D1～D4整流、R9、R10降压得到12V-15V的直流脉动电压，但是这种脉动电压不够理想，通过稳压管VW进行稳压，最终获得的单向、平滑的12V直流脉动电压供给控制电路，保证C6上电压不超过15V。
C6主要起到退藕的作用。
此部分电路作用为提供稳定的工作电压。
整流电路是利用半导体二极管的单向导电性能把交流电变成单向脉动直流电的电路。
3.3 光控电路设计
核心元件为光敏电阻。
它是利用内光电效应工作的光电元件，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，也可以加交流电压。
由于它在光线的作用下其阻值往往变小，因此，光敏电阻又称光导管。
制作光敏电阻的半导体材料主要是金属，的硫化物、硒化物和碲化物，通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
光控电路如图3-5所示。
工作原理是：
当光敏电阻受光照时其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低，相当于导线。
当MIC周围没有声音信号时，其各部分都不会工作，灯泡不会亮；当MIC周围有声音信号时，声音放大电路将工作，通过整流将整流后的电信号经R4限流后直接短接，不会经R5流入三极管VT2中，此时三极管VT2将接收不到信号，处于不工作的状态，灯泡同样不会亮。
当光敏电阻在黑暗环境里，没有光照时，它的电阻值很高，相当于断路状态。
当MIC周围没有声音信号时，同样各部分电阻路将不会工作，灯泡不会亮；当MIC周围有声音信号时，声音放大电路将工作，此时光敏电阻值很高，不会有信号从其中流过，通过整流将整流后的电信号经R4限流后通过R5到达三极管VT2基极，此时三极管VT2基极点位较高，处于导通状态。
其中电路中R5、R6主要是分压限流的作用。
3.4 电子开关
电子开关主要是由两个三极管组成，分别是VT2和VT3，其中VT2为NPN型，VT3为PNP型，两种管型之间互补直接耦合方式。
而电路中只有半导体管和电阻，便于集成。
两个三极管主要是起到开关作用。
电子开关电路如图3-6所示。
工作原理：
当MIC有声音信号，光敏电阻没有光照时，将有信号流入VT2中，然而VT2、VT3组成的电子开关处于打开状态，将有信号从VT3集电极流出，流入VD3和C4组成的充电电路中，给C4充电。
当光敏电阻有光照时，没有信号流入VT2中，VT2、VT3组成的电子开关处于关闭状态。
当MIC没有声音信号时电路不会工作。
其中VD3与延时电路中的C4组成充电电路，R7为VT2提供集电极偏置，为VT3提供基极偏置。
其起到的主要作用是控制延时电路的电容充放电。
3.5 延时电路
延时电路主要是通过控制晶闸管的导通与截止来控制灯泡的亮与灭。
晶闸管是晶体闸流管的简称即可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件。
晶闸管具有整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，可控硅作为开关元件的优点，属无触发点开关元件，因此使用寿命长。
此部分延时电路如图3-7所示。
工作原理：
晶闸管想要工作必须要在门级加正向电压时才会导通，在晶闸管处于导通状态下时，只有主回路减小到接近于零时，晶闸管才会关断，所以此电路要达到延迟效果必须要保证晶闸管在一段时间下处于导通状态。
因此在晶闸管前面加上一个100µF的电容C4进行充放电。
而在VT3集电极有电信号传出时经VD3、C4组成的充电电路通过R8把触发电压加到晶闸管MCR控制端才会使其导通。
而R8、C5和单向可控制MCR、VD5-VD8组成延时与交流开关控制来决定灯泡的亮与灭。
本设计中延时时间t由C4、R8的参数决定。
其时间t的计算：
t=R８C4=240×103×100×10-6=24s。
由于需要的灯泡持续点亮时间并不是很长，大概2、30秒左右，所以考虑用一个电容控制开关的状态即可。
当MIC周围有声音时，无光照时，电子开关打开时，C4连通，即开始充电；电子开关关闭后，C4开始放电。
图中C5作为抗干扰电容，用于消除灯泡在发光时的抖动现象。
第4章 整机电路设计
根据单元电路设计图及电路总体方框图，得到整机电路图。
整机电路图如图4-1所示。
图4-1 声光控照明节电电路总体电路图
电路有四种工作情况：
1．无声音无光时灯泡不亮
当声光控照明节电开关周围没有声音，光敏电阻无光照时电路处于不工作状态，灯泡将不亮。
2．无声音有光时灯泡不亮
当声光控照明节电开关周围没有声音，光敏电阻有光照时电路处于不工作状态，灯泡将不亮。
3．有声音有光时灯泡不亮
当此电路周围没有声音时将不处于不工作状态。
只有当此电路周围有声音时，MIC将声音信号接收后经VT1放大，再经整流电路VD1、VD2转变为电压信号传入光敏电路中。
在光敏电路中光敏电阻RGM有光照上时，其阻值变小，相当于导线的作用，对直流控制电压衰减很大，导致VT2、VT3、和R7、VD3组成的电子开关处于关闭状态，不会有信号流入下级电路中，从而C4中无电荷，使单向可控硅MCR处于截止状态，因此灯泡将不亮。
4．有声音无光时灯泡亮
当此电路周围有声音时，MIC将声音信号接收后经VT1放大，再经整流电路VD1、VD2转变为电压信号传入光敏电路中，当无光照射在光敏电阻RGM时，RGM阻值很大，相当于开路状态，对直流控制电压衰减很小。
VT2、VT3、和R7、VD3组成的电子开关导通，使电容C4开始充电。
由于充满电时间很迅速，C4充满电荷后通过R8把直流触发电压加到MCR控制端，MCR导通，使灯泡点亮。
当C4中电荷放至零时，MCR恢复截止状态，此时灯泡熄灭。
当灯泡点亮过程中有新的声源出新时，C4会重新充电后重新放电，即重新计算点亮时间。
灯泡点亮时长约为30秒左右。
如果需要改变灯亮时长，只需要更改C4或者R8的参数即可。
第5章 电路仿真
打开EectromicsWorkbench，文件-新建-原理图，在按照图4-1所示连接电路图。
在电路开始搭建时，发现EWB中没有传声器，不能直接进行模拟。
所以得把传声器除去换上了一个220V/2000Hz的正弦交流信号，和电路中的光敏电阻除去，换上一个滑动变阻器来改变其阻值大小，进一步进行仿真操作。
接上信号源时，当滑动变阻器的阻值很小时，电路将没有信号流入下一级，灯泡处于不工作状态。
如图5-1所示。
图5-1 电路仿真图
接上信号源时，当滑动变阻器的阻值很大时，信号将流入下一级，灯泡处于工作状态。
如图5-2所示。
图5-2 电路仿真图
结 论
本次课程设计共耗时一周半，给我们带来了许多的新知识，增强了我们的动手能力，给我们的校园生活增添了快乐，同时也告诉我们大家应该相互帮助、相互团结。
就此产品，是对我们三年来所学的知识进行了全面的总结，明白了自己学到了什么，还缺少什么，找到自己的不足之处，对我们以后的工作有很大的帮助。
课程设计是我们学习过程中一个十分重要的环节,是锻炼我们运用所学知识正确分析和解决实际问题的一个重要方面，也是培养应用型转门人才的要求。
通过这次的课题研究，我在选题、查阅资料、分析原理、仿真处理以及课程设计任务书等方面，得到了系统的锻炼。
我对电子产品的开发持有浓厚的兴趣，通过这次课程设计也使我学到了很多电路知识、电脑知识以及相关软件的使用。
总之，在本次课程设计中所学到的知识，以及一步步的修改所需要的耐心等等，得到了很好的锻炼和提高。
声光控制节能开关的设计节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好，方便了人们的日常生活。
随着科学技术的发展，公共场所照明控制手段也在日新月异地更新，除了声光控开关外，还有微波感应开关和热释远红外感应开关。
但就目前而言，微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关在性能上较为理想，但安装复杂，价格也偏高，比较适合在一些管理完善的场所如宾馆、饭店楼道及家庭走廊的应用。
在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明考虑到价格、管理及安装方便等因素，根据我们的国情，可以预计在相当一段时期内，声光控延时开关将是首选的主流产品。
致 谢
首先要感谢我的指导老师曲娜，本次设计是在老师精心指导和大力支持下完成的，曲老师一直给予我重要的指导和帮助，为我解开了无数的困惑，提供了很多关键性的建议。
另外还要感谢我的同学以及电气信息工程系所有的老师，是他们让我在课堂上学到了丰富的知识。
不论是有形的图文还是无形的记忆，都会珍藏在我们的欢声笑语中，永不磨灭。
感谢所有同学，感谢所有的朋友，很幸运能够认识你们，我的学习生活因你们而更加丰富多彩。
同时也使我明白了如今信息时代电子技能知识的重要性，增强了我对实际工艺技术、电子技术和设备技术等方面的认识，掌握了分析处理的方法，使仿真、计算等基本技能得到了训练，提高了自己的实际动手能力。
面对如此激烈的市场竞争体系，只有努力掌握好电子技能知识方可在竞争中立于不败之地。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学们交流经验，以及向老师请教等方式，使自己学到了不少的知识。
在整个设计过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立自主的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功的喜悦，相信会对今后的学习、工作、生活有着非常重要的影响。
在此，我要再次感谢曲娜老师对我悉心的指导，感谢老师给了我这样的机会。
虽然这个设计还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。
参考文献
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附录一 整机电路图
附录二 元器件清单表
项目
代号
代号
名称、型号、规格
数量
备注
更改
电阻器
5
R1
GB8551-87
RT―0.125―b―150kΩ―±10%
1
R2
GB8551-87
RT―0.125―b―3.9kΩ―±10%
1
R3
GB8551-87
RT―0.125―b―1MΩ―±10%
1
R4
GB8551-87
RT―0.125―b―10kΩ―±10%
1
R5
GB8551-87
RT―0.125―b―1kΩ―±10%
1
电容器
2
C1
GB5995-86
CD－2－16V－220μF－±10
1
C2
GB5995-86
CD－2－50V－22μF－±10
1
二极管
4
VD
IN40007
4
三极管
2
VT1
2SD2625
9014（NPN）
1
VT2
2SA2625
100-6
1
旧底图总号
更改
标记
数量
更改
单号
签名
日期
底图总号
拟制
钟琼杰
声光控照明节电电路元器件明细表
审校
钟琼杰
日期
签名
等级标记
第1张
共1张
标准化
批准
附录三 样本
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