PLC声光双控自动照明开关.docx

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PLC声光双控自动照明开关

毕

业

设

计

说

明

书

班级：

0702

姓名：

王朝民

指导教师：

完成日期：

2010年1月

毕业设计任务书

一、题目：

声光双控自动照明开关

二、基本要求：

该开关白天不导通；晚上，一有声响便自动导通，且声音消除后仍能导通一段时间。

保持导通的时间可在1~10min（分）内持续导通。

该开关适用于人们活动时能发出声响的场合，保证人们在光亮条件下活动，人走或休息后灯即熄灭。

三、设计任务：

1.画出系统结构框图。

2.画出电路原理图。

3.写出详细说明书（10000字左右），要求字迹工整，原理叙述正确，会计算主要元器件的一些参数，并选择元器件。

4.画图要求：

画图规范化，图形清晰，符号大小统一，线条均匀，有条件最好用计算机画图。

5.列出元件明细表附在说明书的后面。

四、参考资料：

1.《检测与转换技术》。

2.《实用光电控制电路精选》P419--423。

3．《电子技术》。

4．《常用电子电器手册》。

指导教师：

胡应占

前言

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合数字电子技术的理解合巩固，我花了1个星期的时间进行电子技术课程设计，而我设计的课题是声光控制路灯的设计，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路灯。

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，过几分钟后又自动熄灭，节能节点。

本次论文的书写过程中由于水平所限，错误和不妥之处在所难免，敬请老师予以指正。

一.可编程控制器（PLC）的概述

1.可编程序控制器的由来与定义

2.可编程序控制器的发展

3.可编程序控制器的应用

二.总体电路设计

1.结构框图

2.总体电路原理

3.元件选择与调试

三.单元电路设计与分析

1.驻极体话筒MIC

2.时间继电器

3.EWB电子电路仿真软件简介

4.简单的电容降压整流电路

四、所需元器件清单

五、收获和体会

六.参考文献

声光双控自动照明开关

第一章.可编程控制器（PLC）的概述

可编程序控制器（programmableController）通常也可称为可编程控制器，英文缩写为PC或PLC，是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的工业自动控制装置。

它具有体积小、功能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等优点，特别是它的高可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能力，更是得到用户的好评。

可编程控制器在冶金、能源、化工、交通、电力等领域中得到了越来越广泛的应用，成为现代工业控制的三大技术支柱（PLC，机器人和CAD/CAM）之一。

可编程序控制器的由来与定义：

在可编程序控制器问世以前，工业控制领域中继电器控制占主导地位。

这种由继电器构成的控制系统有着十分明显的缺点：

体积大、耗电多、可靠性差、寿命短、运行速度慢，尤其是对生产工艺多变化的系统适应性更差，如果生产任务或工艺发生变化，就必须重新设计，并改变硬件结构，造成了时间和资金的严重浪费。

为改变这一现状，早在1968年，美国最大的汽车执照上通用汽车公司（GM）为了适应汽车型号的不断更新以求在激烈竞争的汽车工业中占有优势，提出要研制新型的控制装置以取代继电器控制装置，为此，制定了十项公开招标的技术要求，即：

1.编程简单方便，可在现场修改程序。

2.硬件维护方便，最好是插件式结构。

3.可靠性要高于继电器控制装置。

4.体积小于继电器控制装置。

5.可将数据直接送入管理计算机。

6.成本上可与继电器控制装置竞争。

7.输入为交流115V。

8.输出为交流115V，2A以上，能直接驱动电磁阀。

9.扩展时，原有系统只需做很小的改动。

10.用户程序存储器容量最好可以扩展到4KB。

20世纪70年代末至80年代初，微处理器技术日趋成熟，使可编程序控制器的处理速度大大提高，增加了许多特殊功能，如浮点运算，函数运算，查表等。

使得可编程序控制不仅可以进行逻辑控制，而且还可以对模拟量进行控制。

因此，美国电器制造协会NEMA将之命名为PC。

20世纪80年代后，随着大规模和超大规模集成电路技术迅猛发展，以16位和32位微机化可编程序控制器得到了惊人的发展，使之在概念上、设计上、性能价格比方面有了重大的突破。

可编程序控制器具有了高速记数、中断技术、PID控制等功能，同时，连网通信能力也得到了加强，这些都使得可编程序控制器的应用范围和领域不断扩大。

为使这一新型的工业控制装置的生产和发展规范化，国际电工委员会制定了PLC的标准，并给出了定义。

可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，它采用可编程序的存储器，用来在其范围内部存储执行逻辑运算、顺序控制、顶事、记数和算术运算等操作命令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关的设备都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩充的原则设计。

可编程序控制器的发展

早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。

20世纪70年代出现了微处理器，人们很快将其引入可编程序控制器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，成为真正具有计算机特征的控制装置。

为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程人员使用，可编程序控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。

因而人们称可编程序控制器为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。

20世纪70年代中末期，可编程序控制器进入了实用化阶段，计算机技术已全面引入可编程序控制器中，使其功能发生了飞跃。

更高的运算速度、超小型的体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。

80年代初，可编程序控制器在先进工业国家中以获得了广泛的应用。

这个时期可编程序控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。

这标志着可编程序控制器以步入了成熟阶段。

这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程序控制器的国家日益增多，产量日益上升。

如美国ROCKWELL自动化公司所属的A-B公司，日本的三菱公司和立石公司，德国的西门子公司，法国的TE公司等。

他们的产品已风行全世界，成为各国工业控制领域中的著名品牌。

20世纪末，可编程序控制器的发展特点是更加适应于现代工业控制的需要。

从控制规模上来说，这个时期发展了大型机及超小型机；从控制能力上来说，诞生可各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通讯单元，使应用可编程序控制器的工业控制设备的配套更加的容易。

目前，可编程序控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业、等领域的应用都得到了长足的发展。

可编程序控制器的应用

近年来，随着微处理器芯片机器有关元件的价格大幅度下降，使得PLC的成本也随之下降。

与此同时，PLC的性能却在不断完善，功能也在增多增强，使得PLC的应用由早期的开关逻辑到现在工业控制的各个领域。

根据其特点，可将应用归纳为如下几中类型。

（1）开关逻辑控制

（2）模拟量控制

（3）闭环过程控制

（4）定时控制

（5）记数控制

（6）顺序控制

（7）数据处理

（8）通信和联网

第二章.总体电路设计

基本要求：

该开关白天不导通；晚上，一有声响便自动导通，且声音消除后仍能导通一段时间。

保持导通的时间可在1~10min（分）内持续导通。

该开关适用于人们活动时能发出声响的场合，保证人们在光亮条件下活动，人走或休息后灯即熄灭。

一.系统结构框图

二.工作原理:

该开关电路如图所示,它由开关电路、直流电源、触发与延时电路、光控闭锁电路以及声光充电电路组成的.

≥10mA时,SKG便完全导通;Ig≤6mA时,则可靠截止.

（2）直流电源:

220V交流电源经电容C1降低,由二极管Z1、Z2倍压整流成直流,稳压二极管WG与发光二极管LED把直流电源的电压稳定在6V,电容C2、C3和电阻R1组成Л型滤波电路.输出电流15mA.采用电容降压、倍压整流电路,简化了线路,降低了成本,缩小了体积,同时,也满足开关控制电路对电源的要求.

≥10mA时SKG完全导通.由于R2、W1的负反馈作用,当IDS上升时,又使|UGS|上升,保证BG1的PN结始终反向偏置.C4充电结束后,经R3、W2放电,|UGs|上升,IDs下降,当IDs<6mA是,SKG完全关断.

（4）光控闭锁电路:

由三极管BG2、光电三极管BG3、电阻R4、可调电阻W3、二极管Z3组成.白天,BG3受光照射而饱和导通,BG2基极电流增大,集、射极饱和导通,电容C4经Z3、BG2的集、射极放电,同时,把BG1的栅极电位牵制在1V左右,使IDs不超过6mA,SKG处于关断状态.晚上,BG3不受光照而截止,BG2基极电流减小,亦截止,其集电极电位为高电位,Z3反响偏置解除了对BG1栅极电位的牵制,是SKG导通.

（5）声控充电电路:

由单稳触发电路和双管直耦放大电路组成.三极管BG4、BG5组成单稳电路.当无音响时,单稳电路处于稳态,BG4饱和,BG5截止.BG4极电极电位为低电位,二极管Z4反向截止,电容C4处于放电状态.当有音响时,声感受器MIC接受到声音并变成电信号,由BG6、BG7两个三极管组成的双管直耦放大电路把该音频信号进行放大.放大后的音频信号通过电容C6、电阻R7和二极管Z5组成的脉冲电位门触发三极管BG4,使BG4由饱和变为截止,集电极电位为高电位.BG5由截止变为饱和,单稳电路翻转为暂态.正电源经电阻R5、二极管Z4对电容C4充电.约5s,单稳电路又回复到稳态,电源停止对C4重复充电.

三.元件选择及调试

稳压二极管WG选用2CW53,稳定电压为4V,最大工作电流为41mALED选用HLR-5磷化镓红色发光二极管,电流,反压75V.声感受器MIC选用一般录音机用的CRZ2-9型电容传声器,工作电压4.5～9V.BG4、BG5选用3DG6,放大倍数β≥60。

BG2、BG6、BG7选用3DG6，放大倍数β≥100。

其他元器件的参数要求如图所示。

调整W1可改变SKG的导通程度，以使照明灯的亮度符合人们的要求。

调整W2，可在1～10min（分）范围内选择导通保持时间。

如果要求更长的时间，可以把C4的容量改换为220ūF，这样，开关保持导通的时间就能够在3～30min（分）内连续调节。

调整W3，使开关在白天不能导通，只有在晚上有声响时才能导通。

光电三极管BG3作成光电检测头安装于室外，但应避免日光直射。

最后，调节W4，使该开关接收声响的灵敏度最高。

注意事项：

（1）在调试时，不要急于接上交流电源。

应先外界直流电源，把各部分电路调好后，再接交流电源。

（2）在接交流电路时，应分清电源的相线和零线，按图接线。

（3）接上交流电源后，倍压整流电源不能空载，否则会损坏整流电路元件。

（4）由于电容C4在1s（秒）内就充足电，而放电却需要相当长的一段时间，所以SKG能够迅速地由截止转为导通，由导通转为截止时都要经历三个不同的状态：

完全导通、不完全导通、截止。

因此，照明灯又亮到熄灭也将经历亮、暗、熄三个阶段。

在由亮状态过度到暗状态和由暗状态过渡到熄灭状态时，照明灯都会发生约5s（秒）的闪烁，由此限制了该开关在荧光灯开关电路和其他方面的应用。

第三章.单元电路设计与分析举例

一.驻极体话筒MIC

作为声光控制电路的设计，必然少不了一个在无光照和拾取到声音时把电路导通的，从而达到点亮灯起到照明作用的电子元件。

这个电子元件就是驻极体话筒MIC。

1.驻极体话筒的工作原理

驻极体话筒一般由驻极体与结型场效应管组合而成。

驻极体是由进行特殊处理的高分子材料组成，这些高分子材料表面具有永久电荷（Q）。

驻极体结构有振膜、背极、空隙三部分，这样在振膜与背极间形成一个具有定量电荷的电容结构。

当说话时，会引起振膜与背极间的距离（D）变化，据C=εS/D可知，将使电容（C）变化;据U=Q/C可知，a、b间电压会变化;从而引起结型场效应管的G、S间电压变化，在D、S间产生放大的电信号。

2.驻极体话筒的结构

话筒的基本结构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（背称为背电极）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一个平板电容器。

电容的两极之间有输出电极。

由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。

当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：

Q=CU所以当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—电的变换。

实际上驻极体话筒的内部结构如图

（2）。

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。

驻极体话筒的内部结构如图4所示。

由声电转换系统和场效应管两部分组成。

它的电路的接法有两种：

源极输出和漏极输出。

源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引出线，漏极D经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极S直接接地。

所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。

图4

3.驻极体话筒的检测方法

方法一、将驻极体话筒加上正常的偏置电压，将万用表拨到Rx100档，用两表笔分别接两芯线，相当于给内部源极、漏极间加电压，此时，万用表指针应在一定的刻度上。

然后对话筒吹气，如果指针有一定幅度的摆动，说明驻极体话筒完好，如果无反映，则该话筒漏电。

如果直接测试话筒引线无电阻，说明话筒内部可能开路;如果阻值为零，则话筒内部短路。

方法二、因为在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。

将万用表拨至R×1kΩ档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。

再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极

二.时间继电器

时间继电器一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的控制电器。

它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型等。

它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。

时间继电器可分为通电延时型和断电延时型两种类型。

空气阻尼型时间继电器的延时范围大（有0.4～60s和0.4～180s两种），它结构简单,但准确度较低。

当线圈通电时，衔铁及托板被铁心吸引而瞬时下移，使瞬时动作触点接通或断开。

但是活塞杆和杠杆不能同时跟着衔铁一起下落，因为活塞杆的上端连着气室中的橡皮膜，当活塞杆在释放弹簧的作用下开始向下运动时，橡皮膜随之向下凹,上面空气室的空气变得稀薄而使活塞杆受到阻尼作用而缓慢下降。

经过一定时间，活塞杆下降到一定位置，便通过杠杆推动延时触点动作，使动断触点断开，动合触点闭合。

从线圈通电到延时触点完成动作，段时间就是继电器的延时时间。

延时时间的短可以用螺钉调节空气室进气孔的大小来改变。

吸引线圈断电后，继电器依靠恢复弹簧的作用而复原。

空气经出气孔被迅速排出。

时间继电器作为辅助元件用于各种保护及自动装置中，使被控元件达到所需要的延时，在保护装置中用以实现主保护与后备保护的选择性配合。

智能时间继电器是近年发展起来的新一代控制仪，它采用八位微电脑为核心芯片，为通电延时面板式继电器.上、下两排数码管显示，并应用了独特的抗干扰技术，可广泛应用于冶金，电子，机械，纺织，塑料制冷，电炉烘箱等需时间控制的场合

三.EWB电子电路仿真软件简介

EWB的英文全名是ElectronicsWorkbench（电子工作台），它虚拟了一个可以对模拟电子电路和数字电子电路进行模拟仿真的工作台，具教完善的各种元器件模型库和几种常用的分析仪器。

能进行电子电路设计，并能对电子电路进行较详细的分析，包括静态分析、动态分析、时域分析、频域分析、噪音分析、失真分析和器件的线性与非线性分析，还能进行离散付里叶分析、零极点分析等多种高级分析。

能将设计好的电路文件直接输出到常用的一些电子电路排版软件，如protel等，排出印制电路板图，为实现电子电路的设计提供了很大的方便。

EWB不但是一个非常优秀的电子设计软件，而且也是一个非常优秀的电子技术模拟实际训练软件，它几乎可以完成在实验室进行的所有电子技术的实验，并且和实际实验情况非常切近，选用的元器件和仪器也和实际情况非常接近，一般会正确使用常规仪器的读者，都能较快掌握软件提供的虚拟仪器的使用方法，另外在实验设备和仪器不能满足某些实验课要求的情况下，用EWB软件进行仿真实验不失为一种有效的补充方法。

由于EWB软件是基于Windows操作系统上的，所以它的操作方法和其它基于Windows环境下的软件（如字处理软件Word97）操作方法一样，所见即所得。

要用的元件、仪器等，只要用鼠标点击，随时可以取来，完成参数设置，连接成电路，就可以启动运行，进行分析仪器测试等。

因此EWB软件具有入门容易，学习轻松，结合实际，富有趣味的特点。

WEB软件有两个版本，一个是4.0，一个是5.0，两者相差不大，使用方法也大同小异。

由于5.0具有更丰富的元件库，因此这里紧对EWB5.0做一个简单的介绍，以使大家能掌握它的基本操作方法和分析方法，能够进行一般的电子电路的设计、仿真，满足学习电子技术课程的需要。

对于软件的更深一步的应用，请阅读相关的书籍。

EWB的基本操作

1.电路设计与编辑的基本操作方法

进行电路设计、仿真，首先要把电路编辑在工作区，然后才能实施仿真分析。

编辑电路主要做两件事，一是调元器件到工作区，并放于适当的位置；二是进行电路连接，构成完整的电路。

1.调元器件、设定元件参数、调整元器件的位置

调元器件和设定元件参数已经在元件库中介绍过了，现在介绍调整元器件的位置。

（1）平移元器件：

要平移某个器件，首先要选中它，使它变为红色，然后用拖拽它到适当的位置即可。

如果要同时移动几个元件，则可以先用鼠标画一个矩形矿，将这几个元件框起来，同时都选中它们为红色，然后拖动一个元件进行移动，则这几个元件同时被移动。

同时选中几个元件的另一个方法是按下Ctrl键，再用鼠标逐个点击所选元件，使它们变为红色，然后松开Ctrl键，即可选中它们。

（2）转动元器件：

要转动某个元件，只须先选中它，在单击工具栏中的转动图标即可。

转动图标有三种：

逆时针旋转90°、水平翻转和垂直翻转。

2连线操作

（1）元件引脚间的连线。

用鼠标指向一个元件引脚时，会出现一个小接线点，此时按下鼠标左键拖动到另一个元件引脚，当再次出现小接线点时，放开鼠标，连线便接好了。

软件会自动选择走线位置。

如图A3.1（a）所示。

如果想指定连线的走线位置，则应在连线转折点出放置电路节点，然后再把这些节点连接起来即可。

一个电路节点上最多可在上、下、左、右4个方向上连出4条引线，并注意连线的走向与节点引出线的位置要一致，否则，会产生连线的扭绕情况。

（2）连引线出线和标记端点标号

有时需要从电路中引出一些输入输出线，这时应先在线端放置电路节点，然后再连线。

连线后双击该节点，打开参数设置对话框，可设置端点标号。

如图A3.1（b）所示。

（3）连线中插入元件

只要把要插入的元件拖曳到连接上，并使元件的引线与连线重合，则该元件便擦入到连线中。

（4）连线的删除、改接与移动

删除某条连线，只要把该连线的一端从连线点移开，就可以删除该连线。

﹙五﹚、设置连线颜色

改变输出信号颜色后，相应的输出波形的颜色也一起改变。

改变连线，只要把要改变的颜色的方法是；双击某条颜色设置对话框。

单击“连线颜色设置”钮。

弹出一个颜色变化框，用鼠标单击某个颜色色块然后关闭颜色选项框，连线的颜色就设置好了

四.简单的电容降压整流电路

电容C1、C2和二极管D1及稳压管DW，组成简单的电容降压整流电路，接通电源后获得12V左右的直流电压。

三极管BG、光敏二极管D2和双向可控硅等，组成光电开关电路。

在白天，光敏二极管D2因受光照呈低电阻，BG管基极电位下降，使BG截止，电阻R1上无电压输出，故双向可控硅SCR处于关断状态，灯泡ZD不亮。

当夜幕降临时，D2因无光照其暗阻增大，使BG基极电位升高而导通，R1上输出的电压触发可控硅SCR导通，得电点亮。

调节电位器W，可调节BG基极电位高低，即调整了光控的灵敏度。

第四章.所需元气件清单

2.二极管Z1，Z2倍压整流：

原理：

在电源变压器交流电压不高，但又需要获得较高直流电压时，通用倍压整流电路，这种整流电路主要是用来供给小直流高压的。

特点：

（1）可用一个较低电压的电源变压器次级绕组来获得较高的直流输出电压。

（2）倍压整流电路可根据需要，由无数个单元升压电路组成。

（3）在倍压整流电路中，无论有多少只整流二极管，管子的耐压并不随着北压的增高而增加

（4）倍压整流电路输出电压的带负载能力较差，一般只用于小电流，高电压输出的场合。

3稳压二极管WG

原理：

一种在所标称的反向电压雪崩击穿而不被破坏的硅结型二极管，施加反向电压并使其值逐渐增大，当反向电压值到达稳压二极管的稳定电压时，其正常雪崩击穿，若在此情况下在一定范围内改变电源电压的波动或改变负载电流的大小，稳压二极管的齐纳电流便随之而变化，稳压二极管的动态电阻也在随之而变化，然而，齐纳电压却稳定而不变。

一种电压控制器件，它依靠栅极上的电压控制漏，源极电流

一种是信号栅场效应管，另一种是绝缘栅场效应管。

结型场效应管又分为两种类型，一种是N沟道结型场效应管，另一种是P沟道结型场效应管

三极管以其放大功能为主要特征立足于半导体器件之林，其种类繁多，功率等级齐全，大量用于各种电路，并因为用于集成化工艺而制造成大小规模的万种集成电器。

光电三极管是一种对光具有敏感作用的半导体器件，在感受光照的同时，不仅把光信号变成电信号，还把这个电信号的变化量进行放大。

特点：

1.光电转换灵敏度高；

2.工作电压低，耗能少

3.工作可靠性高，寿命长

—电隔离

6体积小，重量清

LED是一种在PN结上外加正向偏压并当电流通过时，把所注入的少数载流子复合时的剩余能量以光的形式释放出来而发光的二极管，发光二极管之所以发光，其核心是PN结。

发光二极管在正向电压偏置下，电子由N区注入P区，空穴则由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光.

元器件清单见下表

R1电阻1001

R2电阻3601

R3电阻1M1

R4电阻5.1K1

R5电阻5.1K1

C1电容/400V1

C2电容100u/10V1

C3电容220u/10V1

C4电容100u/10V1

C5电容1u/10V1

C6电容10u/10V1

C7电容0.01u1

W1可调电阻1K1

W2可调电阻10M1

W3可调电阻33K2

BG1