声控光敏延时开关.docx
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声控光敏延时开关
设计题目：
声控光敏延时开关
院系：
电气工程系
专业：
电力机车
年级：
2012级
姓名：
刘涛
指导教师：
西南交通大学峨眉校区
2014年6月5日
课程设计任务书
专业电力机车姓名刘涛学号20127812
开题日期：
2014年5月14日完成日期：
2014年6月5日
题目声控光敏延时开关
1、设计的目的
设计一个简易声光控延时照明灯电路
二、设计的内容及要求
1．要求电路能够通过照明灯开关对光线强弱的感应和通过照明灯开关对声强的感应设置两级开关，控制照明灯的亮灭。
2．要求电路能够实现有光线时灭，无光线时有声亮，并且照明灯点亮一段后自动关断。
3．要求电路如果在照明灯点亮期间又有新的声源出现，照明灯应重新开启。
4．根据上述要求选定设计方案，画出系统框图，写出详细的设计过程。
5．学习掌握焊接技术以及电路元件的装配。
熟悉手工焊锡的常用工具的使用及其维护与修理。
6.针对原理电路，通过计算参数，选择合适的元器件，搭建电路，并调试通过。
三、指导教师评语
四、成绩
指导教师（签章）
年月日
摘要
光控灯和声光控灯是居家照明的重要组成部分（如楼道、卫生间、小巷等），它们的出现使我们的生活方便许多，既可避免摸黑找开关造成的摔伤碰伤，又可杜绝楼道灯有人开、没人关浪费能源的现象。
介绍了用三极管和与非门芯片实现光控灯和声控灯的原理，重点介绍了二者的实现方法和具体细节，及制作过程中遇到的问题和相应的解决方案。
关键词：
光控灯、声控灯、光敏电阻、麦克风、导通、截至、
Abstract
Opticallycontrolledlampandacousticcontrollampplayanimportantroleinourdailylife（likeincorridor,toilet,alleywayandsoon）.Theymakeourlifemorecovenient.Byuseofthem,wecannotonlyprotectourselvesfromthehurtthatmaybecausedinlookingfortheswitchesoflightsinthedark,butalsoeliminatethephenomenonthatsomeoneturnonthelightbutnobodyturnofftoavoidthewasteofresources.
Itintroducestheprincipleofhowtousedynatronsandanandgatechiptoachievethepurposethatcontrolthelightsbylightandsound,andspeciallystressesthewaysandconcretedetailsabouthowtousethemtoachievethepurposeandthesolutionsoftheproblemsthatwillbemetintheprocessofmakingit.
Keywords:
Opticallycontrolled,acousticcontrol,mircphone,lightdependentresistor
breakover,cutoff
引言
随着现代科学技术的发展，越来越多的高科技节能产品出现在我们生活的方方面面，声控灯、光控灯是居家照明的重要组成部分，光控灯是由光控开关和LED灯组合而成。
声控灯由麦克风，放大电路和LED灯组成。
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，基于此目的的研发工作更是趋向环保、节能的特性上著眼。
因此，开发新型高效、节能、寿命长、环保的电路对居家照明节能具有十分重要的意义。
由此声控、光控LED灯的诸多优点在现在正逐渐取代传统的照明设备，是照明产品的新兴光源，有「绿色照明」光源之称，未来将光芒耀眼，发展潜力无限。
声控、光控LED具有节能、体积小、发热量低、寿命长、耗电量小、反应速度快、易控制等众多优点，极大的满足了人们日常生活的需要，因此十分被灯饰业者看好。
光控灯，安装方便，使用寿命长。
集光学、材料和电路技术为一体组成的自动照明开关，白天或光线较强时，开关电路为自锁状态，LED灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，开关自动打开，LED灯亮，从而实现了白天自动熄灭夜间自动打开的目的，节省了人为的控制。
声光控集声控、光控、延时自动控制技术为一体,内置声音感应元件,光效感应元件,白天光线较强时，受光控自锁，有声响也不通电开灯；当傍晚环境光线变暗后，开关自动进入待机状态，遇有说话声、脚步声等声响时，会立即通电,亮灯，延时半分钟后自动断电；能延长灯泡寿命6倍以上，节电率达90％。
二者都为人们的日常生活提供诸多方便。
本文的主要内容包括：
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，结合光敏电阻的随着外部环境的阻值改变的特性，给出光控灯的设计方案，在此基础上结合数字电子技术的优点，引入拾音器将声控功能加如其中，同时实现声控和光控，以下给出了二者详细的设计过程，包括软件设计、软件仿真，以及测试和实验结果。
（a）设计任务分析：
顾名思义，声光控延时开关就是用声音和光来控制开关的“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，变为电子开关的开动作。
明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元，由此可画出图1所示的方框图。
（b）电路原理框图如下：
图1是该声控照明节电开关电路原理方框，由话筒、声音放大、倍压整流、光控、电子开关、延时和交流开关七部分电路组成。
在设计过程中我们可以分析设计部分电路
第一章光控灯
光控灯，即在有光或光照比较强的时候，发光二极管不发光，在无光照或者光照弱的情况下，发光二极管发光。
1.1光控灯的原理
要设计光控灯，首先要掌握光敏电阻的特性，光敏电阻又称光导管，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器,常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下（光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化），其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
经测量随着外部环境的改变，本次所用光敏电阻阻值的变化范围为2K-3M,即在有光照射时电阻阻值下降，无光照时阻值上升，根据这一特性可以控制三极管工作状态进而控制灯的亮灭的电路。
三极管工作状态分为放大、截止和饱和。
当工作在放大区时，发射极正偏，集电极反偏；当工作在截止区时，发射极和集电极均反偏；当工作在饱和状态时，发射极和集电极均正偏。
同时三级管有两种材料做成，一种为硅管，其正偏发射结导通电压为0.7V；一种为锗管，其正偏发射结导通电压为0.3V。
三极管种类有NPN和PNP两种，本次课设用到的三极管为NPN型硅管9014和PNP型硅管9012。
1.2实际电路
设计方案图一：
设计方案图二：
两者比较，方案图一使用到微调电阻，调节其可使电路对外界的变化更加灵敏，考虑到本次课设设计光控灯是之后设计声控灯的一个理论基础，没有必要加太多功能，所以选用图二为设计电路原理图。
将光敏电阻用做三极管9014的下偏置电阻，利用光敏电阻随外部光照的变化来控制三级管9014的工作状态，可以是三级管工作在截止和导通两种不同的状态，9012基极接至9014的发射极输出处，发射极接电源，集电极接输出LED灯，9012的工作状态受9014的控制，当有光照时，光敏电阻阻值降低，9014基极电压被拉低而截止，9012基极电压升高9012截止，LED灭；反之光敏电阻没有光照时，其阻值增大，9014基极电压升高并使其导通，9012基极电压降低，9012饱和导通。
1.3光控灯的实现
经实测光敏电阻的阻值在有光照射时大约在2K左右，无光照射时阻值大约在3M左右，所以用R3、R4和一个开关来代替光敏电阻，当开关拨向阻值在R3时（无光照射时），发光二极管发光（图中发光二极管三角形成红色），仿真图如图1.3所示：
器件清单：
电阻:
10k*1100k*1
电容：
1uF有极性*1
三极管：
9014*19012*1
放光二极管：
红色*1
干电池：
1.5v*2
开关:
单刀单掷*1
排针引线
图1.3
1.4光控灯总结
以上光控电路主要是利用三极管的开关作用完成。
由于刚开始没有计算好电源电压，在调试初期，接上了3节干电池导致了LED灯烧坏。
在实际电路中灯的电压远远高于三极管的控制电压，如果还这样设计势必要烧坏三极管，在实际实现中可以采用耐压值比较高的晶闸管，或者用继电器间接实现对灯的亮灭控制。
调试时发现电路的感光灵敏度不高，在很暗的时候灯才能亮，可以在光敏电阻哪里串联一个阻值适当的滑动变阻器，这样的话就可以调节光敏电阻的灵敏度了。
声控灯很容易实现，这一部分设计为第二章的声控灯的实现提供了理论依据。
第二章声控灯
实际生活中的声控灯是在光线很暗和有声音时候灯亮起来，延时一段时间后自动熄灭，在光线充足或没有声音的时则不会亮起，要达到这个效果，需要用到光控和声控两部分电路。
2.1声控灯的原理
电路原理图如图2.1所示，电路由光控部分，声控部分，放大电路，CD4011与非门，延时部分和晶闸管（可控硅）组成。
白天或夜晚光线较亮时光控部分将开关（晶闸管）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，电路能否接通取决于声音信号的强弱，当声强达到一定强度（不小于CD4011的开门电压）电路自动接通，点亮LED灯，并开始延时，延时时间到，开关自动断开，等待下一次声音信号触发。
这样，该电路通过对环境声光信号的监测和处理，完成电路开断的自动开关控制。
2.1.1实际电路
电路中三极管在声音信号的触发下起着放大开关作用，电路也可以用运放或构成，运放的输出直接接到555芯片，由555芯片构成单稳态电路延时，但是这样不容易将光控功能加到其中，而且用到两个芯片，增加了成本。
所以选择了一下电路。
可以将本电路分为光控电路，声控电路，逻辑电平翻转及触发电路和延时电路几个基本电路：
2.1.2光控电路
如图2.2所示，由R4和R9组成，其中R9为光敏电阻，电路中晶闸管的通断，取决于控制信号的有无。
光敏电阻R9的阻值随着光照强度的变化而变化，当光照达到一定强度时，其电阻值变小到与R4分压后使IC（a）2脚处于逻辑低电平，2脚所在的与非门被封死，这时不管有无声音信号输入，IC（d）11脚都是低电平，晶闸管正向阻断。
随着光照强度的减弱，R9的阻值逐渐增大，2脚的电平逐渐上升，当2脚的电位上升到逻辑高电平后，即满足了开门条件，此时的声控开始起作用，3脚是否翻转只取决于IC（a）1脚电位（声控电路输入端）是否达到了逻辑高电平。
2.1.3声控电路
如图2.3所示，由麦克风MK1，三极管VT，电容C1及电阻R1、R2、R3等组成，其中MK为声检测元件，当环境声音很弱时，三极管VT处于饱和状态，IC（a）1脚为低电平11亦为低电平，晶闸管阻断，当环境声音信号达到一定强度时，通过MK1拾音输出经C1耦合到VT的基极，使集电极即IC（a）1脚电位随声强而高低变化，当1脚处于高电平时，由于2脚早已处于高电平而满足了与非门翻转条件，3脚跳变为低电平。
麦克风的接收声音信号并将信号转化为电流信号（交流信号），使三极管VT由饱和状态转为截止状态，电阻很大，基本上为VCC电压值。
所以在声音信号来到时会有三极管C极电压的跳变现象，如图2.3（a）。
也正是由于这一现象使得声控功能得以实现。
2.1.4逻辑电平翻转及触发电路
如图2.4所示，由四二输入与非门IC（CD4011）及R7、R8等组成。
图中看出白天或光线很亮时，与非门IC（a）的1脚为低电平,3脚输出为高电平，经过IC（b）、IC（c）、IC（d）的电平翻转，IC（d）11脚输出为低电平,晶闸管不被触发,灯不亮；当环境光线较暗使IC（a）的2脚为逻辑高电平时，为IC（a）的翻转提供了必要条件，IC（a）翻转与否受控于IC（a）1脚电平的高低（声控输入端）。
当有声音信号输入使IC（a）的1脚为高电平时，输出3脚跳变为低电平，4脚跳变为高电平并经D1向C1充电，C3上的电压不断升高，当C3上的电压上升到IC逻辑高电平时,10脚变为低电平,11脚输出高电平，经R7加到晶闸管ｑ控制极，晶闸管ｑ被触发导通。
2.1.5延时电路
如图2.5所示，由R5、R6、C2、D1等元件组成。
结合声控电路光控电路分析，当晶闸管q被触发导通时C1上的电压降低，MK1拾音器的灵敏度降低，VT重新饱和，3脚为高电平，4脚变为低电平，由于D1的隔离作用，C2上的电压仍维持8、9脚高电平，11脚也为高电平，C2上的电压通过R5、R6放电，直至C3上的电压降低至IC逻辑低电平时，11脚变为低电平，晶闸管q在正负极间的电压过零时被正向阻断，C2上的电压重新升高，MK1恢复拾音灵敏度，等待下一次声控信号的输入，IC8、9脚电位从高电平降低为低电平的时间，即为开关接通的维持时间，由C2和R5、R6的数值确定。
2.2声控灯的实现
图2.6为声控灯的仿真图，其中用5mv的交流信号源作为声音信号，将其与开关J1一同串接进声控电路，开关闭合表示有声音信号；在光敏电阻下并接两个阻值不同的电阻，开关J2与大电阻的串接模拟光线较暗时候，开关J3与小电阻串接模拟光线亮的时候，当开关J1与开关J2均闭合时，表示光线较暗且有声音，此时灯亮。
图2.6
2.3电路调试
在仿真完成后，对其进行功能测试，步骤如下：
1.断开光敏电阻，电容C1，与非门IC（a）的2脚为高电平，1脚为低电平，3脚输出为高电平，经IC（b）、IC（d）逻辑电平转换，IC11脚输出为低电平，晶闸管q不被触发，灯不亮。
2.断开三极管VT的集电极或发射极，同时断开光敏电阻，与非门IC（a）1,2脚为高电平，3脚输出为低电平，经IC（b）、IC（d）逻辑电平转换，
IC11脚输出为高电平，晶闸管q被触发，灯亮。
综上两步调试，图2.4工作正常。
3.断开光敏电阻，接通电源，这时灯不亮。
击掌触发声控电路，灯亮。
经过一段时间延时，灯灭，说明图2.3和2.5工作正常。
4.最后检查光控电路，电路全部复位，接通电源，灯不亮。
用深色物品将光敏电阻遮住，击掌触发声控电路，灯亮。
至此电路调试完毕。
2.4声控总结
声控的制作过程花的时间较长，刚开始研究原理图时参看了好多资料，包括模电课本，数电课本，查阅了一些器件的用法，如晶闸管，之后对原理图进行了仿真，仿真过程中对麦克风和光敏电阻进行模拟，仿真成功后开始制作电路板，然后进行调试，在调试过程中发现了好多问题:
电路没有焊好，有好几处虚焊的地方，芯片没有插好，晶闸管接反了，这些都导致电路没能完全工作，刚开始没有成功。
本次课设中R为2M固定电阻和1M的滑变，C为22uF的极性电容，延时时间理论上为44秒，而实际中为35秒左右，是因为开门晶闸管有一定的开门电压，同时与非门也有低电平限制，两者都限制了晶闸管的实际导通时间。
3.延时电路与交流开关：
由于需要的灯泡持续点亮时间并不是很长，大概3，40秒左右，所以考虑用一个电容控制开关的状态即可。
当夜晚无光时，电子开关打开时，C4连通，即开始充电。
当电子开关关闭后，C4开始放电。
图中C5为抗干扰电容，用于消除灯泡发光抖动现象。
R8、C5和单向可控制MCR、VD5~VD8组成延时与交流开关。
C4通过R8把直流触发电压加到MCR控制端，MCR导通，灯泡点亮。
可控硅作为开关元件的优点，属无触点开关元件，因此使用寿命长。
灯泡发光时间长短由C4、R8的参数决定。
电路图与工作原理
根据设计思路与大概电路的总结，得出总电路图，如下：
声光控照明节电开关电路原理图
工作原理：
当此电路周围有声音信号时，MIC将声音信号接收后经VT1放大，再经整流电路转变为电压信号。
当有光照照在光敏电阻RGM上时，其阻值变小，对直流控制电压衰减很大，导致VT2、VT3和R7、VD3组成的电子开关截止。
而C4中无电荷，使单向可控硅MCR处于截止状态，灯泡不亮。
→[结论1]有声音有光时，灯泡不亮。
同理：
当有声音信号传入而又无光照射在光敏电阻RGM时，RGM阻值很大，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C4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，灯泡点亮。
当C4中电荷放至零时，MCR回复截止状态，灯熄灭。
→[结论2]有声音无光时，灯泡亮。
当灯泡点亮过程中有新的声源出现时，C4会重新充电后重新放电，即重新计算点亮时间。
根据下表元件参数所致，灯泡亮的时长约为40秒左右。
如果需要改变灯亮时长，只需更改C4或者R8的参数即可。
元件清单表:
序号
型号或参数
作用
序号
型号或参数
作用
VT1
9014（NPN）
信号放大
R1
10KΩ
分压限流
VT2
9014（NPN）
开关
R2
2MΩ
基极偏置
VT3
9012（PNP）
开关
R3
47KΩ
集电极偏置
VD1
IN4148
整流
R4
300KΩ
限流
VD2
IN4148
整流
R5
4.7KΩ
偏置电阻
VD3
IN4148
和C4组成充电电路
R6
100KΩ
基极偏置
VD4
IN4001
检波
R7
10KΩ
偏置电阻
VD5～8
IN4004
整流
R8
240KΩ
放电延时
VW
稳压管
直流稳压12V
R9～10
51KΩ
降压
MCR
100-8
单向可控硅
RGM
光敏电阻
光控元件
BZ
<100W
灯泡
Mic
话筒
C1
1µF
偶合
C4
100µF
充放电电容
C2
1µF
偶合
C5
0.03µF
滤波
C3
0.1µF
滤波
C6
220µF
退偶电容
光控部分仿真图：
总结与心得体会
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，我们花了一个星期的时间进行传感器原理及应用的课程设计，而我设计的课题是声光控延时开关的设计，可以有效解决上述问题。
在本设计中介绍了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。
回顾起此次传感器课程设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到模拟实践，学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。
我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。
这次课程设计将我们学到知识应用到实践，深化了对传感器设计的认识，是我们从实践中获得新知。
本次设计还有很多的不足，做得比较辛苦效果也许不好，很多东西平时学得也不透彻，我觉得这次课程设计从每一个细节都在锻炼着我们。
我希望我们都能从中收获很多，能把知识变成自己的东西。
在设计过程中，通过查阅资料，阅读文献，我学到了很多切实有用的分析方法和技巧，这对于我以后的学习有很大的帮助。
这更使我认识到，学习学的是方法，设计学的是思想。
因此，要多总结别人的方法，来形成自己的思想，这样学到的东西才实实在在。
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