声光控制楼道灯设计项目报告.docx
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声光控制楼道灯设计项目报告
航运职业技术学院机电系
模块化课程项目研究报告
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一、引言
目前公共场所和居民居住区的公共楼道灯的控制主要采用，按钮式、触摸式和声光控制式。
按钮式开关控制的楼道灯,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。
触摸式的楼道灯开关，价格昂贵，而且用在公共楼道触摸的人比较多，易损坏，不卫生。
而声光控制式开关采用集成电路，是一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控楼道灯节能自动开关。
它能自动控制公共楼道灯白天开关、夜间闻声亮灯。
具有灵敏、低耗、性能稳定、使用寿命长、节能等特点。
这里介绍声、光空自动节能开关，综合了声、光控制、工作稳定、节电并可延长灯泡寿命。
在白天火光线较强的场合即使有较大的振动声响也能控制灯泡不亮；晚上或光线较暗遇到声响、振动后灯光自动点亮。
二、方案的论证
方案1主要由555集成块组成的声光延时电路，系统框图如下图：
主要包含四部份电路，分别为：
电源电路、光控电路、声控延时电路、晶闸管开关电路。
电源部分主要为控制电路提供工作电压，通过降压、整流、滤波、稳压，使电路输出12V直流电压供给控制电路。
光控电路是根据光线的强弱爱优先决定电灯的亮灭。
该电路可以对声控延时电路进行控制，光线较强时，光控电路输出低电平将声控电路封锁；光线较暗时，光控电路输出高电平，则声控功能打开。
采用光敏电阻和其他电阻组成的分压电路来控制555定时器的触发输入端2脚，并且将555定时器的2脚和6脚连接在一起，通过一电容接地，555定时器的输出控制声控电路的555定时器的复位端。
声控延时电路在白天，该电路在光控电路的控制作用下，处于关闭状态，，对任何声音信号都不响应；在晚上，光控电路将该电路的功能打开，使得该电路能根据外界声音信号作出相应的响应。
经放大处理后的声音信号控制处于单稳工作模式的555定时器来实现声控与延时功能。
晶闸管开关电路该电路受声控电路555定时器输出端的控制。
当其输出低电平时，晶闸管截止，由于照明灯与晶闸管串联，所以灯熄灭；当其输出高电平时，晶闸管导通，照明灯点亮。
继电器电路
放大电路
单稳态电路
方案2主要由三极管和继电器构成，主要由三部分电路组成：
放大电路、单稳态电路、继电器电路。
下面对其电路的工作原理作简单的分析。
MIC
MIC将声音信号转变成电信号，所转换的电信号很微弱，只有通过三极管VT1放大电路把微弱的信号进行放大后，才能去触发单稳态电路。
放大后信号中的负脉冲作用在三极管VT2的基极上时，可以使单稳态电路翻转。
电路中的电容C3是电源退耦滤波电容器。
在电路的稳态过程下，单稳态电路中的三极管VT2导通，三极管VT3截至。
三极管VT3的集电极为高电平，接在它上面的三极管VT4是PNP型三极管，所以三极管VT4没有导通，继电器不工作。
一旦有外界的声音来触发电路，单稳态电路中三极管VT2的基极受到负脉冲的作用而截至，单稳态电路处在了暂态的过程中。
这时三极管VT3导通，他的集电极电压下降，导致与它连接的三极管VT4也导通，继电器吸合。
由于单稳态电路的暂态时间是由电阻R3与电容器C2的参数决定的，所以十秒后单稳态电路会自动恢复到稳态过程下，继电器停止工作。
方案3主要由四与非门CD4011集成块构成，电路由直流供电电路、控制电路、延时电路三部分组成。
控制电路采用基本数字逻辑单元进行设计。
声控灯原理框图
直流供电电路
直流供电电路由D1-D4组成桥式整流电路。
交流220V电压经桥式整流桥后变成脉动的直流电，供后续电路工作。
控制电路
控制电路由四与非门CD4011、驻极体话筒BM、光敏电阻R5、三极管9014、单向可控硅SCR等元器件组成。
白天，由于光敏电阻R5阻值低，其两端电压低，CD4011的一脚为低电平，3脚即变成高电平，导致11脚为低电平，即单向可控硅控制极G为低电平，单向可控硅截止，灯泡不亮。
夜晚，由于光敏电阻没有受到照射，其阻值很高，两端电压较高，即1脚变成高电平，此时3脚的状态受1、2脚控制，若2脚为高电平，则3脚为低电平，若2脚为低电平，则3脚位高电平。
当驻极体接收到声音信号后，经C4的滤波，送一个信号到5、6脚，而4脚变为低电平，使得13脚变为低电平，11脚输出高电平，单向可控硅控制极变成高电平，单向可控硅导通，灯泡点亮。
当驻极体没有接收到声音信号时，11脚为低电平，灯泡不亮，工作原理类同白天情况。
延时电路
由C2、R7组成，通过C2的充放电来维持灯泡的点亮状态，延时的时间由C2的容量与R7的阻值来决定。
方案选择
由于方案一电路设计过于复杂，需要两个555计时器，并且需要变压器实现低电压来执行各个电路，所需要的元器件多，不易实现，可行性较差。
方案二由于采用了继电器电路中存在机械触点，易产生电弧，存在安全隐患。
而方案三设计简单，易实现，所用元器件少，可行性好。
故选择三号方案。
三、器件说明
元件介绍与其在该电路中组成的单元电路
电阻
英文名resistance，通常缩写为r，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。
电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“Ω”表示，表示电阻阻值的常用单位还有千欧（kΩ），兆欧（mΩ）。
电阻器的种类有很多，通常分为三大类：
固定电阻，可变电阻，特种电阻。
电容
电容器是“储存电荷的容器”,简称电容，用字母C表示。
尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是一样的。
两片相距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。
两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。
电容器也分为容量固定的与容量可变的。
但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。
在电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。
电容器的选用涉与到很多问题。
首先是耐压的问题。
加在一个电容器的两端的电压超过了它的额定电压，电容器就会被击穿损坏。
电阻和电容组成的延时电路
C2、R8组成的延时电路
二极管
半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。
半导体最重要的两种元素是硅和锗。
二极管最明显的性质就是它的单向导电特性，就是说电流只能从一边过去，却不能从另一边过来（从正极流向负极）。
二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。
根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。
光敏二极管组成的光控电路
光敏二极管也叫光电二极管。
光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。
无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。
当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。
当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。
这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。
因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
常见的有2CU、2DU等系列。
四个二极管组成的硅整流桥整流电路
晶闸管
可控硅也称作晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成的元件，有三个电极，阳极a，阴极k和控制极g。
可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。
在调速、调光、调压、调温以与其他各种控制电路中都有它的身影。
可控硅分为单向的和双向的，符号也不同。
单向可控硅有三个PN结，由最外层的P极和N极引出两个电极，分别称为阳极和阴极，由中间的P极引出一个控制极。
单向可控硅有其独特的特性：
当阳极接反向电压，或者阳极接正向电压但控制极不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极同时接正向电压时，它就会变成导通状态。
一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用，不论有没有控制电压，也不论控制电压的极性如何，将一直处于导通状态。
要想关断，只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向。
普通晶闸管的阳极与阴极之间具有单向导电的性能，其部可以等效为由一只PNP晶闸管和一只NPN晶闸管组成的组合管。
晶闸管控制电路
声控元件
本电路中采用驻极体话筒，驻极体话筒也称驻极体传声器，它是利用驻极体材料制成的一种特殊电容式“声—电”转换器件。
其主要特点是体积小、结构简单、频响宽、灵敏度高、耐震动、价格便宜。
驻极体话筒是目前最常用的传声器之一，在各种传声、声控和通信设备（如无线话筒、盒式录音机、声控电灯开关、机、手机、多媒体电脑等）中应用非常普遍。
常见的机装型驻极体话筒形状多为圆柱形，其直径有φ6mm、φ9.7mm、φ10mm、φ10.5mm、φ11.5mm、φ12mm、φ13mm……多种规格；引脚电极数分两端式和三端式两种，引脚形式有可直接在电路板上插焊的直插式、带软屏蔽电线的引线式和不带引线的焊脚式3种。
如按体积大小分类，有普通型和微型两种。
驻极体话筒的部结构和原理图:
驻极体话筒的工作原理：
当驻极体膜片遇到声波振动时，就会引起与金属极板间距离的变化，也就是驻极体振动膜片与金属极板之间的电容随着声波变化，进而引起电容两端固有的电场发生变化（U＝Q/C），从而产生随声波变化而变化的交变电压。
由于驻极体膜片与金属极板之间所形成的“电容”容量比较小（一般为几十波法），因而它的输出阻抗值（XC=1/2πfC）很高，约在几十兆欧以上。
这样高的阻抗是不能直接与一般音频放大器的输入端相匹配的，所以在话筒接入了一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。
通过输入阻抗非常高的场效应管将“电容”两端的电压取出来，并同时进行放大，就得到了和声波相对应的输出电压信号。
驻极体话筒部的场效应管为低噪声专用管，它的栅极G和源极S之间复合有二极管VD，主要起“抗阻塞”作用。
由于场效应管必须工作在合适的外加直流电压下，所以驻极体话筒属于有源器件，即在使用时必须给驻极体话筒加上合适的直流偏置电压，才能保证它正常工作，这是有别于一般普通动圈式、压电瓷式话筒之处。
部分常用驻极体话筒的性能参数表
根据电路分析选择上表中的加黑框的型号。
声控电路
CD4011
CD4011是CMOS电路，部是四个与非门，14个引脚，工作电压3~18V，频率约5MHz，输入/输出为CMOS电平。
CD4011引脚图
元件清单
LibRef
（元件名）
Designator
（元件序号）
规格
数量
PartType
（元件标注）
Footprint
（元件封装）
BRIDGE1
D1
4007整流桥
1
VD1~VD4
D-37
DIODE
VD5
4148二极管
1
DIODE
DIODE0.4
RES2
R1
180kΩ、
1
180kΩ
AXIAL0.4
RES2
R2
24kΩ、
1
24kΩ
AXIAL0.4
RES2
R3、R6
2MΩ、
2
2MΩ
AXIAL0.4
RES2
R4
120kΩ、
1
120kΩ
AXIAL0.4
RES2
R5
68kΩ、
1
68kΩ
AXIAL0.4
RES2
R7
6.2MΩ、
1
6.2MΩ
AXIAL0.4
RES2
R8
30kΩ、
1
30kΩ
AXIAL0.4
POT2
R9
100~50滑动变阻器
1
100~50
VR1
ELECTRO1
C1
100uF
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