声光控路灯控制电路的设计.doc
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信息职业技术学院
毕业设计说明书（论文）
设计（论文）题目:
声、光控路灯控制电路的设计
___________________________________
专业:
应用电子技术
班级:
应电11—3
学号:
姓名:
指导教师:
xx
二〇一三年十月十日
xx信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书
学生姓名
xx
学号
xx
班级
应电11-3
专业
应用电子技术
设计（或论文）题目
声、光控路灯控制电路的设计
指导教师姓名
职称
工作单位及所从事专业
联系方式
备注
xx
副教授/高级工程师
xx信息职业技术学院电子工程系
设计（论文）内容：
1．查阅相关资料，了解此方面的发展状况；
2．白天光照较强，电路处于关闭状态。
3．夜晚光线较暗，通过声音控制路灯打开并延时一段时间后关闭。
4．采用数字集成电路CD4011实现电路设计。
5．完成EWB对电路进行仿真和制作实物。
6．撰写设计报告
进度安排：
1．3～4周：
消化课题，收集相关资料，选择参考方案；
2．5～6周：
初步确定设计方案并熟悉部分器件的用途；
3．7～9周：
划分功能模块，设计单元电路；
4．10～11周：
分析电路原理，基本完成设计过程，撰写设计说明书初稿；
5．12～13周：
修改、完善设计电路，进行电路仿真；
6．14～15周：
按毕业设计的各项要求整理设计说明书并修改、完善，检查定稿；
7．16周：
熟悉设计全过程，准备答辩。
主要参考文献、资料：
［1］高吉祥．电子技术基础实验与课程设计．北京：
电子工业出版社，2002年．
［2］彭介华．电子技术课程设计指导．北京：
高等教育出版社，1997年．
[3]张毅坤、陈善久、裘雪红.单片微型计算机原理机及应用.1998年第一版.西安：
西安电子科技大学出版社.1998.8
[4]谭浩强.C程序设计.第2版.北京：
清华大学出版社.2005.6
审
批
意
见
教研室负责人：
年月日
备注：
任务书由指导教师填写，一式二份。
其中学生一份，指导教师一份。
xx信息职业技术学院毕业设计说明书（论文）
目录
摘要 1
第1章绪论 2
1.1声光控路灯电路的概述 2
1.2设计的目的与意义 2
1.3设计的内容 2
第2章系统方案论证 4
第3章单元电路图设计 6
3.1声控电路设计 6
3.1.1主要元器件介绍 6
3.1.2电路工作原理 6
3.2光控电路设计 7
3.2.1主要元器件介绍 7
3.2.2电路工作原理 7
3.3电平转换电路设计 7
3.4延时电路设计 8
3.4.1主要元器件介绍 8
3.4.2电路工作原理 8
3.5控制电路设计 8
3.5.1主要元器件介绍 8
3.5.2电路工作原理 9
3.6电源电路设计 9
第4章整机工作原理 10
第5章系统仿真与调试 12
5.1Multisim软件的介绍 12
5.2系统仿真元器件选择 13
5.3整机仿真调试 13
第6章设计原理及电路图 17
6.1PCB板的制作过程 17
6.2元器件的安放顺序 20
6.3焊接 21
6.3.1焊接的工艺要求 21
6.3.2焊接的操作 21
6.4实物 22
6.5实物调试 22
6.5.1静态调试 23
6.5.2动态调试 23
结论 24
致谢 25
参考文献：
26
附录1整机电路原理图 27
附录2元件明细表 28
-II-
信息职业技术学院毕业设计说明书（论文）
摘要
本声光控制开关的设计目的是为了解决长明灯及开关麻烦所造成的能源浪费而设计出了利用声光来控制照明灯开关的电路。
当白天光照很好时，不管室内发出多大声音，都不会使灯泡发亮。
当夜晚光暗时，有人经过时，电路只要检测到有声音信号，就会自动发亮照明，当人离开后又自动熄灭。
本文介绍的是具有延时控制功能的照明灯，它是具有声光控制功能的节能灯头。
结构简单，体积小巧，使用方便，性能可靠。
文中介绍它的组成、功能、工作原理。
是一种十分实用的节能照明灯电路，不仅实用于家庭楼道，也同样实用于公共厕所、公共走廊、住宅区、工厂、学校走廊的公共照明。
关键词声控；光控；延时；照明灯
第1章绪论
1.1声光控路灯电路的概述
随着传感器技术的不断成熟，国内外已经将传感器技术列为优先发展的科技领域之一，声光传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。
为此我们设计了声光控路灯电路，这是一种电路新颖、安全省电、结构简单、安装方便、使用寿命长的声光双控路灯开关。
本声光控制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、大饭店楼道及家庭走廊应用，在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等因素，根据我国情,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。
1.2设计的目的与意义
1.学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握数字电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与实物调试能力。
2.学会声光控延时路灯电路的设计方法和性能指标测试方法。
3.进一步了解声光控延时路灯组成框图和各个单元工作原理及相互联系。
4.培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。
5.提高自己对文献资料的搜索和信息处理能力。
1.3设计的内容
设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。
其设计内容主要包括以下几个部分：
1.系统方案；
2.单元电路的设计；
3.整机电路工作原理；
4.电路的仿真与调试；
5.原理图的设计与制作；
第2章系统方案论证
设计的方案有以下二种：
（1）系统方案一：
含555定时器、光敏三极管、双向可控硅的声光控电路
简要分析其优点：
此声、光同时控制的新式照明灯用光敏三极管的输出端控制555的触发控制端，用音频放大电路控制555的复位端。
555定时器接成单稳态触发器，控制双向可控硅，简单易制、成本低、节电又方便。
原理图设计：
设计中考虑到光敏电阻的阻值随电压升高有规律的下降，而蜂鸣器则用驻极体话筒代替。
具体原理如图2-1所示:
C
+10V
晶体管B2
555
定时器
可控硅
R
电位跟随器
光敏管
话筒
晶体管B1
2
3
6
1
4
7
8
照明灯
如图2-1方案一原理框图
555定时器接成单稳态触发器，控制双向可控硅，当555定时器输出高电平，触发可控硅导通，灯泡亮，当555定时器输出低电平时，可控硅未导通，灯泡灭。
电路由l0V稳压直流电源供电。
为使声光同时控制，将光敏三极管的输出端控制555的触发复位端，音频放大电路控制555的触发端。
缺点：
在：
该电路在声强>50dB时，对照明灯的有效控制率高于94％，过于敏感。
很小的声音也会促使灯发光，会造成能源的浪费。
（2）系统方案二：
声光控开关ICCD4011应用电路
简要分析其优点：
其采用集成块ICCD4011，制作起来成本低、并且节电又方便。
同时，对声音的灵敏度适中，并且原件容易设计。
具体原理如图2-2所示:
声控电路
光控电路
电平转换
延时电路
控制电路
电源电路
如图2-2方案二原理框图
小结：
在综合了以上二种电路的优缺点后，我们决定采用第二种方案。
第3章单元电路图设计
3.1声控电路设计
3.1.1话筒介绍图3-1驻极体话筒电路结构
图3-1驻极体话筒结构
（a）驻极体话筒实物
C1
MIC
图3-2声控模块电路图
R1
R2
R3
如图3-1所示是驻极体话筒的结构；驻极体话筒属于电容式话筒的一种，它是在电容器金属极板之间加上一层驻极体薄膜，作为电介质。
当薄膜受声波作用而振动时，就引起电容量的变化，并在极板间产生电荷。
如果施以直流电源电压，即可输出音频信号，实现声－电转换。
具有体积小。
3.1.2电路工作原理
如图3-2所示，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Q1放大，而在本电路中为了获得较高的灵敏度，三极管Q1的β值选用大于100，更利于信号放大。
而三极管Q1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Q1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Q1放大后的电信号将从集电极流入下级单元电路。
Rp
2
1
VT1
R4
RG
3-3光控模块电路图
3.2光控电路设计
3.2.1主要元器件介绍
光敏电阻介绍：
光敏电阻是一种利用内光电效应制成的光电器件。
它具有精度高、体积小、性能稳定、价格低等特点，光敏电阻的符号如图3-1所示：
图3-1光敏电阻
3.2.2电路工作原理
如图3-3所示，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，即相当于导线。
当MIC周围没有声音信号时，各部分电路都不工作，灯泡不亮，当MIC周围有声音信号时，声音放大电路将工作，经过CD4011驱动之后输出低电平，继电器没吸合灯泡同样不会亮。
3.3电平转换电路设计
本电路图在通过放大时也需要驱动电路并且和声光控开关同事运用，因此采用CD4011，如图3-4所示：
11
13
12
9
10
8
4
5
3
IC1D
IC1B
IC1C
IC1A
VD1
6
6
1
2
3-4电平转换模块电路图
1
2
3
4
5
6
7
14
13
12
11
10
9
8
1A
1B
1Y
2Y
2A
2B
VSS
3A
3B
3Y
4Y
4A
4B
VDD
b图CD4011引脚
a图CD4011内部逻辑结构
3-5CD4011结构图
四2输入与非门CMOS芯片
逻辑表达式：
Y=A.B
真值表
A=Y.B
X
Y
Q
动作
0
0
?
禁止
0
1
1
设定
1
0
0
重置
1
1
不变
无
图3-6CD4011引脚功能图及引脚：
引脚
符号
功能
引脚
符号
功能
1
1A
数据输入端
8
3A
数据输入端
2
1B
数据输入端
9
3B
数据输入端
3
1Y
数据输出端
10
3Y
数据输出端
4
2Y
数据输出端
11
4Y
数据输出端
5
2A
数据输入端
12
4A
数据输入端
6
2B
数据输入端
13
4B
数据输入端
7
VSS
地
14
VDD
电源正
4
5
3
IC1B
IC1A
VD1
6
6
1
2
R5
C2
3.4延时电路设计
3.4.1主要元器件介绍
电阻，电容：
起充放电和记时的作用
3.4.2电路工作原理
IC1C
VD3
R6
K
VD2
13
12
11
9
10
8
IC1D
3-6延时模块电路图
如图3-6所示，当声音消失后需要灯泡延时亮一定时间，在本电路图中采用RC延时电路，延时时间为T=RC，时间的长短取决于，RC的大小。
3.5控制电路设计
3.5.1主要元器件介绍
1.继电器介绍
3-7控制模块电路图
（1）结构：
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的（如图3-7.1）
图3-7.1继电器结构图
（2）原理：
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
2.发光二极管：
此二极管在这起指示的作用，能很好的显示电路的状态。
3.5.2电路工作原理
工作原理：
如图3-7所示，当驱动部分的信号输入继电器时，通过加在继电器上的电压所产生的一个电磁场来使继电器吸合，通断并起到控制效果。
C4
C3
R7
3.6电源电路设计
3-8电源模块电路图
工作原理：
如图3-8所示，当市电加入时经过滤波稳压得到平滑的直流电为各个部分的电路提供工作电压。
第4章整机工作原理
本电路为声光控制节电开关。
白天，当光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。
夜晚，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
C4
C3
R7
R2
L
Rp
13
12
11
9
10
8
4
5
6
2
3
IC1D
1
IC1B
IC1C
IC1A
VD3
R6
VD1
C1
VT1
R3
R4
MIC
R5
C2
RG
LED
R1
K
220V
50Hz
VD2
VD4
图4-1整机电路原理图
控于声控部分。
电路是否接通，取决于声音信号强度。
当声音强度达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间结束后开关自动关断。
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Q1放大，传入光敏电路中。
在光敏电路中光敏电阻RG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，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Q1放大。
当灯泡点亮过程中有新的声源出新时，C2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间长短，只需要更改C2或者R4的参数即可。
第5章系统仿真与调试
5.1Multisim软件的介绍
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
图5-1Multisim软件的工作界面
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
NIMultisim10具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。
NIMultisim10可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工学、模拟电路、数字电路、射频电路及微控制器和接口电路等。
可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路工作状况。
在进行仿真的同时，软件还可以存储测试点的所有数据，列出被仿真电路的所有元器件清单，以及存储测试仪器的工作状态、显示波形和具体数据等。
利用NIMultisim10可以实现计算机仿真设计与虚拟实验，与传统的电子电路设计与实验方法相比，具有如下特点：
设计与实验可以同步进行，可以边设计边实验，修改调试方便；设计和实验用的元器件及测试仪器仪表齐全，可以完成各种类型的电路设计与实验；可方便地对电路参数进行测试和分析；可直接打印输出实验数据、测试参数、曲线和电路原理图；实验中不消耗实际的元器件，实验所需元器件的种类和数量不受限制，实验成本低，实验速度快，效率高；设计和实验成功的电路可以直接在产品中使用。
5.2系统仿真元器件选择
MIC用函数信号发生器和一个开关（A）来代替，当没有人说话的时候，将其频率调到最大，反之增大频率，RG用一般开关（B）代替，YFA-YFD用一片低工耗COMS四与非门电路CD4011，T1用9013低频管，放大倍数越大灵敏度越高，D1、D3用IN4148，C2、C3用电解电容，电阻均为1/8w炭膜电阻，阻值按图。
电灯的功率不能超过25W。
5.3整机仿真调试
（1）无声有光情况（正常）
将连接好的电路原理图对照设计的电路图认真核对一遍,若无错误（阻值的大小，导线连接短路等）现象，当将开关（A）断开，开关（B）闭合时，打开又上脚的run开关，发现灯泡并不亮，如下5-2图：
图5-2有光无声仿真图
（2）无光（光线暗）无声
即Y=A&B（Y=0&1=0）,此时灯泡应该不亮，（Y为满足条件，A闭合代表声音，B断开代表光线，“1”表示满足条件“0”则反之）当光线暗与上有声时才为真
（1），开关（B）断开，开关（A）也断开，此时发现灯泡不亮。
如下5-3图：
图5-3无光无声仿真图
（3）有光（光线强）有声
即Y=A&B（Y=1&0=0）,此时灯泡应该不亮，将A开关和B开关都闭合。
此时灯泡也不亮。
如5-4图所示：
图5-4有光有声仿真图
（4）无光有声
即Y=A&B（Y=1&1=1）,此时灯泡应该亮，将A开关闭合，B开关断开。
此时灯泡亮。
如下图5-5所示：
图5-5无光有声仿真图
仿真结论说明：
通过multisim软件的仿真证明了：
声光控路灯控制电路的应用以及功能。
只有当光线暗且有声音信号的同时，灯泡才会发亮，也就是当MIC接收到声音后转为电信号，经电容耦合，三极管放大信号，经延时电路延时，灯泡被点亮，亮30秒钟左右灯泡熄灭。
其余情况下灯泡不亮。
同时经过仿真也证明了应用积分电路来延时，效果十分的理想。
第6章实物制作
6.1PCB板的制作过程
Protel公司2001年正式推出了功能强大的EDA综合设计环境Protel99SE，它具有原理图设计、印制电路板设计、电路仿真及逻辑器件设计等功能。
所以在本次的毕业设计中也采用软件Protel99SE对电路进行设计和印制电路板的设计。
在设计中，运用Protel99SE软件进行原理图绘制及印制电路板的设计，其中在用软件进行PCB板设计的主要过程为以下步骤。
设计步骤：
绘制电路原理图—PCB电气规格检查及标注调整—生成网络表—建立PCB文件、定义电路板—加载PCB元件库—加载网络表—元件布局—设计规则设置—自动布线—人工布线调整—打印PCB样图。
1.编辑原理图及其一些相关工作
1）打开Protel99SE，新建一个ddb文件，并起名为xx/声光灯控制电路.ddb。
在Documents内在选择SchematicDocument并打开生成一个声光控原理.Sch（原理图编辑器）。
按照设计好的设计图绘制好的PCB原理图如6-1图所示：
并将其保存。
图6-1数据库显示图
2）制作库文件
新建一个声光控.Lib（原理图库文件），具体如6-2图所示：
图6-2光敏电阻
3）制作PCB库文件
新建一个声光控电路.LIB（PCB库文件），具体如6-3图所示：
图6-3元器件封装图
2.电气法则测试
在原理图编辑器中，执行菜单命令工具/ERC，按OK键生成测试结果，如6-4图所示：
图6-4电气检测报告图
报告中显示没有错误，说明我们并没违反电气法则。
3.创作网络表文件
在原理图编辑器中，执行菜单命令设计/CreateNetlist，按OK键生成网络表文件，如6-5所示
图6-5生成网络表报告图
4.载入网络表和元器件封装
新建一个声光控电路.PCB（PCB设计文件）文件，在PCB编辑器中，执行菜单命令设计/LodeNets，导入网络表，如6-6图所示：
图6-6载入网络表报告图
确认无误。
5.制作PCB板
按下编辑后，经过规划PCB,放置螺丝孔和电源接线铜柱,从原理图加载网络表和元件到PCB,通过Room空间移动元件,手工布局调整（通过旋转元件进行，注意减少飞线的交叉）,覆铜等一系列处理后，等到如图6-7所示：
图6-7PCB板图
并将其保存。
6.2印刷板制作工艺流程
工艺程序：
确定整板周边尺寸—贴热转印纸—热转印—去除热转印纸—腐蚀—清洗—细砂纸擦光亮—涂松香水—钻孔定位—检查电路线。
1.将符合尺寸要求的覆铜板表面用细砂纸擦光亮,再用热转印纸粘贴到覆铜板上。
2.贴热转印纸，贴完热转印纸后，应在板上垫放一张厚张，用手掌在上面压一压，其目的是使全部热转印纸与复铜板粘贴得更加牢靠，便于热转印。
3.将已经贴好热转印纸的覆铜板用热转印机进行电路板的热转印，使热转印机的工作温度控制在150度左右，让热转印纸上的电路图充分的附着在覆铜板上。
4.将转印好的覆铜板经冷却以后，去除热转印纸（注意不要损坏转印好的电路）。
5.腐蚀过程一般采用三氯化铁作腐蚀液，腐蚀速度与腐蚀液的浓度、温度及腐蚀过程中不断的抖动有关，为保证制板质量及提高腐蚀速度，可采用抖动和加热的方法。
6.将已经腐蚀好的印制板用清水冲洗，去掉残留在印制板上的三氯化铁腐蚀液，再晾干。
用细砂布将印刷板复铜面擦至光亮为止，然后立即涂上松香溶液，晾干。
（涂松香水时应将印刷电路板倾斜再涂上松香水）。
7.将晾干的印制板用直径1.0mm钻头的钻孔机钻孔、定位，完成后检查电路线。
6.2元器件的安放顺序
电路板上元器件的安装顺序应该以前道工序不妨碍后道工序为原则，一般是先装低矮的小功率卧式元器件，然后装立式元器件和大功率卧式元器件，再装可变元器件、易损元器件，最后装带散热器的元器件和特殊元器件。
印制电路板的装配是整机质量的关键，装配质量的好坏对功放的性能有很大的影响。
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