脚步声控制照明灯.docx

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脚步声控制照明灯

无锡工艺职业技术学院

毕业设计

题  目：

 脚步声控制照明灯

系   部：

   电子信息系    

专   业：

学   号：

学生姓名：

指导教师：

   鲍小谷     

2010年2月 25日

目 录

摘  要 3

一．引言 4

二 .方案设计原理图 5

三.各单元的设计分析 6

3．1声控照明电路 6

      3.  1.  1   声控照明电路...........................................................................................6

3．1．2 声音传感器有关简介 7

3．1．3 CMOSD触发器的工作原理 8

3．2光控照明电路 10

   3. 2.1   光控照明电路..............................................................................................10

3.2.2 光敏电阻器的有关知识 12

3．3人体触摸控制 14

3．4延时电路 14

3.5继电器线圈驱动器 16

四.总电路图的分析 16

总结语 20

致  谢 21

参考文献 22

摘  要

目前市场上所遇到的自熄开关主要有声光控延时开关，天黑以后，当有人走过楼梯通道发出脚步声或主要有声光控延时开关其它声音时，楼道灯会自动点亮提供照明，当人们走过楼道延时几秒钟后会自动熄灭。

在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，即可以达到节能的目的，但在有光无声的状态下开灯检查却不行。

我设计的声、光、触摸三控延时电路就解决了这个问题，本人设计的是一款数字集成电路为主要元件制作的声、光控制及人体触摸控制的延时照明灯电路。

将该装置安装在楼道、走廊或卫生间等场所，在夜间，有人走动或发声时，灯会自动点亮延时数秒后自动熄灭。

在白天，若触摸电极片M,则自动灯会受触发而点亮。

关键词:

光控  声控 传感器  节能 触摸控制

一．引言

国标GB50096-1999《住宅建筑设计规范》规定，住宅中公共部分应设人工照明，除高层住宅的电梯厅和应急照明灯外，均应采用节能自熄开关。

采用自熄开关的主要目的是改善人们的居住环境及节能。

目前市场上所遇到的自熄开关主要有声光控延时开关，天黑以后，当有人走过楼梯通道发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮提供照明，当人们走过楼道延时几秒钟后会自动熄灭。

在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，既可以达到节能的目的，但在有光无声的状态下开灯检查却不行。

我设计的声、光、触摸三控延时电路就解决了这个问题，在任何状态下用手摸到触摸开关铜片，人体的静电感应电压经电子线路放大后就能将开关启动。

实际使用价值更大。

当今世界在以电子信息技术为前提下推动了社会跨跃式的进步，科学技术的飞速发展日新月异带动了各国生产力的大规模提高。

由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子信息技术更显得尤为重要，在国民生产各部门电子信息技术得到了广泛的应用。

曾经不被人们所重用的如声音，光等如今在电子信息技术方面都得到了广泛的应用，尤其是光能更是人们有待开发的具大的能源宝库。

电子信息技术发展的主要目标是实现高度智能化，在减少以至不需要人为干预下使机器能独立处理各种工作。

智能化照明电路也是如此，如我们所熟知的走道照明电路其智能化实现方法是利用了声学·光学·电子学·原理的综合；而马路上的路灯是应用了光学的原理；另一个我们所知的交通系统红绿灯则是采用了电子学中计数器的原理。

可见原理不同电路所实现的功能也不尽相同，以下将对其进行逐一分析。

二 .方案设计原理图

根据本设计的需要，由本原理框图介绍:

由声、光控制及人体触摸控制的延时照明灯电路,该声、光、触摸三控延时照明灯电路由电源电路、声控电路、触摸控制电路、延时电路、继电器驱动电路等组成。

三.各单元的设计分析

3．1声控照明电路

3．1．1声控照明电路

声音是我们最为熟知的。

人与人需要用声音去交流，机器运转发出声音，动物会发出声音等等。

我们常见的电路都有很多开关如照明电路要让它工作我们必须机械地去控制它，这对于当今社会各种各样的智能化建筑如智能办公楼，智能化公寓等是非常不实用的；在这种情况下声音就派上了用场，声控作为智能化电路的一部分是一可缺少的；然而要实现声控也不是一件容易的事，因为声音是一模拟量且非电信号无法在数字电路中使用，所以我们在设计声控电路时就面临怎样把模拟量转化为数字量，把声音信号转化为电信号的问题。

要解决这个问题我们可以设计一个类似于‘窃听器’的接收设备专门用来接听声音信号并将声音信号转化为电信号转送到下一级电路。

但是作为声控电路对声音信号的要求既不能太强也不能太弱，太强声控难以实现；而太弱电路结构复杂也难以实现，所以最好是能接收到如人的讲话声，脚踏地板声。

当这类信号转化为电信号时，电信号一般较弱，必须对其进行放大对此可选择功放电路，运放电路，差分电路等，根据电路对信号的要求一般选择运放电路较好，提高信号输出电压。

经过这一步实现了声音信号到电信号的转换。

有了电信号实现声控就容易了，我们可以让产生的电信号去触发触发器使电路导通。

对于这样的电路设计对外加电源的要求必须稳定，不断电，故最好再为其设计一个稳压电路这样才能使电路稳定工作。

而对元器件的要求也较高，特别是半导体器件必须保证灵敏度高，各电参数精确稳定，这样电路才能高效地工作。

如今对于这样的电路设计我们以不必为其烦恼，因为有了声音传感器，可以直接将声音信号转换为电信号，大简化了电路结构，使声控电路的设计显得更加容易。

下面就运用声音传感器设计的声控照明电路加以分析：

　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转换成电信号从而推动触发器触发使电路导通工作。

　　作为一个智能化声控照明电路应具有以下功能：

①能在声音的控制下实现电路的导通与截止。

②声音的发出应是多方面的如脚步声，物体打击声等。

③响应时间应越短越好。

为此在选择电路元器件时应选择灵敏度较高的声音传感器组成声控照明电路控制电路的前端，同时我们还要为该传感器设置传感条件如声音响度必须在20DB以上才能响应等。

中间端采用触发器构成，利用触发器不触不发，一触即发的特点去推动照明电路工作，触发器的选择也应选择灵敏度高，响应时间短的触发器如D触发器，JK触发器等。

声控方式 

　　声控就是用声音去控制对象动作，一般采用驻极体话筒或压电陶瓷片作为传感元件来拾取声音，通过电路放大驱动后级电子开关动作。

为防止外界音频干扰，可以采用超声波控制，但也有故意选用声频来进行控制的声控开关是由声音控制的电源开关。

将声控开关电路组装到灯具中，就可以利用口哨声或击掌声控制电灯的开与关，不必再安装开关。

将声控开关应用于楼道等公共部位，可实现照明的智能控制，只在夜晚有人走动时才自动开灯，人走后即自动关灯，既满足了照明的需要，又最大限度地节约了电能。

3．1．1声音传感器有关简介

1.概述

声音传感器的作用相当于一个话筒（麦克风）。

声音传感器使用的是与人类耳朵相似具有频率反应的电麦克风。

它用来接收声波，显示声音的振动图象。

但不能对噪声的强度进行测量。

声音信号转换为电信号的一类传感器常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感器。

通常声音传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。

声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。

这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给计算机。

声音传感器在现实生活一直军事中都发挥着相当大的作用。

声音传感器在汽车防盗及航空探测等方面都有涉及，声音传感器的对声纳系统的改进也贡献不小。

2.元器件的组成

声音传感器主要由驻极体话筒组成，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。

3．1．2CMOSD触发器的工作原理                        

   CMOSD触发器足主-从结构形式的一种边沿触发器,CMOST型触发器、JK触发器、计数单元、移位单元和各种时序电路都由其组成,因此仪以CMOSD触发器为例进行说明。

   图1是用CMOS传输门和反相器构成的D触发器,反相器G1、G2和传输门TG1、TG2组成了主触发器,反相器G3、G4和传输门TG3、TG4组成了从触发器。

TG1和TG3分别为主触发器和从触发器的输入控制门。

反相器G5、G6对时钟输入信号CP进行反相及缓冲,其输出CP和CP′作为传输门的控制信号。

根据CMOS传输门的工作原理和图中控制信号的极性标注可知,当传输门TG1、TG4导通时,TG2、TG3截止;反之,当TG1、TG4截止时,TG2、TG3导通。

   当CP′=0,CP′=1时,TG1导通,TG2截止,D端输入信号送人主触发器中,使Q′=D,Q′=D,但这时主触发器尚未形成反馈连接,不能自行保持。

Q′、Q′跟随D端的状态变化;同时,由于TG3截止,TG4导通,所以从触发器形成反馈连接,维持原状态不变,而且它与主触发器的联系被TG3切断。

   当CP′的上升沿到达（即CP′跳变为1,CP′下降为0）时,TG1截止,TG2导通,切断了D信号的输入,由于G1的输入电容存储效应,G1输入端电压不会立即消失,于是Q′、Q′在TG1截止前的状态被保存下来;同时由于TG3导通、TG4截止,主触发器的状态通过TG3和G3送到了输出端,使Q=Q′=D（CP上升沿到达时D的状态）,而Q=Q′=D。

   在CP′=1,CP′=0期间,Q=Q′=D,Q=Q′=D的状态一直不会改变,直到CP′下降沿到达时（即CP′跳变为0,CP′跳变为1）,TG2、TG3又截止,TG1、TG4又导通,主触发器又开始接收D端新数据,从触发器维持已转换后的状态。

可见,这种触发器的动作特点是输出端的状态转换发生在CP′的上升沿,而且触发器所保持的状态仅仅取决于CP′上升沿到达时的输入状态。

正因为触发器输出端状态的转换发生在CP′的上升沿（即CP的上升沿）,所以这是一个CP上升沿触发的边沿触发器,CP上升沿为有效触发沿,或称CP上升沿为有效沿（下降沿为无效沿）。

若将四个传输门的控制信号CP′和CP′极性都换成相反的状态,则CP下降沿为有效沿,而上升沿为无效沿。

下面以CP上升沿为有效触发沿进行分析。

。

3．2光控照明电路

在第三次科技革命的推动下，光能这一伟大的，自然的以及人类生存所必须的宝贵资源在被人类遗忘了若干年后，今天终于得到了广泛的应用。

作为智能化电路的设计考虑光能的应用也是理所当然的。

在半导体技术的飞速发展下大促进了光能应用的快速进步，在发电，取暖等方面尤为突出，智能化电路设计引进光技术已不是新奇事了，在光控电路的设计中不同于声控电路复杂的结构，随着半导体光敏元器件的快速发展，我们在设计光控电路时面临的问题已由怎样使光信号转化为电信号变为怎样在电路中加大电信号的强度？

这一问题如今也以得到了较好的解决，光敏元器件的应用在光照的情况下使其电参数发生变化从而使其对电流的阻碍作用减小或增大，进而使电路导通或截止，电信号强弱的改变光控转化为电控电路功能的实现便容易了。

在这样的电路设计中，对电路元器件的要求也极为高尤其是光敏元件是光控电路功能实现的核心，必须保证其各项参数的精确，稳定。

故在选择这类元器件时一定要选择高灵敏度工作稳定可靠的元件，并不仅仅只和电路元器件有关，外加电源也是不可忽视的，与声控电路一样最好也是给光控电路加上一个稳压电路确保电路能正常工作。

现就采用光敏元件设计光控照明电路作如下分析：

　　电路原理：

利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定程度将触发触发器使其导通工作。

光控照明电路其主要功能是实现当外界光照强度降低到一定程度时，使照明电路导通工作。

就其方案而言多种多样，但我们在设计时必须要考虑方案的可行性，稳定性以及元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的这样电路功能才能较容易实现，为此我们在设计光控电路时，不但要尽量使电路结构简化，而且要使电路功能强，功能的实现要可靠稳定。

光控方式    

　　简单的单通道光控电路是利用光敏管受光以后内阻发生变化使电子开关的状态发生变化，传感器有光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻、光敏电池等等。

这个光源既可以是可见光，也可以是红外线等不可见光源，不同光敏元件有着不同的光谱。

复杂一些的光控电路则能够完成多通道开关或模拟量变化控制，应用极其广泛，可以说家家都有。

现在有许多居民楼的走廊照明灯都采用了光控与声控相结合的电路，利用路过的人发出的脚步声、谈话声或其他声音去触发照明灯的声控电子开关，用光控电路使得照明灯在白天自动关闭停止响应。

光控电子开关，它的“开”和“关”是靠可控硅的导通和阻断来实现的，而可控硅的导通和阻断又是受自然光的亮度（或人为亮度）的大小所控制的。

该装置适合作为街道、宿舍走廊或其它公共场所照明灯，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。

                                                                                                         3.2.1 光敏电阻器的有关知识   

光敏电阻器是一种对光敏感的元件，它的光传感器主要由光敏元件组成。

目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。

市场出售的有光敏电阻器、光电二极管、光电三极管、光电耦合器和光电池等。

光敏电阻器

光敏电阻器由能透光的半导体光电晶体构成，因半导体光电晶体成分不同，又分为可见光光敏电阻（硫化镉晶体）、红外光光敏电阻（砷化镓晶体）、和紫外光光敏电阻（硫化锌晶体）。

当敏感波长的光照半导体光电晶体表面，晶体内载流子增加，使其电导率增加（即电阻减小）。

电阻值能随着外界光照强弱（明暗）变化而变化。

光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示，图1-25是其电路图形符号。

（一）光敏电阻器的结构、特性及应用

1．光敏电阻器的结构与特性光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基（或

树脂防潮膜）和电极等组成，如图1-26所示。

光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。

它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。

2．光敏电阻器的应用光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。

图1-27是光敏电阻器的应用电路。

光敏电阻器的结构、特性及应用

1．光敏电阻器的结构与特性光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成，如图1-26所示。

光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。

它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。

2．光敏电阻器的应用光敏电阻器广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自动调节，照相机中的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。

图1-27是光敏电阻器的应用电路。

3．5人体触摸控制

  人体触摸控制是通过人体接触触摸片经输入缓冲级的放大、整形。

电路的基本工作原理为：

人体带电与市电同频，当人体接触触摸片时，经输入缓冲级的削波、放大、整形，成为标准的MOS电平。

触摸持续时间大于32毫秒、小于332毫秒时，控制逻辑部分控制电路呈开关工作状态。

当触摸持续时间大于332毫秒时，控制逻辑部分控制电路呈调光工作状态，输出触发脉冲相位角在41°～159°之间连续周期变化，并根据人眼的感受力，分为快、慢和暂歇三个过程。

当触摸结束时，亮度记忆对该时相位角进行记忆，若再施与大于32毫秒、小于332毫秒的触摸，电路呈关状态时，相位角仍由该部分记忆，保证电路在下一次开状态时，保持原选定相位角，光源保持原亮度。

触发脉冲与市电的同步，由锁相环保证电路的工作时钟，也均由其产生。

同时，电路还具有遥控（即远端触发）功能和渐睡（即由亮至暗，最后关闭）功能，其延续时间由外电路设置。

3．4延时电路                                                                                                    

电路的延时有电容充电延时和电容放电延时,本延时电路采用了电容的放电过程,电容放电使得可控硅还有着维持导通的电平,从而达到延时的目的。

而本人设计的电路中延时电路是通过电容器的放电而起到延时的效果。

1、电容器的定义  所谓电容器就是能够储存电荷的“容器”。

只不过这种“容器”是一种特殊的物质——电荷，而且其所存储的正负电荷等量地分布于两块不直接导通的导体板上。

至此，我们就可以描述电容器的基本结构：

两块导体板（通常为金属板）中间隔以电介质，即构成电容器的基本模型。

C=Q/UC=ε0εrS/D

 2、电容器的作用

 电容器在电子线路中的作用一般概括为：

通交流、阻直流。

电容器通常起滤波、旁路、耦合、去耦、转相等电气作用，是电子线路必不可少的组成部分。

在集成电路、超大规模集成电路已经大行其道的今天，电容器作为一种分立式无源元件仍然大量使用于各种功能的电路中，其在电路中所起的重要作用可见一斑。

作贮能元件也是电容器的一个重要应用领域，同电池等储能元件相比，电容器可以瞬时充放电，并且充放电电流基本上不受限制，可以为熔焊机、闪光灯等设备提供大功率的瞬时脉冲电流。

电容器还常常被用以改善电路的品质因子，如节能灯用电容器。

（1）隔直流：

作用是阻止直流通过而让交流通过。

（2）旁路（去耦）：

为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。

（3）耦合：

作为两个电路之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路

（4）滤波：

将整流以后的锯齿波变为平滑的脉动波，接近于直流。

（5）温度补偿：

针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。

（6）计时：

电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。

（7）调谐：

对与频率相关的电路进行系统调谐。

（8）整流：

在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。

（9）储能：

储存电能，用于必须要的时候释放。

电容器的基本作用既是充电和放电，于是直接利用此充电和放电的功能便是电容器的主要用途之一。

如上图电容器通过放电延时,电容电压等于零，当开关闭合，通过电源电压电容器充电，时间t趋于零；当开关断开，电容器断开电容器对电阻放电。

3.5  继电器线圈驱动器

继电器是一种在特定形式的输入信号达到规定要求是动作的自动控制电器，主要用来反映各种控制信号的大小。

本设计通过继电器控制的常开触点吸合与关闭，继电器线圈驱动器电路如图7所示。

IN1-IN4上的输入信号由MCU提供，继电器晶体管集电极连接一个退磁二极管。

由STCC05-BD4的脚RL1、RL2和RL3驱动继电器线圈，该线圈的最小电阻为580Ω，VPS=12V的功耗为0.25W。

以上特性相当于3A的继电器，如VTR-F3AA-12V或JQ1A-12V系列。

RL1-RL3脚能分别输出50mA的驱动电流。

图7继电器线圈驱动器

四.总电路图的分析

     本文介绍由声、光控制及人体触摸控制的延时照明灯电路。

将该装置安装在楼道、走廊或卫生间等场所，在夜间，有人走动或发声时，灯会自动点亮延时数秒后自动熄灭。

在白天，若触摸电极片M，则自动灯会受触发而点亮。

本例介绍的声、光、触摸三控照明灯

（二）是一款简单、实用的照明灯控制电路，即可以由声、光控制，也可以由人体触摸控制。

将该装置安装在楼道、走廊或卫生间等场所，在夜间光线暗时，有人走动或发声时，灯会自动点亮并延时数分钟后方自动熄灭。

在白天，若触摸电极片M，则照明灯也会受触发而点亮。

工作原理

声、光、触摸三控照明灯

（二）的电路原理图如图所示，整个控制电路由电源、声控制、光控制、触摸控制、延时、继电器驱动等电路部分组成。

交流220V电压经电源变压器T降压、整流桥堆UR整流、C4滤波及IC1稳压后，在C5两端产生5V直流电压，供给继电器和整个控制电路使用。

接通电源后，整个控制电路工作在待机状态，非门D5输出低电平，使晶体管VT截止，继电器K的常开触点不吸合，照明灯EL不亮。

当有人走近照明灯或有声响发出时，传声器BM将声音信号变换成电信号，此电信号经非门D1构成的交流线性放大器放大后，经非门D2反相后输出高电平，使非门D3的输出端变为低电平，二极管VDl导通，非门D5的输出端变为高电平，使晶体管VT饱和导通，继电器K的常开触点K1吸合，照明灯EL发光。

在白天，即使有人脚步声或其他声响，也不会有高电平加人非门D3的输人端，因为光敏电阻器RL受光照而电阻值变小，非门D3的输人端始终为低电平，输出端也保持高电平，二极管VDI和晶体管VT均处于截止状态，照明灯EL不亮。

夜晚，光敏电阻器RL的电阻值变大，此时若传声器BM拾取到声音信号，则会有高电平加至非门D3的输人端，使二极管VDI和晶体管VT导通，继电器K的常开触点吸合，照明灯EL点亮。

不管白天和夜间，只要用手触摸电极片M后，人体感应信号将使非门D4的输人端变为高电平，其输出端变为低电平，又使二极管VD2导通，非门D5的输人端变为低电平，输出端变为高电平，晶体管VT饱和导通，K1吸合，照明灯EL点亮。

在二极管VDI或VDZ导通瞬间，电容器C3通过VDI或VD2被迅速充电，非门D5的输入端立即为低电平；当非门D3或D4的输出端由低电平变为高电平（随后又同时变为低电平）使VDI或VD2截止时，电容器C3通过电阻器R5缓慢放电，使非门D5的输人端仍维持一段时间的低电平，照明灯EL不会马上熄灭，直到C3放电结束，D5输入端变为高电平，输出端变为低电平，晶体管VT截止，继电器K释放，照明灯EL才熄灭。

元器件选择

IC1选用LM7805型三端集成稳压器；IC2选用CD4069型六非门数字集成电路。

VT选用9013或8050型硅NPN中功率晶体管，要求电流放大系数β＞100。

UR选用2A,50V整流桥堆，或用四只1N5401硅整流二极管桥式连接后代替。

VD1一VD3均选用1N4148开关二极管。

C1和C2选用CL11-63V型涤纶电容器；C3一C5均选用CD11-16V型电解电容器。

RL选用MG45-13或MG45-33型光敏电阻器。

其余各电阻器选用RTX-1/4W碳膜电阻器。

RPl选用WH7-A型立式微调电位器。

BM选用CM-18W型高灵敏度驻极体传声器。