光控灯.docx
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光控灯
1选题要求与目的
1.1选题背景
公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关，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。
因此，设计研究一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。
使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。
用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，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，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。
在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。
1.2指导思想
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。
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％。
1.3技术要求
a）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。
b）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。
c）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。
d）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。
e）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。
f）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。
2方案论证
2.1设计方案的选择
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:
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：
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。
方案二：
所设计的电路分为五个模块：
电源模块，信号收集模块，信号处理模块，延时模块和被控制模块。
电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动三极管，小灯。
信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。
声音信号收集模块将声音信号转变为音频电信号从而能够输入电路，起到控制开关的作用。
光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起通过信号处理模块，对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用于延时模块。
延时模块是在信号处理模块的作用下工作，起到延时的作用。
被控制模块在信号处理模块及延时模块的共同作用下工作，达到设计的目的。
简要分析其优点：
制作成本低、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。
小结：
在比较了上述两种方案后，采用第二个方案更适用。
2.2电路原理图及电路说明
电路说明：
220V交流电通过灯泡经D1～D4整流，R1限流降压，LED稳压（兼待机指示），C1滤波后输出约1.8V左右的直流电压供给控制电路。
控制电路由R2、驻极体话筒MIC、C2、R3、R4、VT、RG组成。
在周围有其它光线的时候光敏电阻的阻值约为1kΩ左右，VT的集电极电压始终处于低电位，就算此时拍手，电路也无反应。
到夜间时，光敏电阻的阻值上升到1MΩ左右，对VT解除了钳位作用，此时VT处于放大状态，如果无声响，那么VT的集电极仍为低电位，晶闸管因无触发电压而关断。
当拍手时声音信号被MIC接收转换成电信号，通过C2耦合到VT的基极，音频信号的正半周加到VT基极时，VT由放大状态进入饱和状态，相当于将晶闸管的控制极接地，电路无反应。
而音频信号的负半周加到VT基极时，迫使其由放大状态变为截止状态，集电极上升为高电位触发晶闸管导通，使主电路有电流流过，等效于开关闭合，而串联在其回路的灯泡得电工作。
此时C2的正极为高电位，负极为低电位，电流通过R3缓慢地给C2充电（实为C2放电），当C2两端电压达到平衡时，VT重新处于放大状态，晶闸管关断，电灯熄灭，改变C2大小可以改变电灯熄灭时间。
此开关可带100W以下的负载，适用于家庭照明和楼梯走廊等场所。
3各主要电路及部件工作原理
·3.1电源电路
电源电路其作用是给电路提供电源，使电路能正常的工作。
由R1、LED、C1、C2等元件组成，它是一个简单的直流稳压电源，给整机供电。
先将交流220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C1滤波使波形变得平滑，最后经稳压二极管稳压得到较为稳定的直流电源
·3.2整流电路
四只整流二极管D1～D4J接成电桥的形式，固有桥式整流之称，如下图。
在正半波电流通过电灯由线路可控硅再返回负极，在副半波时候电流通过4-1-2-可控硅再返回电源正极，于是达到整流作用，使交流电变成直流电。
·3.3电子开关晶闸管
声光控延时开关就是用声音和光来控制开关的“开启"，一段时间后延时开关“自动关闭"。
因此，整个电路的功能就是将声音信号和光信号进行处理后，变为电子开关的开动作。
因为电子开关具有体积小、功耗小、寿命长、效率高等特点，而晶闸管刚好具备这些优良特点，所以这次课设所选用的开关器件为普通的晶闸管其型号为MCR100-6。
晶闸管就是晶体闸流管的简称，曾称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、变频及保护等电子电路。
因为晶闸管在电路中起了非常关键的作用，所以这里有必要将其结构和特性作简要介绍。
·3.3.1普通晶闸管的结构
晶闸管是PNPN四层三端器件,共有三个PN结。
分析原理时,可以把它看作是由一个PNP管和一个NPN管所组成,其结构如图3-1（a）所示,图1（b）为晶闸管的电路符号。
（a）（b）
图3-1晶闸管
·3.3.2晶闸管的工作过程
晶闸管是四层三端器件,它有J1、J2、J3三个PN结,可以把它中间的NP分成两部分,构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。
当晶闸管承受正向阳极电压时,为使晶闸管导通,必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。
每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。
因此是两个互相复合的晶体管电路,当有足够的门极电流Ig流入时,就会形成强烈的正反馈,造成两晶体管饱和导通。
设PNP管和NPN管的集电极电流分别为IC1和IC2,发射极电流相应为Ia和Ik,电流放大系数相应为α1=IC1/Ia和α2=IC2/Ik,设流过J2结的反相漏电流为ICO,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和:
Ia=IC1+IC2+ICO=α1Ia+α2Ik+ICO（3-1）
若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为:
Ik=Ia+Ig。
因此,可以得出晶闸管阳极电流为:
晶闸管正常工作时特性如下：
a）晶闸管承受反向电压时,无论门极承受何种电压,晶闸管都处于关断状态。
b）晶闸管承受正向电压时,仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通。
c）晶闸管在导通情况下,只要有一定的正向阳极电压,无论门极电压如何,晶闸管保持导通,即晶闸管导通后,门极失去作用。
d）晶闸管在导通情况下,当主回路电压（或电流）减小到接近于零时,晶闸管关断。
·3.4声控电路
由驻极体话筒MIC、三极管VT9014、电容C2及电阻R2～R4等组成,其中MIC为声检测元件，当MIC获取到声音信号后，其会转换成电信号。
当环境声音信号很弱时,三极管VT处于饱和状态。
如图，驻极体话筒有正负之分，与铝壳相连的一端为负端。
安装时用剪下的电阻脚焊到话筒的两极，再装到电路板上。
·3.5光控电路
主要由R5、RG组成。
电路中晶闸管的通断,取决于控制极信号的有无。
光敏电阻RG的阻值随着光照强度的变化而变化,当有光照时,其阻值约为1kΩ左右，与R5分压后使晶闸管集电极电压始终处于低电位。
随着光照强度的减弱,RG阻值逐渐上升到1MΩ左右，对晶闸管解除了钳位作用，即满足了开门条件,此时声控开始起作用。
核心元件为光敏电阻﹙如下图﹚，其通过对光线变化程度自动改变阻值从而改变电压信号的大小。
·3.6延时电路
当声音消失后需要灯泡延时亮一定时间，在本电路中采用RC延时电路，延时时间为T=RC。
当灯泡得电工作，此时C2通过R3缓慢地放电，当C2两端电压达到平衡时，VT重新处于放大状态，晶闸管关断，电灯熄灭。
当电容C2已有电压U0时，且三极管无正偏截止时，电容器立即对电阻R3进行放电，放电开始时的电流为U0/R3。
放电电流的实际方向与充电时相反，放电时的电流
与电容电压
随时间均按指数规律衰减为零，电流与电压的数学表达式为:
（3-2）
（3-3）
公式中
为电容器的初始电压。
放电时
和
的变化曲线如图3-2所示。
图3-2电容放电曲线
RC电路的时间常数用
表示，
，
的大小决定了电路充放电时间的快慢。
对于充电而言，时间常数
时电容电压
从零增长到63.2%U0所需要的时间；对放电而言，
是电容电压
从
下降到36.8%
所需的时间。
R3的阻值为1M，C2为4.7
则有:
（3-4）
所以电路延迟时间为：
47×0.632≈30s（3-5）
4实验论述
·4.1改进
在原电路图中我设计的是用220V交流电供电，用150K的电阻R1来限流降压，但这样在电路中要串入承受AC220V的灯泡，且在上电实验过程中电压过大，一不小心就可能有危险。
所以在真正做出的作品中，我使用了变压器，将220V的交流电变为12V的交流电，相应改为使用7.5K的电阻R1来限流降压，同时采用交流12V，功率20W的灯泡即可。
实验过程中更安全，且同样证明了我设计方案的正确。
·4.2元器件清单
表4-1元件清单
元件简称
名称
主要参数（型别）
数量
MIC
驻极体话筒
BM
1
R1
电阻
7.5K
1
R2
电阻
3.9K
1
R3
电阻
1M
1
R4
电阻
10K
1
R5
电阻
1K
1
RG
光敏电阻
MG42-03
1
C1
电解电容
220uF/16V
1
C2
电解电容
22uF/50v
1
D1~D4
二极管
IN4007×4
1
LED
二极管
IN4148
1
T
单向可控硅
MCR100-6
1
D1
灯泡
AC12V/20W
1
变压器
AC220V～12V
1
VT
三极管
9014
1
·4.3实物制作
·4.3.1元器件检测
电阻的检测：
将万用表的档位打到色环所表示的电阻值相近的地方，左手拿电阻右手拿表笔分别接两引脚读出电阻值并与色环表示的值是否相等，如果相差不大说明这个电阻是完好的否则电阻已坏。
光敏电阻的检测：
先用手拿住两只引脚，使其对着光，然后，用万用表测出值；再用握住使其背光，测出其值。
如果数值与该器件型号标识差不多说明是完好的，反之为损坏。
电解电容的检测：
左手拿电容右手拿表笔，黑表笔接电容的正极红表笔接负极观察指针的变化情况。
如果电阻值是先小然后在慢慢的回到无穷大就说明是好的反之是坏的，电解电容的正负极性不允许接错，当极性接反时，可能因电解液的反向极化，引起电解电容器的爆裂。
稳压二极管检测：
对标志不清楚的稳压二极管，也可以用万用表判别其极性，测量的方法与普通二极管相同，即用万用表R×1K档，将万用表分别接稳压二极管的两个电极，测出一个结果后，再对调两表比进行测量。
在两次测量结果中，阻值较小那一次，黑表笔接的是稳压二极管的正极，红表笔接的是稳压二极管的负极。
若测得稳压二极管的正、反向电阻均很小或均为无穷大，则说明该二极管已击穿或开路损坏。
三极管的检测：
用手拿住元件，用万用表来回测量六次，判断出基极、是PNP型还是NPN型。
若红笔不动—PNP型；黑笔不动—NPN型。
如果是NPN型，用手捏住三支引脚，用表笔测试两边引脚，并交换表笔；若指针偏转较大，黑表笔接的是集电极，另一方则是发射集。
如果是PNP型，步骤与NPN型一样，但当指针偏转较大时，黑笔接的是发射极，另一方则是集电极。
·4.3.2装配焊接
焊接前要先对元器件和PCB板焊接处进行清洗，以保证焊接的质量。
焊接时要注意焊接的原则：
先从较低和较小的元器件进行装配和焊接，再对较大较高的元器件进行装配和焊接。
焊接好后的焊点要保证是有光泽的、圆润的。
如果焊点不是这样，那么这个焊点的焊接质量不是很好或者是虚焊，这样的焊点要进行重新焊接。
·4.4调试
在板子完成后，对其进行功能测试，步骤如下：
a）给变压器输入220V交流电，不给光敏电阻遮光，LED指示灯亮（上电指示灯就亮），灯泡不亮，此时击掌灯也不亮。
b）将黑色胶带贴在光敏电阻上，不发出声音，灯泡不亮。
c）击掌触发声控电路，灯亮，静等30秒后灯灭，再次击掌，灯又亮起来。
d）以上过程完全正确则成功，至此电路调试完毕。
·5结论分析
·5.1灯泡一直亮着
灯泡一直亮着的问题，多是三极管被击穿，造成电路中一直有电流通过，从而灯泡回路一直处于导通状态；或者是和灯泡回路的接法不正确，使得灯泡直接接在电源回路上，从而使灯泡一直处于导通状态。
·5.2灯泡始终不亮
出现这一问题，先检查灯泡是否正常。
如果灯泡正常，就说明开关电路中有元件损坏。
通常是光敏电阻或驻极体话筒那出问题了。
可以将光敏电阻所在支路断开，相当于光敏电阻处于黑暗时的情况，此时击掌发声，若灯泡亮，则换一个新的光敏电阻试试，若灯泡不亮，则驻极体话筒构成的声控电路出问题了。
·5.3发光时间短
这是延时电路的电容器C2或电阻R3有问题，可用容量大点的电容替换C2，或对电阻R3进行替换。
若更换后，延时时间还是较短，则有可能是二极管不良。
注：
在实际电路中，由于电容器本身有电阻，再加上其放电并不是放到零为止，而是放到电流正好可驱动三极管T2为止，所以其放电时间比理论计算少得多。
·5.4灯泡响应灵敏度低
如果需要很大响声，灯泡才能触发点亮，则说明触发电路元件性能下降，此时应着重检查三极管的放大倍数β值，以及检查电阻R1-R4、电容器C1等。
6总结和体会
这次课设在声光控电路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，三极管等，之后对原理图进行了仿真，仿真成功后开始制作电路板，然后进行调试。
在这个过程中，将我学到的知识应用到了实践，深化了对数字电路设计、和模拟电子设计的认识，使我在设计的实践中获得新知。
我不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是我通过自己的独立动手，和同学的讨论中，让我学会了分析电路、设计电路以及计算机辅助作图等。
这次课设，最大的感触就是做事情要细心，不小心焊错一个小元件，电路可能就报废了，一个参数不对，结果可能就大不相同了。
所以做产品之前的第一件事就是清查元件并把元件分类好，同时，还要考虑合理配置元件。
我在做的过程中就犯了因自己粗心造成的错误，我把电路焊好上电后，每次灯泡亮的时候都是一闪一闪的，把我苦恼的，一开始还以为是延迟电路那块出了问题，结果才是因为给驻极体话筒接的引脚不牢固造成的，导致那块接触不良，所以灯泡才是一闪一闪的亮。
如果自己一开始够细致，就不会出现这种问题的。
还有就是我们在做这种与电相关的课设时，一定要养成安全用电的习惯，之前一个同学就是太急躁了，被变压器上的电打了，他的描述是心都打麻了。
可见要是不当回事的话，很容易出事的。
从前的自己只知道学习书本知识，从来没想过利用自己已经学到的知识来做一些作品，而实际上好好利用现在学到的知识，我们已经是有能力做出好些东西的。
通过这次课设，我爱上了动手设计，最后得到自己作品的感觉，以后要多多将知识应用于动手实践中，并争取有自己新的体会和作品创新。
参考文献
【1】阎石.数学电子技术基础.清华大学.高等教育出版社.2006
【2】孙肖子.模拟电子电路及技术基础.西安电子科技大学出版社.2006
【3】王兆安刘进军.电力电子技术.机械工业出版社.2008
【4】党宏社.《电路、电子技术实验与电子实训（第二版）》.电子工业出版社.2012
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