基于FPGA楼道声控灯设计.docx
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基于FPGA楼道声控灯设计
EDA课程设计
项目名称基于FPGA楼道声控灯设计
专业班级通信074
学生姓名你个
指导教师大力会
学号23
2013年5月17日
摘要
社会的进一步发展各式各样的灯层出不穷为了防止公物损坏节约用电设计了各种控制灯例如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。
因此设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声控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。
所以制作了基于FPGA声控灯。
关键词：
FPGA声控开关控制省电
ABSTRACT
Forthefurtherdevelopmentofawidevarietyoflightafteranother,inordertopreventdamagetopublicproperty,savingelectricity,hasdesignedvariouscontrollights,suchaspublicplacesandthosewhoarelivinginthepubliccorridorwidespreaduseofmechanicalmanualswitch,forvariousreasonsareoftenthereweremanylightbulbslitChangmingphenomenon,itistomakelamplifeisshort,awasteofelectricityforthecountry,unitsandindividualscausingeconomiclosses.Inaddition,duetofrequentswitching,orotherman-madefactors,thefailurerateofahighwallswitch,bothincreasingtheamountofmaintenance,wasteoffunds,butalsoeasilyleadtoaccidents.Therefore,thecircuitdesignanddevelopmentofanovel,safeenergy-saving,simplestructure,easytoinstallvoice-activatedenergy-savingautomaticswitchcorridorlightsappearedtobequitemakepublicplacesandthosewhoarelivinginthepubliccorridorlightsduringthedaywithoutlightatnightfromWenSheng-liang,treatpeopleleft,tensofsecondsautomaticallyshutdown,whichisconvenient,butalsoenergysaving.Thefollowingintroducestheprincipleofvoice-activatedswitch.
Keywords:
CircuitbordVoice-activatedswitchContro1Power
第1章声控灯工作原理
220V交流电通过灯泡H及整流全桥后，变成直流脉动电压，作为正向偏压，加在可控硅VS及R支路上。
白天，亮度大于一定程度时，光敏二极管D呈现底阻状态≤1KΩ，使三极管V截止，其发射极无电流输出，单向可控硅VS因无触发电流而阻断。
此时流过灯泡H的电流≤,灯泡H不能发光。
电阻R1和稳压二极管DW使三极管V偏压不超过，对三极管起保护作用。
夜晚，亮度小于一定程度时，光敏二极管D呈现高阻状态≥100KΩ，使三极管V正向导通，发射极约有的电压，使可控硅VS触发导通，灯泡H发光。
RP是清晨或傍晚实现开关转换的亮度选择元件。
由音频放大器、选频电路、延时开启电路和可控硅电路组成。
它提供了一种操作简便、灵活、抗干扰能力强，控制灵敏的声控灯，它采用人嘴发出约1秒的控制信号“嘶”声，即可方便及时地打开和关闭声控照明装置，并有防误触发而具有的自动延时关闭功能，并设有手动开关，使其应用更加方便。
[1]
就是因为声控灯原理的原因，声控灯有一种有趣的现象，那就是光线充足时，任你发出多大的声音都不亮；但在黑夜，轻轻一声它就发出了亮光，这是为什么呢？
原来声控灯还光控电路，以使其在光线足够的时候不工作，所以声控灯的控制盒是声、光同时控制的，在光亮度能达到的情况下，灯不会亮。
你可以做一个小实验，你可以用手遮挡声控开关的光控原件然后再发出声音，灯就会亮了。
第2章声控灯的制作
设计方法
声控灯主要包含四部分电路，分别为：
电源电路、光控电路、声控延时电路、晶闸管开关电路，下面对其功能进行逐一分析并确定电路结构。
电源电路主要为控制电路提供工作电压，本设计采用传统的电源电路设计方法，即降压、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来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，在白天光线较强时，光控电路输出低电平将声控电路封锁；在晚上光线较弱时，光控电路输出高电平，则声控功能打开。
本设计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定时器的输出去控制声控电路中的555定时器的复位端。
声控延时电路该电路主要在光线较弱时起作用。
这主要是通过光控电路的输出来控制的。
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定时器来实现声控及延时功能。
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。
[2]
单元电路设计及分析电路由直流供电电路、控制电路、延时电路三部分组成。
直流供电电路
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
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阳光照射，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C1的滤波作用，被三极管Q1放大，当被放大的信号达到峰值时，此时2脚即便为高电平，3脚变为低电平，11脚高电平，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，2脚为低电平，灯泡不亮，工作原理类同白天情况。
延时电路
由C3、R7组成，通过C3的充放电来维持灯泡的点亮状态，延时的时间由C3的容量及R7的阻值来决定。
元器件的介绍
光敏电阻
光敏电阻光敏电阻又称光导管，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，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。
1.组成
光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
2.工作原理
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体
及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
[3]
驻极体话筒
驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。
属于最常用的电容话筒。
由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。
1.结构原理
驻极体话筒具有体积小，频率范围宽，高保真和成本低的特点，已在通讯设备，家用电器等电子产品中广泛应用。
话筒的基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背称为背电极）构成。
驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。
电容的两极之间有输出电极。
由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。
当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：
Q=CU所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声—电的变换。
由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。
因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。
通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合组成阻抗变换器。
电容器的两个电极接在栅源极之间，电容两端电压既为栅源极偏置电压Ucs，Ucs变化时，引起场效应管的源漏极之间Idc的电流变化，实现了阻抗变换。
一般话筒经变换后输出电阻小于2千欧。
2.驻极体话筒的正确使用
机内型驻极体话筒有四种连接方式对应的话筒引出端分为两端式和三端式两种，图中R是场效应管的负载电阻，它的取值直接关系到话筒的直流偏置，对话筒的灵敏度等工作参数有较大的影响。
二端输出方式是将场效应管接成漏极输出电路，类似晶体三极管的共发射极放大电路。
只需两根引出线，漏极D与电源正极之间接一漏极电阻R，信号由漏极输出有一定的电压增益，因而话筒的灵敏度比较高，但动态范围比较小。
市售的驻极体话筒大多是这种方式连接。
（SONY用在MD上的话筒也是这类）
三端输出方式是将场效应管接成源极输出方式，类似晶体三极管的射极输出电路，需要用三根引线。
漏极D接电源正极，源极S与地之间接一电阻R来提供源极电压，信号由源极经电容C输出。
源极输出的输出阻抗小于2K，电路比较稳定，动态范围大，但输出信号比漏极输出小。
三端输出式话筒市场上比较少见。
无论何种接法，驻极体话筒必须满足一定的偏置条件才能正常工作。
（实际上就是保证内置场效应管始终处于放大状态）
3.工作原理
驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。
高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷（Q），由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。
我们知道电容上电荷的公式是Q=C·U，反之U=Q/C也是成立的。
驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。
最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。
由于场效应管是有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。
NPN三极管
9014是非常常见的晶体三极管，在收音机以及各种放大电路中经常看到它，应用范围很广,它是npn型小功率三极管。
下面介绍9014的引脚图参数等资料，希望大家记住。
1、发射极 2、基极 3、集电极。
1.9014三极管参数
集电极最大耗散功率PCM=（Tamb=25℃）
集电极最大允许电流ICM=
集电极基极击穿电压BVCBO=50V
集电极发射极击穿电压BVCEO=45V
发射极基极击穿电压BVEBO=5V
集电极发射极饱和压降VCE（sat）=（IC=100mA;IB=5mA）
基极发射极饱和压降VBE（sat）=1V（IC=100mA;IB=5mA）
特征频率fT=150MHz
HFE：
A=60~150;B=100~300;C=200~600;D=400~1000
2.主要用途
作为低频、低噪声前置放大，应用于电话机、VCD、
DVD、电动玩具等电子产品（与C9015互补）1）。
3.识别方法
（a）判定基极。
用万用表R×100或R×1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。
当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。
这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。
黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测管子为PNP型三极管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管如9013，9014,9018。
（b）判定三极管集电极c和发射极e。
（以PNP型三极管为例）将万用表置于R×100或R×1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。
在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。
可控硅
可控硅（SCR:
SiliconControlledRectifier）是可控硅整流器的简称。
可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。
单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。
单向可控硅是由三个PN结PNPN组成的四层三端半导体器件与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制；与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用。
1.工作原理
可控硅导通条件：
一是可控硅阳极与阴极间必须加正向电压，二是控制极也要加正向电压。
以上两个条件必须同时具备，可控硅才会处于导通状态。
另外，可控硅一旦导通后，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通。
可控硅关断条件：
降低或去掉加在可控硅阳极至阴极之间的正向电压，使阳极电流小于最小维持电流以下。
[4]
cd4011
逻辑表达式：
Y=真值表A=
XYQ动作000禁止011设定100重置11不变无
（1）当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。
如真值表第一列。
（2）当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为”1”，使得NAND-B的两个输入均为”1”，因此NAND-B的输出为”0”，如真值表第二列。
（3）当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为”1”，使得NAND-1的两个输入均为””1，因此NAND-A的输出为”0”，如真值表第三列。
（4）当X=1、Y=1时，因为一个””1不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四列。
注：
由于资料来源有限，请自行对应逻辑符号。
管脚功能：
1A数据输入端2A数据输入端3A数据输入端4A数据输入端B数据输入端2B数据输入端3B数据输入端4B数据输入端VDD电源正VSS地1Y数据输出端2Y数据输出端3Y数据输出端4Y数据输出端
VDD电压范围：
－０.5Vto18Ｖ功耗：
双列普通封装700mW小型封装500mW工作温度范围：
CD4011BM-55℃-+125℃CD4011BC-40℃-+85℃。
555定时器
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极型工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的反相输入端的电压为2VCC/3，C2的同相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
2脚：
低触发端
3脚：
输出端Vo
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只μF电容接地，以防引入干扰。
6脚：
TH高触发端。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
第3章软件介绍及设计过程
QuartusII简介
AlteraQuartusII作为一种可编程逻辑的设计环境,由于其强大的设计能力和直观易用的接口，越来越受到数字系统设计者的欢迎。
当前官方提供下载的最新版本是。
AlteraQuartusII（和更高版本）设计软件是业界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy器件统一设计流程的设计工具。
工程师使用同样的低价位工具对StratixFPGA进行功能验证和原型设计，又可以设计HardCopyStratix器件用于批量成品。
系统设计者现在能够用QuartusII软件评估HardCopyStratix器件的性能和功耗，相应地进行最大吞吐量设计。
Altera的QuartusII可编程逻辑软件属于第四代PLD开发平台。
该平台支持一个工作组环境下的设计要求，其中包括支持基于Internet的协作设计。
Quartus平台与Cadence、ExemplarLogic、MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供应商的开发工具相兼容。
改进了软件的LogicLock模块设计功能，增添了FastFit编译选项，推进了网络编辑性能，而且提升了调试能力。
设计过程
本设计采用QuartusII编写程序代码、编译、执行、波形仿真来实现本设计。
完成以上工作会得到器件原理图。
编写程序代码
代码如下：
moduleyjyj（sk,gk,clk,sk_out,gk_out）;
inputclk;
inputsk;
inputgk;
outputsk_out;
outputgk_out;
regsk_out;
reggk_out;
regled_out;
always@（posedgeclk）
begin
if（!
sk）
begin
sk_out<=0;
end
elseif（gk）
begin
gk_out<=0;
end
else
begin
sk_out<=1;
gk_out<=1;
#5sk_out<=0;
gk_out<=0;
end
end
endmodule
将程序输入到QuartusIIverilog框图内。
如
（1）图所示。
（1）
编译执行
编译过程如图
（2）所示。
此过程时间可能会在3分钟左右，这取决于你机器配置的好坏。
（2）
编译执行结束如图（3）所示。
出现警告是正常事件只要没有错误就是正确的。
（3）
波形仿真
波形仿真如图（4）所示。
在CLK上升沿sk_out和gk_out变成1。
（4）
仿真器件原理图
经过QuartusII仿真得到的器件原理图如图（5）所示。
它有三个输入分别为clk、gk、sk和两个输出gk_out、sk_out组成。
（5）
第4章实验结果
结果仿真截图（6）（7）所示。
（6）
（7）
结论
通过此次课程设计，使我进一步深入学习了QuartusII和VerilogHDL这两门课程，并且了解和熟悉了它们在FPGA方面的应用。
学习到了如何应用理论知识验证并解决实际生活中遇到的相关问题以及各种元器件的工作原理和实际应用。
在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。
从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长。
与此同时，明白了一些做人、做事的道理，付出一定会有回报，而不努力永远也不能成功。
遇到问题要多思考，多请教，多查资料，不可一知半解，要懂得互学互助，共同进步。
对我们而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富，经历是一份拥有。
参考文献
[1]杨欣莱诺克斯王玉凤刘湘黔.电子技术从零开始.第二版.北京.清华大学出版社.2010-10
[3]阎石.数字电子技术基础.第五版.北京.高等教育出版社.2006-5
[4]童诗白华成英.模拟电子技术
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