声光控制楼道开关设计.docx
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声光控制楼道开关设计
高等教育自学考试
毕业设计（论文）
题目声光控制楼道开关设计
专业班级09级机电一体化工程
姓名
指导教师姓名、职称
所属助学单位武汉工业职业技术学院
2010年4月1日
目录
摘要………………………………………………………………………………2
绪论…………………………………………………………………………………4
第1章方案论证…………………………………………………………………5
1.1方案一…………………………………………………………………5
1.2方案二…………………………………………………………………5
第2章电路的工作原理……………………………………………………………6
2.1声控原理…………………………………………………………………6
2.2触摸控制原理……………………………………………………………7
2.3光控原理…………………………………………………………………8
第3章延时电路开关……………………………………………………………9
3.1电路的工作原理………………………………………………………9
3.2器件的选择及检测方法………………………………………………10
3.3安装制作………………………………………………………………14
第4章电路板的焊接、调试及故障分析………………………………………16
4.1焊接…………………………………………………………………16
4.2调试及故障分析……………………………………………………19
结论………………………………………………………………………………19
致谢………………………………………………………………………………20
参考文献…………………………………………………………………………20
附录一……………………………………………………………………………21
附录二……………………………………………………………………………21
摘要
声光触摸控制照明灯开关，能自动控制白天开关、夜晚亮灯、人走灯灭。
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、光控制自动延时节能开关,综合了声、光和延时控制、工作稳定、节电并可延长灯泡寿命。
在白天或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;晚上或光线较暗时遇到声响、振动后灯自动点亮,经过约一分钟（时间可设定）自动可用于楼梯、厕所等公共场所照明灯的自动管理。
本文阐述了简单的声光触摸控制照明灯开关的制作。
选择声敏传感器、光敏传感器和磁敏传感器作为基本元件。
光敏电阻,声控传感器和触摸传感器三种传感器形成了声控、光控和触摸三种控制的电路板。
利用布局和布线规则完成了电路板的制作。
实现了电子开关的三种控制，实验结果实现了灯的控制。
关键词：
传感器，声控，光控，触摸,节能，方便
Abstract
Soundandlighttouchcontrollightingswitches,automaticcontrolcanbeswitchedduringtheday,nightlighting,andeliminatepeopleoflights.Buthereissound,lightenergy-savingdelayautomaticcontrolswitches,integratedsound,lightanddelaycontrol,thestability,powerandextendlamplife.Inthedaytimeorlighteveniftherearemoreoccasionslargervibrationnoisecanalsocontrollightbulbdoesnotshine;eveningorlowlightencounteredsound,vibrationlitafterthelightsautomaticallyafteraboutoneminute（timecanbeset）canbeusedtoautomaticallystairs,toiletsandotherpublicfacilitieslightingautomaticmanagement.Inthispaperasimpletouchofacousto-opticlightingcontrolswitchproduction.Photosensitiveresistors,sensorsandtouchsensorsvoicethreesensorformedavoice,opticalandtouch-controlofthethreecircuitboards.Uselayoutandroutingrulesofthecircuitboardproduction.Implementationoftheelectronicswitchcontrolofthethreeexperimentalresultsachievedlampcontrol.
KeyWords：
sensor,voice,opticalcontrol,touch,energysaving,convenient
声光控制楼道开关设计
1.绪论
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。
以往的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠，如今单片机技术已经相当成熟，运用单片机可以设计出智能型的声控开关，电路设计好后，运用软件编程来实现其功能，灵活方便，修改简单。
目前许多声控开关的平均使用寿命不长，主要是因为电路作频繁的开关，启动电流非常大，导致功率元件可控硅由于过载而损坏。
本文中采用开关电压过零保护技术，可消除白炽灯开启瞬间的大电流冲击，有效地防止可控硅元件启动时的电流过载，大大地延长了开关的使用寿命，并且可以起到保护灯泡的作用。
第一章方案的论证
设计声光控开关，最起码要考虑三方面的问题，其一是灯泡的开关控制，这是由220V市电供电。
其二是光控制，使其在有光时，即使有声音也不能亮。
其三就是声音控制，在晚上或光线不足时，只要有人经过，发出声音，灯泡就会点亮。
1.1方案一
电路框图如图1所是:
图1电路原理框图
1.2方案二
该方案采用了单片机控制电路工作,CPU以GMS97C2051单片机为核心，该单片机能方便地用于不需外扩程序存储器的应用场合，达到简化电路、缩小体积、减小功耗和降低成本的目的。
根据题目要求和制作成本,从中挑出简单易行的电路，分析其控制原理。
分别对三种电路做接线实验，调试成功后两两进行整合。
由于各电路的工作电压及某些其他因素影响，所以电路的整合难度稍大。
最终搭试出一个新的电路，如方案一所示,此电路设计符合实验的要求。
再对新电路进行测试，不断修改，成功后焊接到电路板上。
第二章电路的工作原理
2.设计中的电路功能介绍
（1）声控原理
声控原理如图2
图a图b图c
图a为声控电路部分，由图b声音感应、放大电路和图c单稳态电路构成。
图（4）中三极管VT2、VT3及其电阻、电容器组成了单稳态电路。
电阻R3为三极管VT2提供了基极电流；而三极管VT3的基极电流则是从三极管VT2的集电极电阻R4上得到的。
三极管VT2集电极与三极管VT3基极之间是直接耦合的；而三极管VT3集电极与三极管VT2基极之间的耦合则是由电容器C2来完成的。
电阻R4是三极管VT2的集电极负载,三极管VT3的集电极负载是电阻R5。
单稳态电路的特点是它只有一个稳定状态。
电路在没有信号输入时,选择合理的R3使三极管VT2稳定在饱和状态,此时它的集电极电压约为0.3V以下。
这样使三极管VT3稳定在截止状态。
这就是单稳态电路的稳定状态。
当一个负脉冲通过C1到达三极管VT2的基极时,三极管VT2开始趋向截止,它的集电极电流减小,集电极电压升高；经过直接耦合,使三极管VT3的基极电压升高,三极管VT3开始导通,它的集电极电压下降；经电容C2的藕合又使三极管VT2的基极电压进一步下降（虽然这时负脉冲已经不再存在）,形成一个正反馈,很快达到一个新的状态。
此时三极管VT2截止,三极管VT3饱和导通。
这就是单稳态电路的暂稳态现象。
单稳态电路的暂稳态是不能持久的。
在暂稳态期间,电容器C2通过电阻R3进行放电,随着放电的进行,三极管VT2的基极电压逐渐升高,当它达到0.5V以上时,三极管VT2开始导通,正反馈现象再次发生,整个电路很快又回到VT2饱和导通,VT3截止的稳定状态。
电容C2通过电阻R3的放电过程决定了电路暂稳态的维持时间。
根据计算,这个时间t=0.7×R3×C2。
在本电路中电阻R3为510KΩ,电容C2为47μF,所以t≈17s.根据这个公式改变电阻R3或电容C2的参数,可以延长或缩短电路的延迟时间。
电路复原后,电容器C2通过电阻R5和三极管VT2的发射结进行充电。
充电完成后电路才可以接收下一次的触发。
电路中的B是一只驻极体传声器,它能将声音信号转变为电信号。
驻极体传声器压所转换的电信号较微弱,只有通过由三极管VT1组成的放大器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。
在电路的稳态过程下,单稳态电路中三极管VT2导通,三极管VT3截止。
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止,单稳态电路处在了暂态的过程中。
这时三极管VT3导通,它的集电极电压下降,导致与它连接的三极管VT4也导通,继电器吸合，LED电路导通从而灯亮。
2.2触摸控制原理
触摸控制原理在搞懂单稳态电路原理的基础上，很好的利用单稳态电路的性质尝试了触摸控制的实现，经试验得到了两个点可以通过触摸来控制的即R6电阻两端（VT3的集电极和VT4的基极），取的是VT4基极，这样有利于我焊接分布元件。
如图（5），当人体触摸A点时，人体感应电压使得VT4的基极电压降低，VT4导通。
继电器吸合，LED发光。
其熄灭原理与声控电路相同。
（图5）
（图6）
2.3光控原理
光敏二极管性质：
当有光照时（达到一定强度）相当于断路，当无光照时，相当于导线。
如图（6）当有光照D2时，三极管VT6的基极与R10的交叉点断路，VT6截止，从而VT5也截止。
当无光照时，VT6导通，其集电极电压接入VT5基极使其导通，VT5发射极的电压触发继电器吸合。
LED电路通路。
（之所以这样设计，是为了直接实现光控功能。
也可以将光控作为电路的总开关。
）
第三章延时开关的电路
3.1电路的工作原理
声光控延时开关的电路原理图见图3所示。
电路中的主要元器件是使用了数字集成电路cd4011，其内部含有4个独立的与非门vd1～vd4，使电路结构简单，工作可靠性高。
顾名思义，声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启"，若干分钟后延时开关“自动关闭"。
因此，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。
明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元，由此可画出图4示的方框图。
结合图4来分析图3。
声音信号（脚步声、掌声等）由驻极体话筒bm接收并转换成电信号，经c1耦合到vt的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门（vd1）的2脚，r4、r7是vt偏置电阻，c2是电源滤波电容。
为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻rg等元件组成光控电路，r5和rg组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，rg两端的电压高，即为高电平间t=2πr8c3，改变r8或c3的值，可改变延时时间，满足不同目的。
vd3和vd4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。
当c3充电到一定电平时，信号经与非门vd3、vd4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；c3充满电后只向r8放电，当放电到一定电平时，经与非门vd3、vd4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。
二极管vd1～vd4将交流220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经r1降压，c2滤波后即为电路的直流电源，为bm、vt、ic等供电。
下表是常用灯光源技术性能：
.
种类
光效/LMW-1
色温/K
平均寿命/h
供电
白炽灯
15
2800
1000
交流
卤钨灯
25
3000
2000-5000
交流/直流
荧光灯
70
全系列
10000
交流/直流
高压钠灯
100-120
1950/2200/2500
24000
交流
LED
25
6400（超高亮、白光）
100000
直流
3.2器件的选择及检测方法
ic选用cmos数字集成电路cd4011，其里面含有四个独立的与非门电路。
内部结构见图5，vss是电源的负极，vdd是电源的正极。
可控硅t选用1a／400v的进口单向可控硅100-6型，如负载电流大可选用3a、6a、10a等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图六示，它的测量方法是：
用r×1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极（如印制板图所示），这时表针无读数，然后用黑表笔触一下控制极k，这时表针有读数，黑表笔马上离开控制极k这时表针仍有读数（注意触控制极时正负表笔是始终连接说明该可控硅是完好的。
驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：
用r×100档将红表笔接外壳的s、黑表笔接d，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高；光敏电阻选用的是625a型，有光照射时电阻为20k以下，无光时电阻值大于100mq，说明该元件是完好的。
二极管采用普通的整流二极管1n4001～1n4007。
总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。
在测试时先把指针表满偏同时将指针表打到1K档，其次：
用表笔对电容进行放电，在用表进行测试，用红笔接负极，黑笔接正极；最后：
看指针的偏转，且还要指针还原，如能还原就表明电容正常，不能回到原位则表明电容漏电。
测试漏电电容方法：
用万用表的电阻挡（R*100和R*1K），将表笔接触电容器两引线。
刚接触时，由于电容充电电流大，表头指针偏转角度大，随着充电电流减小，指针逐渐向R=无穷方向返回，最后稳定处即漏电电阻值。
一般电容器的漏电电阻为几百至几千兆欧，漏电电阻相对小的电容质量不好。
测量时，若表头指针指到或接近欧姆零点，表示电容器内部短路。
若指针不动，始终指在R=无穷处，则意味着电容器内部短路或已失效。
对于电容量在0.1μF以下的小电容，由于漏电电阻接近无穷，难以分辨，故不能此法侧漏电阻或判定好坏。
电解电容器的极性检测：
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。
当极性标记无法辨认时，可根据正向连接时漏电电阻大、反向连接时漏电电阻相对小的特点判断极性。
交换表笔前后两次测量漏电电阻，阻值大的一次，黑表笔接触的是正极，因为黑表笔与万用表内电池正极相接（采用数字万用表时，红表笔接电池正极）。
但用这种办法有时并不能明显地区分正、负向电阻，所以使用电解电容时，要注意保护极性标记。
二极管测试：
二极管主要分为三种：
整流二极管、稳压二极管、发光二极管；此外，还有开关二极管。
先打磨引脚，再用指针表测试，因二极管具有单相导电性，所以，在测试时，红笔接负极，黑笔接正极，若是导通，且红笔接正极，黑笔接负极，为截止，则表明二极管是正常的，若不是则表明二极管是坏的。
注：
发光二极管用10K，其它用1K档；发光二极管的光线是非常微弱的，因此，在观察是要仔细。
半导体二极管的极性判别一般情况下，二极管有色点的一端为正极，如2AP1-2AP7，2AP11-2AP17等。
如果是透明玻璃壳二极管，可直接看出极性，即内部连触丝的一头是正极，连半导体片的一头是负极。
塑封二极管有圆环标志的是负极，如1N4000系别。
三极管测试：
和所有元件一样三极管也要打磨引脚，然后在进行测试。
用手拿住元件，用指针表来回测量六次，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，但当指针偏转较大是，黑笔接的是发射极，另一方则是集电极。
三极管除了判断其管型和极点外，还要判断出它所处的状态，是截止、饱和、还是放大。
光敏电阻：
先用手拿住两只引脚，使其对着光，然后，用数字表测出值；再用握住使其背光，测出其值。
可控硅的原理：
可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。
可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。
它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。
（如下图所示）。
晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。
从晶闸管的内部分析工作过程：
晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结图一，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型三极管的复合管图二。
当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。
图2中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，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，晶体管饱和导通。
设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,
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+Ic0或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0
若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig
从而可以得出晶闸管阳极电流为：
I=（Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））（1—1）
硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化。
当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0,（a1+a2）很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0晶闸关处于正向阻断状态。
当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。
这样强烈的正反馈过程迅速进行。
当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。
晶闸管已处于正向导通状态。
式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。
晶闸管在导通后，门极已失去作用。
在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。
3.3安装制作
准备好全套元件后，用万用表粗略地（因出厂前已测量过）测量一下各元件的质量，做到心中有数。
焊接时注意先焊接无极性的阻容元件，电阻采用卧装，电容采用直立装，紧贴电路板，焊接有极性的元件如电解电容、话筒、整流二极管、三极管、单向可控硅等元件时千万不要装反，注意极性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。
印刷电路图如图七所示。
LED使用注意事项：
（1）由于LED的工作电压变化0.1V，工作电流可能变化20mA左右。
为了安全，普通情况下使用串联限流电阻，极大的能量损失显然不适合太阳能草坪灯，并且LED亮度随工作电压变化。
采用升压电路是一个好办法，也可以用简单的恒流电路，总之一定要自动限流，否则将损坏LED。
（2）一般LED的峰值电流50~100mA，反向电压6V左右，注意不要超过这个极限，尤其在太阳能电池反接或者蓄电池空载，升压电路峰值电压过高时，很可能超过这个极限，损坏LED。
（3）LED温度特性不好，温度上升5℃，光通量下降3%，夏季使用要注意。
（4）工作电压离散性大，同一型号，同一批次的LED工作电压都有一定差别，不宜串联使用。
一定要并联使用，应该考虑均流。
（5）超高亮白光LED色温为6400k~30000k。
目前，低色温的超高亮白光LED尚没有进入市场，因此用超高亮白光LED制造的太阳能草坪灯光穿透能力比较差，所以在光学设计上要注意。
（6）静电对超高亮白光LED影响很大，在安装时要有防静电设施，工人要佩带
静电手腕。
受静电伤害的超高亮白光LED当时可能凭眼睛看不出来，但是使用寿命将变短。
第四章电路板的焊接、调试及故障分析
电路板的焊接安装时首先将电阻焊到电路板上,然后依次将三极管、发光二极管、光敏二极管、开关、电解电容、555定时器焊到电路板上（在电路板上的高度由低到高依次焊接）,注意电解电容器的极性和三极管的管脚排列。
只要元器件正确,焊接可靠,电路基本不再需调整就可以工作了。
首次通电，继电器会吸合。
当灯熄灭后，可以拍手使灯亮，也可以触摸图钉A使灯亮，这两种方法点亮灯后约17秒（t=0.7×R3×C2=16.779）后灯自动熄掉，可以调节R3或C2控制亮灯时间。
一、电路工作原理1、声控原理
4.1焊接
4.1.1印刷板的设计要求
1、正确
这是印制板设计最基本、最重要的要求，准确实现电原理图的连接关系，避免出现“短路”和“断路”这两个简单而致命的错误。
这一基本要求在手工设计和用简单CAD软件设计的PCB中并不容易做到，一般的产品都要经过两轮以上试制修改，功能较强的CAD软件则有检验功能，可以保证电气连接的正确性。
2、可靠
这是PCB设计中较高一层的要求。
连接正确的电路
升级会员 