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基于单片机的楼道照明灯设计
基于单片机的楼道照明灯设计
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兰州文理学院学生毕业论文
题目：
楼道照明自控开关设计
作者：
指导老师：
电子信息工程学院电子系
电子信息工程技术专业11级
三年制电子一班班
2013年11月15日
摘要:
本论文主要介绍楼道照明灯自动控制电路，它不仅适用于住宅区的楼道,而且也适用于工厂、办公室、教学楼等公共场所，它具有体积小,外形美观，制作容易,工作可靠等优点,而且降低能耗,节约能源，注重环保是当今世界的主潮流。
此外，它在一定的场所使用还可起防盗作用。
它是公共场所照明开关的理想选择，被人们誉为“长明灯的克星”。
它利用光敏传感器和热式电红外传感器等器件对楼道、住宅小区等处照明灯具进行自动控制，使电灯白天不亮（光控）,夜间有人来的时候自动点亮，人走后延时一段时间自动熄灭，从而达到节能的目的，同时还加上一个电话控制系统以保证电路在异常情况下可以远程控制。
关键词：
光敏电阻；HN911L;延时；电话控制
Abstract:
Thispaperintroducestheautomaticcontrolcircuitcorridorlight,itisnotonlysuitablefortheresidentialbuilding，butalsosuitableforfactories,officebuildings，publicplaces，ithastheadvantagesofsmallvolume,beautifulappearance,easymanufacture，reliability,andreducedenergyconsumption,energysaving，environmentalprotectionisthemaintrendintoday’sworld.Inaddition,itcanbeusedfortheftprotectioninacertainplace。
Itistheidealchoiceforthepubliclightingswitches，knownasthe"longlight"文档为个人收集整理，来源于网络文档为个人收集整理，来源于网络
Itusesthelightsensorandthermalelectricinfraredsensorstoautomaticallycontrolthecorridor,residentialquartersandotherofficelightinglamps,thelampbydaynotbright（light），whentheautomaticlightnightpeoplecome，peoplegoafteradelaytimeautomaticallyextinguished，soastoachievethepurposeofsavingenergy,butalsowithatelephonecontrolsystemtoensurethatthecircuitcanremotecontrolunderabnormalconditions.
Keywords：
photoresistor；HN911L;delayt；elephonecontrol
0引言
近年来，城市居民住宅越来越趋向高层化。
高层建筑的一个不可忽略的问题是楼道等公用部分的照明问题.楼道照明灯如果能做到随手关灯，将是一个极大的能源消耗，以一栋六单元十二层楼房为例：
每层安装一只15瓦的灯泡，就是72只灯泡，每小时耗电1。
08度。
如果这些灯彻夜通明，一晚耗电10多度，一年就是4000多度。
一般住户在开灯后往往忘了或不愿意再费事去专门关灯。
感应式楼道照明开关是解决这个问题的一种简单方法。
它可以在开灯后一定时间内自动熄灭。
在白天，即使有人走过，楼道等也不会亮,可以达到节能的目的。
声光双控延时开关体积小，外形美光，制作容易，且节能环保，是当今世界的主潮流。
由于今年我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品的主要输出国之一。
随着全球经济一体化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般照明电器产品生产大量向发展中国家转移,而中国又是一个比较适合的国家,一是中国具备生产这些产品的条件，而是劳动力成本比较低，从而使中国逐步成为照明电器产品出口大国。
展望未来的国内市场，需求仍会呈逐年增长趋势。
因此我设计一个声光双控延时开关来解决此浪费问题.夜晚，行人经过楼道出入口时，照明灯点亮25s后熄灭；白天,照明灯自动停止工作。
1设计电路时用到的相关电子元器件及基础知识
1.1光敏电阻的结构和工作原理
1。
1。
1结构
光敏电阻器的结构和电路图形符号如图1所示.
光敏电阻器（photovaristor）又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。
如图2所示光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。
无光照时候,光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。
一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵魂度高.实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。
图2
1。
1.2工作原理
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,然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
在黑暗环境里,它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目,使其电阻率变小,从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值.
在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，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，也可以加交流电压。
当光敏电阻受到光照时,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小.光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低.当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大.入射光消失，电子—空穴对逐渐复合,电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。
1。
2新型热释电红外探测模块（HN911L）
热释电红外传感器是最常用的红外检测器之一,其工作原理是利用热释电效应，即在钛酸钡、一类晶体上、下表面设置电极,在上表面加以黑色膜，若有红外线间歇地照射，其表面温度上升△T，其晶体内部的原子排列将产生变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U。
常用的热释电红外线光敏元件的材料有陶瓷氧化物和压电晶体，例如，钛酸钡、钽酸锂、硫酸三甘肽及钛铅酸铅等。
热释电红外传感器的电路图、外形图如图3所示。
图3
热释电红外温度传感器的特点是反应速度快、灵敏度高、准确度高、测量范围广、使用方便，尤其非接触式测量使红外温度传感器和以红外传感器为核心的红外测温模块、红外测温仪在工业现场、国防建设、科学研究等领域得以广泛应用。
主要应用于铁路、车辆、石油化工、食品、医药、塑料、橡胶、纺织、造纸、电力等行业的温度测量、温度检测、设备故障的诊断，特别适用于高温和危险场合的远距离测温。
1。
3555单稳态电路类型用途
555单稳工作方式，可分为2种.如图4和图5所示.
图4
第1种（图4）是人工启动单稳,又因为定时电阻定时电容位置不同而分为2个不同的单元，并分别以1.1.1和1。
1。
2为代号.他们的输入端的形式,也就是电路的结构特点是:
“RT—6.2—CT”和“CT—6。
2—RT”。
图5
第2种（图5）是脉冲启动型单稳,也可以分为2个不同的单元。
他们的输入特点都是“RT-7。
6-CT",都是从2端输入。
1.2。
1电路的2端不带任何元件，具有最简单的形式；1.2.2电路则带有一个RC微分电路。
1.4W7812集成稳压器
W7800系列三端式集成稳压器的输出电压是固定的,在使用中不能进行调整。
W7800系列三端式稳压器输出正极性电压，一般有5V、6V、9V、12V、15V、18V、24V七个档次，输出电流最大可达1。
5A（加散热片）。
同类型78M系列稳压器的输出电流为0。
5A，78L系列稳压器的输出电流为0。
1A。
图6为W7800系列的外形和接线图，它有三个引出端：
输入端（不稳定电压输入端）标以“1”
输出端（稳定电压输出端）标以“3”
公共端标以“2”
集成稳压器为三端固定正稳压器W7812，它的主要参数有：
输出直流电压U0=＋12V，输出电流L：
0.1A，M:
0.5A，电压调整率10mV/V，输出电阻R0＝0.15Ω，输入电压UI的范围15～17V.因为一般UI要比U0大3~5V，才能保证集成稳压器工作在线性区。
图6W78××外形和接线
1.5光耦合器
1.5.1、光耦合器的结构
光电耦合器的主要结构是把发光器件和光接收器件组装在一个密闭的管壳内,然后利用发光器件的管脚作输入端,而把光接收器的管脚作为输出端。
当在输入端加电信号时，发光器件发光。
这样，光接收器件由于光敏效应而在光照后产生光电流并由输出端输出。
从而实现了以“光”为媒介的电信号传输，而器件的输入和输出两端在电气上是绝缘的。
这样就构成了一种中间通过光传输信号的新型半导体电子器件。
光电耦合器的封装形式一般有管形、双列直插式和光导纤维连接三种。
1。
5。
2、光耦合的主要特点
（1）输入和输出端之间绝缘,其绝缘电阻一般都大于10Ω，耐压一般可超过1kV,有的甚至可以达到10kV以上。
（2）由于“光”传输的单向性，所以信号从光源单向传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端.
（3）由于发光器件（砷化镓红外二极管）是阻抗电流驱动性器件，而噪音是一种高内阻微电流电压信号。
因此光电耦合器件的共模抑制比很大，所以，光电耦合器件可以很好地抑制干扰并消除噪音。
（4）容易和逻辑电路配合.
（5）响应速度快。
光电耦合器件的时间常数通常在微秒甚至毫微秒极。
1。
5.3、光耦合器的工作原理
在光耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，该光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电-光—电的转换.
声光控制楼道开关电路原理图
图1—2
2设计流程
此设计是为了实现声控光控延时开关的功能。
在白天时无论是否有声音，小灯都不能被点亮，即白天时不需要光照，在夜晚当有声音产生时，小灯被点亮，且在声音消失后，小灯能够维持一段时间亮度，即在夜晚有人经过的时候,灯被点亮，并有足够的时间让人通过.
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。
（模块图如1-2）电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动三极管,芯片TC4081BP和小灯。
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,与声音信号一起控制芯片的输入。
信号处理模块即是芯片TC4081BP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。
3电源模块
这一章详细介绍电源模块的电路设计，电路中各个器件参数确定的相关分析,其工作原理及其他类似的设计。
为整个电路提供5V、12V的直流电源，是电路的动力来源。
3.1电源电路的设计
电源电路采用降压、整流、滤波和稳压的组合电路，将220V的交流电压变为5V和12V的直流电压。
模块图如图2-1
图2-1
降压过程是将220V单相交流电压直接输入有一定匝数比的变压器，得到降压后的电压。
然后将变压器副边的交流电压通过单相桥式整流电路，得到脉动系数较大的直流电压。
为了减小电压的脉动,将经过整流桥整流后的直流电压通入由滤波电容构成的滤波电路，使输出较为平滑的电压。
要得到稳定的直流电源需将滤波后的电压输入稳压电路。
稳压电路有电阻个稳压二极管构成,利用二极管的稳压特性，使得到不受电网电压波动和负载电阻变化影响的稳定性较高的直流电压.
3。
2电源电路的工作原理及相关参数的分析
电源电路原理图：
图2—2
为了得到5V和12V的直流电源，将220V频率为50
的单项正弦波交流电输入变压器,其原边与副边的比为
，经过变压器得到
=12.5V
（2。
2。
1）
得到
=15
=（3～5）
（2.2。
2）
得到
=（3～5）
理想情况下可将交流分量全部滤掉，使输出电压仅为直流电压,然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后必会影响其滤波效果，要得到稳定的直流电源需将滤波后的电压输入稳压电路.
稳压电路中的稳压管Dz1选用稳压值为12V的稳压二极管，其型号为2CW19；Dz2选用稳压值为5V的稳压器二极管，其型号为2CW12
经过查阅电子元器件的手册,Dz2的最小工作电流为
=10mA最打工作电流为
=45mA内阻为
≦50Ω.R2和Dz2对Dz1的电压
进行分压，Dz2上电压为
，则
上的电压为
（2.2.3）
（2.2。
4）
（2。
2.5）
则得到
的阻值范围为
（2.2.6）
所以155.6Ω≦
≦700Ω,所以去
=500Ω
查阅手册得到稳压管
的最小工作电流为
=5mA，最大工作电流为
=17mA,内阻为
≦35Ω。
所以
（2.2。
7）
（2。
2.8）
（2。
2.9）
（2.2。
10）
（2。
2.11）
（2.2.12）
所以120Ω≦
≦222Ω,所以取
=200Ω
根据电路图得到
（2.2。
13）
因此得到0.9uF≦
≦1。
5uF,取
=1uF
3.3电源电路的其他设计
此电源电路还有其他方式的设计。
如图2—3
图2—3
由于该电路所要求的电压值可以在一定的范围内波动，可以将220V交流电源通过整流桥后用两个阻值较大的电阻R1、R2进行分压，并用电容C在电阻R2上并联，对R2的电压进行滤波,最后在电容C形成上正下负的直流电压。
R1、R2的取值应该较大，使得电路上的电流较小,其中R2上的电压值要考虑与R2并联的负载大小，在此次电路设计中，后面连接的被控制电路、芯片、声控、光控电路上的电阻连接起来大约为20K，所以取R2为20K，R1为150K，，则R2上分得的电压为U=0.9×220（R2∥RL）／（R2∥RL+R1）（2。
3）
4信号收集模块
4.1光信号收集电路
4.1。
1光信号收集电路的设计
对于光信号的设计，我们要求在白天与晚上R5与RG间的电压输出有很大的反差，在白天要求输出低电平，而在晚上要求输出高电平，所以必须要用光敏电阻RG。
将光敏电阻RG与R5串联起来，所构成的电路图如下:
图3—1
4.1。
2光信号电路的工作原理
表3-1光敏电阻
型号
最大电压
（VDC）
最大功耗（mw）
环境温度
光谱峰值
（nm）
亮电阻
（K）
暗电阻
（M）
MJ20516
250
500
-30～+70
560
5
1
表3-1
在白天光较强时,光敏电阻RG的阻值较低（约为1.2kΩ），在R5与光敏电阻的两端加有12V的电压，在白天我们要求此端输出低电平，则不管声控部分输出的是高电平或低电平，芯片TC4081BP最终都输出低电平,则使得控制电路的三极管不导通,继电器上无电流,由继电器的工作原理可知灯泡不亮。
所以R5的阻值要远大于1.2kΩ，近似使得R5短路。
在晚上光线较暗时,光敏电阻RG的阻值变大（最大约为50MΩ），R5、RG串联对12V电压分压,在晚上我们要求此端输出高电平,若此时有声音即声控部分输出高电平，则芯片TC4081BP最终输出高电平，使得控制电路的三极管导通，继电器上有电流,由继电器的工作原理可知灯泡亮。
若无声音，则声控部分输出低电平芯片TC4081BP最终输出高电平，灯泡不亮。
所以R5的阻值要远小于50MΩ,这样晚上可认为电压全分与R5，RG短路。
即控制灯泡在晚上无声时不亮。
4。
1.3光信号电路相关参数的分析
通过对光电路的工作原理分析我们要求R5阻值要远大于1。
2kΩ，同时又要远小于50MΩ。
再由串联分压公式可知
（R5+RG）*I=Vcc（3.1）
所以
R5=Vcc/I—RG
由于在白天RG约为1。
2kΩ，晚上RG约为50MΩ，Vcc=12V
我们综合各种因素最终选择R5为1MΩ。
4。
2声音信号收集电路
4。
2。
1声音信号收集电路的设计
图1仿真声控部分原理图
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。
仿真电路原理如图1所示。
在仿真当中,由于仿真软件的不熟，声音输入部分我们用开关代替,同样电容C2具有通交流阻直流的作用，由于声音输入相当于一个正弦信号输入。
所以在仿真中，我们把麦克风用导线代替,电容也用开关代替。
当外界有声音发出时，开关闭合,可使三极管VT瞬间截止，集成电路A的2脚便通过电阻器R4连接12V电压正极，又因A的一脚在晚上也是高电压，便相继使A的3脚输出低电压，5脚和6脚也为低电压，4脚则输出高电压。
该电压经二极管VD1正偏导通,向电容器C2充电，又使A的8脚和9脚为高电压，继续控制A的10脚输出低电压,12脚和13脚为低电压，11脚输出高电压.使三极管导通，便使继电器工作，开关闭合,从而驱动灯泡H放光。
注：
在仿真中灯泡我们用的是发光二极管（LED）。
当外界没有声音发出时，开关断开，三极管输入到集成电路A的2脚一个低电平。
又因A的一脚在晚上也是高电压，便相继使A的3脚输出高电压，5脚和6脚也为高电压，4脚则输出低电压。
该电压经二极管VD1正偏导通,,又使A的8脚和9脚为低电压,继续控制A的10脚输出高电压，12脚和13脚为高电压，11脚输出低电压。
三极管不工作,继电器无法产生电流，继而无法导通开关，从而灯泡H不
5信号处理模块
5、1芯片TC4081BP的介绍
TC4081BP是一种将四个基本二输入与非门电路集合在一起制成的集成电路,因此称为二输入四与非门集成电路。
利用该集成电路既可以设计放大器，也可以设计振荡器，还可以设计控制开关，因此被广泛应用于各种电子设备中。
另外，TC4081BP内部四个二输入与非门电路各自独立，实际中可选用其中一个，也可以四个全用，还可进行并联、串联应用，这又给我们的设计带来了极大的方便。
5、2芯片TC4081BP的工作原理
TC4081BP的外形如图4—1所示，它是采用晶体管制造工艺在硅晶片上生产四个各自独立的二输入与非门电路，然后采用DIP—14标准封装而成的双列14脚直插式结构.
图4—1图4-2
TC4081BP的14个引脚的排列、引脚名称及内部结构如图4-2所示，可以很清楚的看到四个二输入与非门相互独立,每个单独的与非门有两个输入端和一个输出端。
四个与非门被集成后,TC4081BP的1脚、2脚、3脚属于第一个与非门电路，其中1脚的1IN1端为该与非门的输入端，2脚的1IN2端为该与非门的另一个输入端，3脚的1OUT端为该与非门的输出端；4脚、5脚、6脚属于第二个与非门电路，其中4脚的2IN1端为该与非门的输入端,5脚的2IN2端为该与非门的另一个输入端，6脚的2OUT端为该与非门的一个输出端；8脚、9脚、10脚属于第三个与非门电路，其中8脚的3IN1端为该与非门的输入端，9脚的3IN2端为该与非门的另一个输入端，10脚的3OUT端为该与非门的一个输出端;11脚、12脚、13脚属于第四个与非门电路，其中11脚的4IN1端为该与非门的输入端，12脚的4IN2端为该与非门的另一个输入端,13脚的4OUT端为该与非门的一个输出端；7脚、14脚为TC4081BP的工作电源输入端，7脚位电源的负极Vss，14脚为电源的正极Vdd。
在TC4081BP中，每个与非门的两个输入端与一个输出端之间所呈现的关系见表4—1.
第一个输入端（1脚）
第二个输入端（2脚）
输出端（3脚）
0
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
0
表中以TC4081BP的第一个与非门为例，“0”表示低电压，“1”表示高电压
与非门集成电路是一种价格最低廉的集成电路，而且工作损耗小，适应电压范围宽，可在3~18V的范围内正常工作，因此得到广泛应用.
图4-3信号处理
6延时模块
6.1延时电路的设计
根据电容的特性，电容两端的电压时缓慢变化的，譬如说：
灯泡要通电，它的电压在通电一刻有0变为另一个值，如1V。
但是由于其时缓慢变化的，即0~1V中间的每一个值灯泡都经历过，突然的变化不会到时突变，时存在电容缓冲的.根据这一特性,将电容两端并联一个电阻，从而可以一个延时电路，即图中的由延时电阻器R6和延时电容器C2组成的延时电路。
如图
5—1所示。
图5—1延时电路的原理图
6。
2延时电路的工作原理
灯泡H在晚上受声音控制发光后，若不再有响声输入到话筒B，三极管VT又受R2、R3分压正偏导通,使A得3脚输出高电压，A的4脚输出低电压,二极管VD1无正偏截止。
但是电容器C2正极电压不会很快降低，它通过电阻器R6放电。
由于电阻器R6的阻值较大，电容器C2上所充的电需要一定时间才能放完。
这样就使A的10脚保持为低电平，11脚保持为高电平，灯泡保持发光.只有等到电容器C2放点结束，使A的8脚，9脚将为低电平，10脚输出高电平，12脚、13脚位高电压，11脚输出低电压后,通过三极管控制继电器的工作状态，以切断灯泡H的电流回路,实现灯泡H在延时亮一段时间后又自动熄灭，从而实现了延时功能。
6.3RC电路的放电过程
当电容C2已有电压U0时,且二极管无正偏截止时，电容器立即对电阻R6惊醒放电,放点开始时的电流为
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
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