声光双控设计.docx

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声光双控设计

摘要

传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之广泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。

在本设计中介绍了多种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显。

天黑有人走过楼梯通道时，当有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。

声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、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。

关键字：

信号放大；自动控制；光电开关

Abstract

Sensorsthroughtothealreadysuchasindustrialproduction,thedevelopment,theoceandetection,environmentalprotection,resourcesinvestigation,medicaldiagnosis,biologicalengineering,orevenculturalrelicprotectionandsoonoftheextremelybroadrangeofindustries.Itisnoexaggerationtosay,fromthevastspace,tothevastocean,sothatallsortsofcomplicatedengineeringsystem,almosteverymodernproject,isinseparablefromthevariouskindsofsensors.

Inschools,offices,factoriesandenterprises,andotherunitspublicandresidentialneighborhoodofpubliccorridor,ever-burninglampsphenomenaareverycommon,thiscreatesatremendouswasteofenergy.InthisdesignisdescribedinDuoZhongsoundelectriclampscontrollerofthecomposition,properties,applicationandworkingprinciple,givenallofthecircuitprinciplediagramandcomponents,thechoiceofparametersofenergysavingeffectisveryclear.Itisdarksomeonepassthestairschannel,whenfootstepsorothersounds,willprovideautomaticlight,buildinglighting,whenpeopleenterthehouseoroutoftheapartment,corridorlightsdelayafewminuteswillautomaticallybeputout.Duringtheday.Evenifavoice.Corridorlightsalsowillnotlight,canachievethepurposeofsavingenergy.Soundelectricdelayswitchisnotonlyappliedinthecorridorofresidentialarea,butalsoapplytofactory,officebuilding,teachingbuilding,publicplaces,ithassmall,beautifulshape,iseasytomakeandreliablework,etc.

Keywords：

amplification；Automaticcontrol；Photoelectricswitch

目录

引言1

1传感器介绍2

1.1感光部分2

1.2感声音模块2

2设计方案的思想与原理介绍2

2.1设计思想3

2.2设计中的自我创新内容3

2.2.1通路延时可控3

2.2.2声音与光的敏感度可调3

2.2.3导通过程中再次传感设定4

2.2.4房间模式4

2.2.5路灯模式4

2.2.6人或物品计数模式4

2.3原理介绍4

3电路模块说明5

3.1光敏5

3.2声敏6

3.3输出7

3.4总体8

4电路调试过程中出现的问题与解决方法9

4.1导通之后发热9

4.2无法调节敏感度9

4.3数码管出现乱码10

4.4计数模式出现的问题10

4.5延时方案的选择10

4.6房间模式的实际应用问题10

5电路的实际应用与拓展方向10

6结论11

谢辞13

参考文献14

附录15

引言

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。

而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。

为适应这种情况，就需要传感器。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

　　新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。

在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。

　　在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达到最好的质量。

因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失去了基础。

　　在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。

现代科学技术的发展，进入了许多新领域：

例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到nm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到s的瞬间反应。

此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。

许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。

一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

　　传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之广泛的领域。

可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。

　　由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。

世界各国都十分重视这一领域的发展。

相信不久的将来，传感器技术将会出现一个飞跃，达到与其重要地位相称的新水平。

1传感器介绍

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。

1.1感光部分

现代电测技术日趋成熟，由于具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点，已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。

然而电测法容易受到干扰，在交流测量时，频率响应不够宽及对耐压、绝缘方面有一定要求，在激光技术迅速发展的今天，已经能够解决上述的问题。

　　磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。

激光，是本世纪60年代初迅速发展起来的又一新技术，它的出现标志着人们掌握和利用光波进入了一个新的阶段。

由于以往普通光源单色度低，故很多重要的应用受到限制，而激光的出现，使无线电技术和光学技术突飞猛进、相互渗透、相互补充。

现在，利用激光已经制成了许多传感器，解决了许多以前不能解决的技术难题，使它适用于煤矿、石油、天然气贮存等危险、易燃的场所。

　　比如说用激光制成的光导纤维传感器，能测量原油喷射、石油大罐龟裂的情况参数。

在实测地点，不必电源供电，这对于安全防爆措施要求很严格的石油化工设备群尤为适用，也可用来在大型钢铁厂的某些环节实现光学方法的遥测化学技术。

　　磁光效应传感器的原理主要是利用光的偏振状态来实现传感器的功能。

当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场，那么光通过偏振面将旋转一个角度，这就是磁光效应。

也就是可以通过旋转的角度来测量外加的磁场。

在特定的试验装置下，偏转的角度和输出的光强成正比，通过输出光照射激光二极管LD，就可以获得数字化的光强，用来测量特定的物理量。

1.2感声音模块

麦克风，学名为传声器，是将声音信号转换为电信号的能量转换器件，由Microphone翻译而来。

也称话筒、微音器。

二十世纪，麦克风由最初通过电阻转换声电发展为电感、电容式转换，大量新的麦克风技术逐渐发展起来，这其中包括铝带、动圈等麦克风，以及当前广泛使用的电容麦克风和驻极体麦克风。

2设计方案的思想与原理介绍

声光双控开关在现实生活中比较常见，就比如在我们教学楼的楼到处就有所应用，不过要制作起来并没有想象中那么简单，下面是我这次设计的一些思想和创新的简要说明。

2.1设计思想

要实现声光双控的效果，首先想到的自然是要将声音和光转化成电信号，之后由电路处理后控制开关。

所以我首先就选用了光敏电阻来进行光和电之间的转化，然后使用麦克风来进行声音和电之间的转化，之后通过单片分析信号并处理后得出开关电路何时通何时断。

问题出现了，光敏电阻只能将光通过电阻的变化表达出来，麦克风只能通过电容滤波而表达出电信号的有无，这于实际中的应用有很大差距。

所以在这时我选择了运算放大电路LM358，将光敏电阻通过分压的方式接上电源之后将电压值输入运放的对比端，用一个变位器调节另一端的对比电压，使光敏电阻有光照和无光照两种情况在运放输出值上区分开来，之后运放输出值进去单片机，就是我们想要的电信号了。

麦克风要比这复杂一点，因为麦克风输出的电压值是交流值并且非常的微小，所以先要进行滤波，将直流信号剔除掉，之后用三极管进行放大，使麦克风输出的信号可以被运放电路所感应到，之后同样使用LM358进行电压的对比，使有声音和无声音在LM358的输出值有一个区别，之后同样输出单片机，剩下的就是简单程序处理控制开关的通断了。

在实际中我们是使用220V交流电压的，可是由于条件有限，而且220V电压太过危险，也不方便调试和测试电路，所以本次使用的只是5V的电压控制电路，如果要应用到实际生活中，只需要在电路的开关输出处通过继电器去控制现实中的电路就可以了，这方面的理论我也做了一些研究与学习，基本已经掌握了控制220V的方法，但由于本次实训的目的只是让我们更了解传感器，所以重点在传感器方面，我就不做太过深入的开发了。

2.2设计中的自我创新内容

本次的作品的设计思想，电路实际实际，制作电路板，程序设计直到完成作品全部是我自己完成的，之前我也学习了许多关于这方面传感器的内容，之后融入了自己对传感器应用的理解，并且加入了自己的一些设想，下面介绍一下本作品中那些特别的地方。

2.2.1通路延时可控

在一般的声光双控电路中（比如声光控灯），电路导通了之后有一个固定的延时，来让人们走上楼梯之后灯才灭，而现实生活中，常常出现我们才走到一半，灯就灭了，这是由于每个场所需要的延时并不是固定的，这是一般此类电路的一个缺陷。

本设计中，可以通过按键设置电路导通之后的延时，根据不同的场合调节延时之后就可以更的在实际中达到更好的效果。

2.2.2声音与光的敏感度可调

在过去的声光双控开关中，由于都已经设计成了固定的模块，敏感度一般是之前就设置好的一个通用值，这虽然可以用，但毕竟每个工作场合的光照和声音的干扰是不一样的。

而本电路中，使用电位器来调节对比对压，通过LM358和敏感源进行对比，可以实现对敏感度的调节。

2.2.3导通过程中再次传感设定

有些场合由于路程太长，延时就不好预先设置，而且每个人的走路速度都不一样，所以有人的用时多，有人用时则少，这就会导致之前提到的提前灭灯的问题。

而本设计中通过对程序的编写，使用了再次传感设定，也就是如果在电路导通的过程中，敏感元再次传来信号，还是会感应到而且将延时刷新，这就防止了前面提到的问题出现，增强了电路的实用性。

2.2.4房间模式

这中声光双控开关一般是用在公共场合的通道中，所以模式非常的单一。

通路—延时—断路，这就限制了这种开关的使用范围，只能在公共场合，不然就会导致开关灯太过于麻烦了。

本设计中，可以改变电路的工作模式，在房间模式中，实现了感应声光—通路—手动断路。

也就是说开关只有声光控开，而不会自动关，这就可以应用到房间当中，当人回到房间时，由于开门声灯光自动打开，而当人休息时，则可以手动关闭，相当方便，而且本设计中还设置了防干扰系统，也就是如果手动关灯了之后，需要打开允许开关之后，才会实现感应开灯，这就防止了休息后由于发出声音而使灯亮被打扰的可能。

2.2.5路灯模式

在可以选择的模式中还有一种路灯模式，就是我们在公路上的话，由于行人数量难以计算，而且是必须要有光亮的地方，所以不许要声音的控制了。

而本设计中也考虑到了这一点，在这个模式中，有光灯就灭，无光灯就亮，而与声音模块无关，这就很大程序扩大了本电路的使用范围，可以非常好的根据不同环境而选择不同的模式，很好的适应工作场合的环境要求。

2.2.6人或物品计数模式

这是本设计中与开关关系比较小的一个部分，就是通过通光和遮光改变光敏电阻的值，之后通过单片机处理，实现对通过光敏电阻之前的人或物品实现一个计数的功能。

2.3原理介绍

本实用新型属于电照明电路控制技术领域，它利用声光实现对照明电器的自动开关。

白天电路自动关闭照明灯，夜间自动等待工作，当有人通过时，照明灯自动点亮，经过一定时间后，照明灯自动熄灭。

本控制开关采用单线进出制，可以直接代换普通机械式开关，不需改动原线路，具有安装简便、节电效果明显、延长照明灯寿命等优点，是楼梯、走廊等公共场所理想的照明灯自动控制开关。

3电路模块说明

当代社会提倡节能，在这里我介绍一个声光双控延迟节能照明灯。

它可以直接取代普通照明开关而不必更改原有照明线路。

白天或光线较强的场合即使有较大的声响也控制灯泡不亮，晚上或光线较暗时遇到声响（如说话声，脚步声等）后灯自动点亮，然后经30多秒（时间可以设定）自动熄灭，适用于楼梯，走廊等只需短时照明的地方。

3.1光敏

以下是光敏模块：

图1光感应模块

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。

光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。

当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。

一般光敏电阻器结构如右图所示。

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。

光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。

3.2声敏

大多数麦克风都是驻极体电容器麦克风（ECM），这种技术已经有几十年的历史。

ECM的工作原理是利用具有永久电荷隔离的聚合材料振动膜。

与ECM的聚合材料振动膜相比，MEMS麦克风在不同温度下的性能都十分稳定，不会受温度、振动、湿度和时间的影响。

由于耐热性强，MEMS麦克风可承受260℃的高温回流焊，而性能不会有任何变化。

由于组装前后敏感性变化很小，这甚至可以节省制造过程中的音频调试成本。

声音感应部分如下：

图2声音感应模块

　　MEMS麦克风需要ASIC提供外部偏置，而ECM则不需要这种偏置。

有效的偏置将使整个操作温度范围内都可保持稳定的声学和电气参数。

MEMS芯片的外部偏置还支持设计具有不同敏感性的麦克风。

　　传统ECM的尺寸通常比MEMS麦克风大，并且不能进行SMT操作。

SMT回流焊简化了制造流程，可以省略一个制造步骤，而该步骤现在通常以手工方式进行。

IC与驻极体电容器麦克风内信号处理电子元件并无差别，但这是一种已经投入使用的技术。

在驻极体中，必须添加IC，而在MEMS麦克风中，只需在IC上添加额外的专用功能即可。

与ECM相比，这种额外功能的优点是使麦克风具有很高的电源抑制比。

也就是说，如果电源电压有波动，则会被有效抑制。

在嘈杂环境中听懂谈话内容对于听力有损是一个很头疼的事（科赫肯,1993&1994）.适当的放大在多数场合都能带来很大的帮助，可是在需要定位和在人群中辨别出某个人的声音时却存在着缺陷.这个缺陷有时会涉及到助听器麦克风定位问题.

3.3输出

电路输出部分：

图3电路数码管输出电路

led数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。

led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。

位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。

图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。

颜色有红，绿，蓝，黄等几种。

led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。

选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：

），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

电流

　　静态时，推荐使用10-15mA；动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4-5mA，峰值电流50-60mA。

电压

查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？

当红色与黄绿色时，使用1.9V乘以每段的芯片串联的个数；当绿色/蓝色时，使用3.1V乘以每段的芯片串联的个数。

3.4总体

下面是电路的原理图和PCB图：

图4电路原理图

图5电路PCB电路图

4电路调试过程中出现的问题与解决方法

由于这个设计是我自己做的，程序也是自己写的，所以和外界已经相当成熟的技术自然无法相提并论，也必然会出现许多问题，下面简单讲一下我在制作当中遇到的困难于解决的方法。

4.1导通之后发热

在我完成了电路板的初次上电之后，发现LM358和10UF的电容发热异常，一通电就变得非常的热，简直要爆炸了，而且电路也无法正常工作。

这时我马上断开了电路电源，之后用万用表检测各个管脚的系数，是否产生短路，结合原理图和PCB，之后我发现，是由于我原理图中的LM358芯片和PCB中的LM358芯片管脚的对应关系出了问题，原理图中芯片的地线和电源线在对应到PCB后相反了，所以才会导致异常发热，在改过来之后电路就不会再异常的发热了。

4.2无法调节敏感度

开始的时候我调节变位器，不论如何调节，发现都没有办法改变敏感度。

电路工作也不太正常，于是我用万用表边测边改变变位器的值，发现在通电时，根本没办法改变对比电压，后来回到原理图去看发现是变位器使用错误，应该使用分压接法，而我不小心接成了分流，所以导致无法调压。

改过之后电路工作正常。

4.3数码管出现乱码

在电路正常之后初次上程序，发现数码管出现乱码，之后改变了程序表格TAB里的内容后，还是乱码，于是我回到PCB中查看，发现数码管的封装是一种特别的型号，每个管脚的连接循序和一般的不太一样，所以我根据这个循序，通过计算二进制中1和0之后转化成16进制，与数码管脚对应起来，之后改变TAB，数码管工作回复正常。

4.4计数模式出现的问题

在使用计数器时，一开始的时候计数值不停乱跑，经过排查我发现，是由于光线变化不明显，导致光敏变化过快，所以一次的经过就使计数值增加了几个值，之后我通过设置了程序中的部分，使计数器工作回复正常，可以正常计数，并且对光线的要求也降低了。

4.5延时方案的选择

由于电路中要使用延时，一开始我考虑的是使用程序中的延时代替要用的延时，方法是可行的，不过程序设计起来困难就会非常的大，改变参数变得很难。

经过考虑之后，我使用计时器来充当要用的延时，这样不但可以简单的设定延时时间，而且程序总体设计起来非常的简单，简化了许多。

4.6房间模式的实际应用问题

房间模式初次使用使遇到了一个问题，就是在灭灯后不小心发出了一点声音，灯又亮了起来，这不是我想要的，这就会严重影响实用性，毕竟屋子里肯定会有声音，而一有声音就亮使实用性大大降低了。

这里我就想到了一个允许开关，在手动关灯之后，我们必须再次按下关灯键，之后系统才会检测有没有声音，使灯再次亮起，如果没有再次按下关灯键，不管是多大的声音都无法使灯再次亮了起来，这就防止了前面所说被打扰的情况，大大提高了电路的实用性。

5电路的实际应用与拓展方向

在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。

在本设计中介绍了多种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显。

天黑有人走过楼梯通道时，当有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。

声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、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。

6结论

以前一直以为传感器的电路很简单，就是利用传感器的模块正常工作就可以了，一直到我拿到题目的时候还是认为这个声光双控开关其实很简单，和教学楼里应用的开关其实差