声光控制楼道开关设计资料.docx

1、声光控制楼道开关设计资料目录摘要 1绪论 2第1章方案选择 31.1 方案设计 31.2 功能阐述 4第2章单元电路设计 52.1 电源电路设计 52.2 延时处理电路设计 62.2.1 555定时器 62.2.2 555定时器构成的单稳态电路 72.3 声控电路设计 92.4 继电器控制电路设计 102.5 光控制电路设计 11第3章整机电路 12第4章电路仿真 14第5章实物制作与调试 155.1 常用电子元器件的安装 155.1.1 IC插座的安装 155.1.2 晶体管的安装 155.1.3 电阻的安装 155.1.4 电容的安装 155.2 焊接 165.2.1 焊接准备 165.2

2、.2 焊接过程 165.3 调试 175.3.1 静态调试 175.3.2 动态调试 18总结 19致谢 20参考文献 21附录1整机电路图 22附录2元器件明细表 23摘要声光控制楼道灯开关，能自动控制白天开关、夜晚亮灯、人走灯灭。这里介绍的声光控制自动延时开关，综合了声光和延时控制，工作稳定，节电并延长灯泡寿命。整个电路由声控电路、延时电路、光控电路、电源电路组成。220V供交流电压供电，光控电路对外界光亮程度进行检测，输出与亮度程度相对的电压信号。从而实现白天灯泡不亮，晚上遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而实现自动控制，延时电路当声音消失后延

3、长一段光照时间。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，并延时一段时间。声光控制楼道灯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，它具有灵敏、低耗、性能稳定、使用寿命长、节能、体积小，外形美观，制作容易，工作可靠等优点。关键词声控；延时；光控；光照强度；节能绪论众所周知，公共场所和居民居住区的公共楼道里普遍使用的都是机械手动开关。由于各种各样的原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象，这样既缩短了灯泡的寿命，又浪费了国家的电量，为国家、单位、个人造成很多经济损失。另外，由于频繁开关或其它的人为因素，墙壁开关

4、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，设计一种电路新颖、安全节能、结构简单、安装方便的声控楼道灯自动开关相当有必要。楼道灯是一种广泛使用的公用照明设备，很多人对它的节能不太重视，人们对它的一些特殊性不了解,造成它的电能浪费。在重视节能和绿色生活的今天,我们很有必要研究它了解它,让它既能更好的为我们服务,又能节约能源,寿命更长,省钱又方便。本作品可代替住宅小区楼道上的开关，天黑有人走过楼梯通道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，楼道灯延时几秒钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，这样可以达到节能的目的。此项目研究

5、的是一种声、光双重控制功能的无触点开关。当今世界在电子信息技术的领域里取得了社会跨跃式的进步，科学技术的飞速发展使各国生产力大规模提高。随着电子技术、数字技术的不断发展，人们生活水平的不断提高，人们对自己的生活及社会的能源也逐渐的开始重视起来。在电的领域里，电灯的样式、种类以及对灯的控制方式千变万化。在现代的科学研究中，科学家使用的先进仪器离不开电子技术；在国民经济的各个部门，电子技术广泛地应用于工农业生产，而且掺透到各个领域中。无论是通信、广播、电视、计算机、自动化设备、电子医疗器械、新型武器、人造卫星和宇宙飞船，还是人们日常生活中不可缺少的家用电器，都离不开采用电子技术制造出来的各种电子设

6、备。本设计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，有效防止继电器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1章方案选择1.1 方案设计设计声光控开关，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，灯泡就会点亮并延时。方案一： 电路由555定时电路、声光控电路、电源电路组成。白天光线较强时，光控部分将开关自动断开，声控部分不工作。夜晚光线较暗时，光控部分将开关自动接通，负载电路的通断受控于声控部分，电路是

7、否接通，取决于声音信号强度。当声音信号强度达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯开始延时，延时时间到，开关自动断开，等待下一次声音信号触发。方案一原理框图如图1-1所示。图1-1 方案一电路框图方案二：电路中的主要元器件是用了数字集成电路芯片 CD4011 ,它内部有 4 个独立的与非门 D1 D4 ，电路结构简单，可靠性高。声光控制灯主要由声控电路，光控电路，延时电路三部分组成。方案二原理框图如图1-2所示。 图1-2 方案二原理框图该电路产生的声音信号，通过声电转换器转换成微弱的电信号，该信号经放大送处理器处理，处理器将幅度、频率不相同的声波信号转换成一次状态改变的控制信号，该信号经延时

8、处理电路达到设计要求时间与设计要求功能，经执行机构直接控制负载动作，处理电路如图1-3所示。图1-3 信号处理电路 由于两套方案均能实现声光控功能，而第二种方案结构复杂，生产成本高，且生产的工作量比较大，不易设计。从设计以及个人多方面的原因，选用第一个方案，用555定时器，此方案结构简单又实用，易与设计。1.2 功能阐述声光控照明电路的主要原理：利用光学、声学和电子学的原理，即用光敏电阻和声音传感器将光亮程度和声音信号转换成电信号，从而推动NE555的Q端输出高电平继电器吸合使电路正常工作。此声光控制照明电路应具有以下功能：1.白天灯灭；2.晚上有声响时灯亮，延迟几十秒（设成30s）后熄灭；3

9、.灯泡任意功率。第2章单元电路设计2.1 电源电路设计电源电路由变压，整流、滤波、稳压四部分组成，电源电路框图如图2-1所示。图2-1 为电源电路设计框图电源电路原理图如图2-2所示。图2-2 电源电路原理图该图中，由D3、D4、D5、D6四个二极管构成桥式整流电路，它利用二极管的单向导电特性将220V的交流电转换成脉动的直流电；C8、C9为电容滤波，它将整流后的脉动成分滤掉，使之变成比较平滑的直流电；U2、C3、C4组成的三端固定式稳压器，稳压后输出稳定的+5V直流电压，其中C3为抗干扰电容，用以旁路在输入导线过长时引入的高频干扰脉冲，C4具有改善输出瞬态特性和防止电路产生自激振荡的作用；二

10、极管D7对集成稳压器起保护作用。2.2 延时处理电路设计2.2.1 555定时器555定时器的内部电路封装和引脚图组成框图如图2-3所示。NE555 a) 555定时器的内部组成 b) 555定时器的引脚图图2-3 555定时器555定时器的内部主要包括两个运放构成的集成电路电压比较器、一个R-S触发器、一个晶体管和几个电阻。下面介绍555定时器各引脚的连接及功能：脚为接地端，也是芯片的公共端；脚为电源端Vcc；脚为电路的输出端；脚为放电端，相当于一个开关；脚为电路的复位端，其接地时，555的输出为低电平，且保持不变，一般将4脚接在电源的正极上，电路能正常工作；只要在此输入低电平，输出端立即被

11、置为低电平，不受其它输入状态影响。正常工作时接高电平可直接接到电源上。脚为比较电压控制端，如果Vcc端没有外加电压时两个比较器的参考电压，由电源电压经过三个等值电阻分压提供，则VR1=VCC，VR2=VCC。在这种情况下，该端可通过电容（0.01uf）接地，防干扰信号窜入。如果该端接入外电压Vco时，则VR1= Vco， VR2=Vco，因此Vco可改变参考电压值VR。脚、脚为两个电压比较器的输入端，一个为反相输入端，一个为同相输入端，它们输入的信号可以是数字信号也可以是模拟信号，分别与比较器所设置的参考电压进行比较便于控制输出状态。同时它们和7脚在电路中的接法决定了555的工作 状态。为置0

12、输入端，当=0时，定时器的输出OUT为0；当=1时，555定时器具有以下功能： 1.当高触发端TH Vcc，且低触发端Vcc时，比较器C1输出为低电平；C1输出的低电平将RS触发器置为0状态，即Q = 0，使得定时器的输出OUT为0，同时放电管VT导通。2.当低触发端Vcc，且高触发端TH Vcc时，比较器C2输出为低电平；C2输出的低电平将RS触发器置为1状态，即Q = 1，使得定时器的输出OUT为1，同时放电管VT截止。3.当TH Vcc时，定时器的输出OUT和放电管VT的状态保持不变。根据分析，可以得出555定时器的功能表，如表2-1所示。表2-1 555定时器的功能表 输入 输出 TH

13、 OUT VT 0 0 导通 Vcc Vcc 1 0 导通 Vcc 1 不变 不变 Vcc Vcc 1 1 截止 2.2.2 555定时器构成的单稳态电路将低触发端作为触发信号的输入端，再将高触发端TH和放电管输出端D接在一起，并与定时元件R、C连接，则可以构成一个单稳态触发器。具体电路及工作波形如图2-4所示。a）电路 b）工作波形图2-4 555定时器构成的单稳态触发器当触发脉冲u1下降沿到来时，由于Vcc，而TH =0，从555定时器的功能表不难看出，输出端OUT为高电平，电路进入暂稳态，此时放电管VT截止。由于VT截止，Vcc则通过R对C充电，当TH=Vcc时，输出端OUT跳变为低电平

14、，电路自动返回稳态，此时放电管VT导通。电路返回稳态后，C通过导通的放电管VT放电，使电路迅速恢复到初始状态。可以算出，输出脉冲的宽度1.1RC。所谓光控就是利用光敏三极管对不同光照呈现的阻抗不同，从而对NE555的4脚进行高低电平控制，使555处于等待触发状态或处于强制复位状态。白天，亮度较强时，当有足够的光通量照射在光敏电阻上时，其电阻值突然降得很低，既光敏电阻两边的电压就变小，Q6基极电流大于集电极电流，从而工作于饱和导通状态，集电极与发射级短路，NE555的4脚呈低电平，使555处于强制复位状态，Q端不输出高电平，继电器不吸合电灯不亮。夜晚，亮度较暗时，在黑暗状态下光敏电阻RV1呈高阻

15、态，阻值100K，电路通过光敏电阻RV1形成低电平，不能使Q6饱和导通，Q6工作于截止状态，集电极与发射极断路，NE555的4脚呈高电平，NE555触发器处于单稳态触发状态。电灯点亮的时间即单稳态电路触发后高电平持续的时间，它取决于单稳态电路的时间常数，其大小为： 1.1470k47uf 30s (2-1)经计算，下图电路的单稳态时间为30s，即电灯点亮后30s熄灭。NE555和R8、C5、Q6、C6、R7等组成延时处理电路如图2-5所示。图2-5 延时处理电路2.3 声控电路设计驻极体话筒属于电容式话筒的一种，它是在电容器金属极板之间加上一层驻极体薄膜，作为电介质。当薄膜受声波作用而振动时，

16、就引起电容量的变化，并在极板间产生电荷。如果施以直流电源电压，即可输出音频信号，实现声电转换。本电路的信号放大部分主要采用由多级三极管组成的谐振放大电路，其电路原理图如图2-6所示。图2-6 声控电路原理图拾音器采用电压蜂鸣器HTD3514，当有音响作用到压点陶瓷片上时，声震导致的绕曲变形就会产生相应的电效应。当话筒感应到声音时，就马上把声音信号转换成电信号，电信号直接经过C1耦合，再由Q1，Q2构成的直耦式音频放大器进行放大。电信号此时从Q2的集电极出来经过二极管D1导通流向Q3基极。此时，Q3工作于饱和导通状态，集电极输出低电平去触发单稳态电路。2.4 继电器控制电路设计继电器是一种电子控

17、制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁继电器的工作原理和特性：电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的（如图2-7）。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释

18、放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。图2-7 电磁继电器结构Q端输出高电平，继电器吸合，L2发光；Q端输出低电平，继电器断开，L2不发光。继电器控制电路如图2-8所示。图2-8 继电器控制电路2.5 光控制电路设计在光线较暗时，光敏电阻呈高阻态；在光线较亮时，光敏电阻呈低阻态；光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。光控电路由光敏电阻器RV1，电阻R8、R9和Q6组成。如图2-9所示。图2-9 光控电路在黑暗状态下光敏电阻RV1呈高阻态，电路通过光

19、敏电阻RV1形成低电平，不能使Q6饱和导通。当同时有声音信号时，经过声音信号转换为电信号后放大使后级电路工作。在白天，有足够的光照射在光敏电阻上时，其电阻值突然降得很低，既光敏电阻两边的电压就很低，Q6基极电流大于集电极电流，从而工作于饱和导通状态，集电极与发射级短路，NE555的4脚呈低电平，使555处于强制复位状态，Q端不输出高电平，继电器不吸合电灯不亮。第3章整机电路通过对电源电路、延时电路、声音信号处理电路、继电器控制电路以及光控制电路的设计与分析。整机电路原理图如图3-1所示。图3-1 整机电路图D3、D4、D5、D6四个二极管构成桥式整流电路，它利用二极管的单向导电特性将220V的

20、交流电转换成脉动的直流电；C8、C9为电容滤波，它将整流后的脉动成分滤掉，使之变成比较平滑的直流电；U2、C3、C4组成的三端固定式稳压器，稳压后输出稳定的+5V直流电压，当话筒感应到声音时，就马上把声音信号转换成电信号，电信号直接经过C1耦合，再由Q1，Q2构成的直耦式音频放大器进行放大。电信号此时从Q2的集电极出来经过二极管D1导通流向Q3基极。此时，Q3工作于饱和导通状态，集电极输出低电平去触发单稳态电路。白天，亮度较强时，当有足够的光通量照射在光敏电阻上时，其电阻值突然降得很低，既光敏电阻两边的电压就变小，Q6基极电流大于集电极电流，从而工作于饱和导通状态，集电极与发射级短路，NE55

21、5的4脚呈低电平，使555处于强制复位状态，Q端不输出高电平，继电器不吸合电灯不亮。夜晚，亮度较暗时，在黑暗状态下光敏电阻RV1呈高阻态，阻值100K，电路通过光敏电阻RV1形成低电平，不能使Q6饱和导通，Q6工作于截止状态，集电极与发射极断路，NE555的4脚呈高电平，NE555触发器处于单稳态触发状态。此时当话筒感应到声音时，就马上把声音信号转换成电信号，电信号直接经过C1耦合，再由Q1，Q2构成的直耦式音频放大器进行放大。电信号此时从Q2的集电极出来经过二极管D1导通流向Q3基极。Q3工作于饱和导通状态，以触发555定时器的2脚。2脚接收到触发信号而使555翻转置位，3脚输出高电平，继电

22、器线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。灯泡L2发光。图示电路的单稳态延时时间为30s，即电灯点亮30s就熄灭，等待下一次信号的触发。第4章电路仿真一个应用系统，要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，本设计采用Proteus仿真软件对硬件部分进行仿真。首先绘制如图4-1所示的仿真图。图4-1 声光控楼道灯开关仿真原理图经过仿真测试，本设计成功实现了任务需求。仿真的目的是测试灯开关在不同光照强度及有无声音状态下的工作情况，测试结果如表4-1。

23、表4-1 仿真测试结果 光照强度有无声源灯的工作状态强（白天）有灯不亮强（白天）无灯不亮弱（夜晚）有灯亮（待声源消失后灯持续亮30S）弱（夜晚）无灯不亮（但有声源时灯亮，声源消失后持续亮30S）第5章实物制作与调试5.1 常用电子元器件的安装电路板上元器件的安装次序应该以前道工序不妨碍后道工序为原则，一般是先装低矮的小功率卧式元器件，然后装立式元器件和大功率卧式元器件，再装可变元器件、易损元器件，最后装带散热器的元器件和特殊元器件。5.1.1 IC插座的安装尽管插座本身在电气上并无极性可言，但错误的安装方向将对以后IC的插入形成误导。另外特别要注意每个引脚的焊接质量，因为IC插座的引脚的可焊性

24、差，容易出现虚焊，焊接时可以适当采用活性较强的焊剂，焊后应加强清洗。5.1.2 晶体管的安装各种晶体管在安装时要注意分辨它们的型号、出脚次序和正负极性；要注意防止在安装焊接的过程中对它们造成损伤。小功率的三极管、场效应管和继电器，封装外形有时完全相同，有些微型封装的器件，表面只能印一、两个标注字，容易混淆，应该尽量与它们的原包装一道拿取，一时用不完的要及时地放回原包装中去。有时即使是同一种型号的器件，由于生产厂家不同、其出脚的次序也有变化，一定要认准其排列不要相互插错。二极管的引出脚也有阴阳极之分，不能插反。5.1.3 电阻的安装安装电阻时要注意区分同一电路中阻值相同而功率不同、类型不同的电阻

25、，不要相互插错。小功率电阻大多采用卧式安装，并且要紧贴底板安装，以减少引线形成的分布电感。5.1.4 电容的安装瓷片电容安装时要注意其耐压级别和温度系数。铝质电解电容、钽电解电容的正极所接电位一定要高于负极所接，否则将会增大损耗，尤其是铝质电解电容，极性接反工作时将会急剧发热，引起鼓泡、爆炸。5.2 焊接焊接，是用加热的方式使两件金属物体结合起来。如果在焊接的过程中需要熔入第三种物质，则称之为“钎焊”，所加熔上去的第三种物质称为“焊料”。按焊料熔点的高低又将钎焊分为“硬钎焊”和“软钎焊”，通常以450度为界，低于450度的称为“软钎焊”。电子产品安装工艺中的所谓“焊接”就是软钎焊的一种，主要用

26、锡、铅等低熔点合金做焊料。当一个合格的焊接过程完成后，在这两个界面上都必定会形成良好的扩散层。要形成扩散层，必须满足以下几个条件：1.两金属表面能充分接触，中间没有杂质隔离。2.温度足够高。3.时间足够长。5.2.1 焊接准备焊接开始前必须清理工作台面，准备好焊料、焊剂和镊子等必备的工具。更重要的是要准备好电烙铁。准备好电烙铁不仅是要选好一只功率合适的电烙铁，而且是说要调整好电烙铁的工作温度。不可让温度过高，否则烙铁头就会被烧死。烙铁头一旦烧死就必须锉掉表层重新上锡，这对于长寿烙铁头来说就是致命的损失了。必须注意调节电烙铁的工作温度，使其大约维持在300度左右。5.2.2 焊接过程1.元器件引

27、出脚的上锡即将元器件引出脚及焊片、焊盘等被焊物分别地预先用烙铁搪上一层焊锡。这样可以基本保证不出现虚焊。在焊接操作中，一定要养成将元器件预先上锡的良好习惯。对于那些表面氧化、有污渍的引脚和有绝缘漆的线头，上锡前还必须进行表面的清洁处理，手工焊接时一般采用刮削的办法处理。刮削时必须注意做到全面、均匀。尤其是处理那些小直径线头时，不能在刮削的起始部位留下伤痕。较粗的引出脚可以压在粗糙的工作台板的边缘上边转边刮，细线头则应该夹在刀片和手指之间进行。2.焊接的操作手法手工焊接有两种基本手法：一种是用实芯焊锡条时的手法，一种是使用松香焊锡丝作焊料时的手法。操作要领是：始终带着焊剂液膜操作，让焊锡在凝固以

28、前总是处于晶莹发亮的状态。因为焊锡液滴变哑色就说明表面一层已经氧化，已经不是金属，在焊接温度下不会熔解，隔着这层固体杂质，金属间的浸润、扩散将无法进行。两种焊接手法的基本要求是一致的，就是要在尽量短的时间里得到一个有着完美合金层的真焊点。实际操作时在第二种手法中往往掺和着第一种手法。3.焊接的质量检验检验焊接质量有多种方法，比较先进的方法是用仪器进行。而在通常条件下，则采用观察外观和用烙铁重焊的方法来检验。（1）外观观察检验法一个焊点的焊接质量最主要的是要看它是否为虚焊，其次才是外观。个良好的焊点其表面应该光洁、明亮，不得有拉尖、起皱、鼓气泡、夹渣、出现麻点等现象；其焊料到被焊金属的过渡处应呈

29、现圆滑流畅的浸润状凹曲面。（2）带松香重焊检验法带松香重焊是最可靠的检验方法，同时多用此法还可以积累经验，提高用观察法检查焊点的准确性。5.3 调试由于元器件特性参数的分散性、装配工艺的影响以及其他如元器件缺陷和干扰等各种因素的影响，使得安装完毕的电子电路不能够达到设计要求的性能指标，需要通过调整和试验来发现、纠正、弥补，使其达到预期的功能和技术指标，这就是电子电路的调试。调试的一般步骤是：1.经过初步调试，使电子电路处于正常工作状态。2.调整元器件的参数以及装配工艺分布参数，使电子电路处于最佳工作状态。3.在设计和元器件允许的条件下，改变内部、外部因素（如过压、过流、高温、连续长时间运行等）

30、以检验电子电路的稳定性和可靠性，即所谓的考机。调试的一般原则是先静态调试后动态调试。5.3.1 静态调试所谓静态调试即在电路未加输入信号的直流工作状态下测试扣凋整其静态工作点和静态技术性能指标。5.3.2 动态调试所谓动态调试即对电子电路输入适当信号的工作状态下测试和调整其动态指标。动态调试是在静态调试的基础上进行的。调试的关键是善于对实测的数据、波形和现象进行分析和判断，发现电路中存在的问题和异常现象，并采取有效措施进行处理，使电路技术性能指标满足预定要求。这需要具备一定的理论知识和调试经验。调试的方法是在电路的输人端接人适当频率和幅值的信号，并循着信号的流向逐级检测各有关点的波形、参数和性

31、能指标。发现故障现象，应采取不同的方法缩小故障范围，最后设法排除故障。因为电子电路的各项指标互相影响，在调试某一项指标时往往会影响另一项指标。动态调试时，必须全面考虑各项指标的相互影响，实际情况错综复杂，出现的问题多种多样，处理的方法也是灵活多变的。制作出实物如图5-1所示：图5-1 实物图进行整机电路的调试，其过程是：按照电路先静态，后动态，先局部，后整体的调试的基本原则进行。同时借助仪表进行测试点的检测，如果测得的数据与电路的技术指标相符，确定无误后，再进行通电测试。若不能正常工作，则必须对电路进一步检测，观察有无元器件错焊、漏焊等，有错误立即纠正。调试直到整机能够正常工作为止。通过实物调试，本设计实现了功能需求。总结我设计的题目是声光控制楼道灯开关，设计初不知如何下手，经过广泛查阅资料和