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声光控灯课程设计论文


课程设计说明书



目:

声光控节能灯 信息与通信学院 电子信息工程 邢茜 0800220306 李诚 工程师

院 (系) : 专 业:

学生姓名: 学 号:

指导教师: 职 称:

2010 年 12 月 17 日






光控灯和声光控灯是居家照明的重要组成部分(如楼道、卫生间、小巷等) ,它们 的出现使我们的生活方便许多,既可避免摸黑找开关造成的摔伤碰伤,又可杜绝楼道灯 有人开、没人关浪费能源的现象。 介绍了用三极管和与非门芯片实现光控灯和声控灯的原理,重点介绍了二者的实现 方法和具体细节,及制作过程中遇到的问题和相应的解决方案。 关键词:光控灯、声控灯、光敏电阻、麦克风、导通、截至、

Abstract
Optically controlled lamp and acoustic control lamp play an important role in our daily life(like in corridor,toilet,alleyway and so on).They make our life more covenient.By use of them,we can not only protect ourselves from the hurt that maybe caused in looking for the switches of lights in the dark,but also eliminate the phenomenon that someone turn on the light but nobody turn off to avoid the waste of resources. It introduces the principle of how to use dynatrons and a nand gate chip to achieve the purpose that control the lights by light and sound,and specially stresses the ways and concrete details about how to use them to achieve the purpose and the solutions of the problems that will be met in the process of making it. Key words: Optically controlled, breakover, cutoff acoustic control, mircphone, light dependent resistor





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引言 ···························· ····························1

1
1.1 1.2 1.3 1.4

光控灯··························2 · ························ 2 ·
光控灯的原理 ···························2 ·· ·· ··· ·· ··· ·· ··· ·· ··· ·· ·· · 实际电路 ·····························2 · ··· ·· ··· ·· ··· ·· ··· ·· ··· ·· ·· · 光控灯的实现 ···························3 ·· ·· ··· ·· ··· ·· ··· ·· ··· ·· ·· · 光控灯总结 ····························4 · ·· ·· ··· ·· ··· ·· ··· ·· ··· ·· ·· ·

························· 2 声控灯 ··························5
2.1 声控灯的原理 ……………………………………………………………………… ………………………………………………………………………5

2.1.1 实际电路 …………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………5 2.1.2 光控电路 …………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………6 2.1.3 声控电路 …………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………6 2.1.4 逻辑电平翻转及触发电路 ………………………………………………………… …………………………………………………………7 2.1.5 延时电路 …………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………7 2.2 2.3 2.4 声控灯的实现 ……………………………………………………………………… ………………………………………………………………………8 电路调试 …………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………9 声控灯总结 ………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………9

谢辞 ……………………………… ……………………………………………………10 ………… 参考文献 ……………………… ………………………………………………………11 …………

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引言
随着现代科学技术的发展,越来越多的高科技节能产品出现在我们生活的方方面 面,声控灯、光控灯是居家照明的重要组成部分,光控灯是由光控开关和 LED 灯组合而 成。声控灯由麦克风,放大电路和 LED 灯组成。在地球资源日渐衰竭的今日,环保、节 能是当今各产业发展的重心,尤其是需要消耗大量电力的照明产业,基于此目的的研发 工作更是趋向环保、节能的特性上著眼。因此,开发新型高效、节能、寿命长、环保的 电路对居家照明节能具有十分重要的意义。由此声控、光控 LED 灯的诸多优点在现在正 逐渐取代传统的照明设备,是照明产品的新兴光源,有「绿色照明」光源之称,未来将 光芒耀眼,发展潜力无限。声控、光控 LED 具有节能、体积小、发热量低、寿命长、耗 电量小、反应速度快、易控制等众多优点,极大的满足了人们日常生活的需要,因此十 分被灯饰业者看好。 光控灯,安装方便,使用寿命长。集光学、材料和电路技术为一体组成的自动照明 开关,白天或光线较强时,开关电路为自锁状态,LED 灯不亮,当光线黑暗时或晚上来 临时,开关自动打开,LED 灯亮,从而实现了白天自动熄灭夜间自动打开的目的,节省 了人为的控制。 声光控集声控、 光控、 延时自动控制技术为一体,内置声音感应元件,光效感应元件, 白天光线较强时,受光控自锁,有声响也不通电开灯;当傍晚环境光线变暗后,开关自 动进入待机状态,遇有说话声、脚步声等声响时,会立即通电,亮灯,延时半分钟后自 动断电;能延长灯泡寿命 6 倍以上,节电率达 90%。 二者都为人们的日常生活提供诸多方便。 本文的主要内容包括: 通过模拟电子技术的学习,提出了一种基于晶体三极管工作状态的系统设计方法, 结合光敏电阻的随着外部环境的阻值改变的特性,给出光控灯的设计方案,在此基础上 结合数字电子技术的优点,引入拾音器将声控功能加如其中,同时实现声控和光控,以 下给出了二者详细的设计过程,包括软件设计、软件仿真,以及测试和实验结果。

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第一章 光控灯
光控灯,即在有光或光照比较强的时候,发光二极管不发光,在无光照或者光照弱 的情况下,发光二极管发光。 1.1 光控灯的原理 要设计光控灯,首先要掌握光敏电阻的特性,光敏电阻又称光导管,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,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(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) ,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。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) 。经测量随着外部 环境的改变,本次所用光敏电阻阻值的变化范围为 2K-3M,即在有光照射时电阻阻值下 降,无光照时阻值上升,根据这一特性可以控制三极管工作状态进而控制灯的亮灭的电 路。 三极管工作状态分为放大、截止和饱和。当工作在放大区时,发射极正偏,集电极 反偏;当工作在截止区时,发射极和集电极均反偏;当工作在饱和状态时,发射极和集 电极均正偏。 同时三级管有两种材料做成, 一种为硅管, 其正偏发射结导通电压为0.7V; 一种为锗管,其正偏发射结导通电压为0.3V。三极管种类有NPN和PNP两种,本次课设用 到的三极管为NPN型硅管9014和PNP型硅管9012。 1.2 实际电路 设计方案图一: 设计方案图二:

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两者比较,方案图一使用到微调电阻,调节其可使电路对外界的变化更加灵敏,考 虑到本次课设设计光控灯是之后设计声控灯的一个理论基础,没有必要加太多功能,所 以选用图二为设计电路原理图。 将光敏电阻用做三极管9014的下偏置电阻,利用光敏电阻随外部光照的变化来控制 三级管9014的工作状态,可以是三级管工作在截止和导通两种不同的状态,9012基极接 至9014的发射极输出处,发射极接电源,集电极接输出LED灯,9012的工作状态受9014 的控制,当有光照时,光敏电阻阻值降低,9014基极电压被拉低而截止,9012基极电压 升高9012截止,LED灭;反之光敏电阻没有光照时,其阻值增大,9014基极电压升高并 使其导通,9012基极电压降低,9012饱和导通。

1.3 光控灯的实现 经实测光敏电阻的阻值在有光照射时大约在2K左右,无光照射时阻值大约在3M左 右,所以用R3、R4和一个开关来代替光敏电阻,当开关拨向阻值在R3时(无光照射时) , 发光二极管发光(图中发光二极管三角形成红色) ,仿真图如图1.3所示:仿真成功后, 画出PCB图,如图1.4 然后印制电路板、打孔、插器件,完成实际电路,如图1.5.,之

后对电路进行调试。

图 1.3

图 1.4

调试时用两节干电池作为 3V 电源,检查电路焊接无误后接通电源,灯不亮,将光
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敏电阻遮住,灯亮,至此电路调试成功。 器件清单: 电阻: 10k*1 100k*1 9012*1 电容:1uF 有极性*1 三极管:9014*1 干电池:1.5v*2 开关: 单刀单掷*1 排针 引线 放光二极管:红色*1

图 1.6

1.4

光控灯总结 以上光控电路主要是利用三极管的开关作用完成。由于刚开始没有计算好电源电

压,在调试初期,接上了 3 节干电池导致了 LED 灯烧坏。在实际电路中灯的电压远远高 于三极管的控制电压,如果还这样设计势必要烧坏三极管,在实际实现中可以采用耐压 值比较高的晶闸管,或者用继电器间接实现对灯的亮灭控制。调试时发现电路的感光灵 敏度不高,在很暗的时候灯才能亮,可以在光敏电阻哪里串联一个阻值适当的滑动变阻 器,这样的话就可以调节光敏电阻的灵敏度了。声控灯很容易实现,这一部分设计为第 二章的声控灯的实现提供了理论依据。

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第二章 声控灯
实际生活中的声控灯是在光线很暗和有声音时候灯亮起来,延时一段时间后自动熄 灭,在光线充足或没有声音的时则不会亮起,要达到这个效果,需要用到光控和声控两 部分电路。

2.1

声控灯的原理 电路原理图如图 2.1 所示,电路由光控部分,声控部分,放大电路,CD4011 与非门,

延时部分和晶闸管(可控硅)组成。白天或夜晚光线较亮时光控部分将开关(晶闸管) 自动关断,声控部分不起作用。当光线较暗时,光控部分将开关自动打开,负载电路的 通断受控于声控部分,电路能否接通取决于声音信号的强弱,当声强达到一定强度(不 小于 CD4011 的开门电压)电路自动接通,点亮 LED 灯,并开始延时,延时时间到,开 关自动断开,等待下一次声音信号触发。这样,该电路通过对环境声光信号的监测和处 理,完成电路开断的自动开关控制。 2.1.1 实际电路 电路中三极管在声音信号的触发下起着放大开关作用,电路也可以用运放或构成, 运放的输出直接接到 555 芯片,由 555 芯片构成单稳态电路延时,但是这样不容易将光 控功能加到其中,而且用到两个芯片,增加了成本。所以选择了一下电路。

可以将本电路分为光控电路,声控电路,逻辑电平翻转及触发电路和延时电路几个 基本电路:
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2.1.2 光控电路
如图 2.2 所示,由 R4 和 R9 组成,其中 R9 为光敏电阻,电

路中晶闸管的通断,取决于控制信号的有无。光敏电阻 R9 的阻 值随着光照强度的变化而变化,当光照达到一定强度时,其电阻 值变小到与 R4 分压后使 IC(a)2 脚处于逻辑低电平,2 脚所在的 与非门被封死,这时不管有无声音信号输入,IC(d)11 脚都是低 电平,晶闸管正向阻断。随着光照强度的减弱,R9 的阻值逐渐 增大, 脚的电平逐渐上升, 2 脚的电位上升到逻辑高电平后, 2 当 即满足了开门条件,此时的声控开始起作用,3 脚是否翻转只取 决于 IC(a)1 脚电位(声控电路输入端)是否达到了逻辑高电平。

2.1.3 声控电路

如图 2.3 所示,由麦克风 MK1,三极管 VT,电容 C1 及电阻 R1、R2、R3 等组成,其中 MK 为声检测元件,当环境声音很弱时, 三极管 VT 处于饱和状态,IC(a)1 脚为低电平 11 亦为低电平,晶 闸管阻断,当环境声音信号达到一定强度时,通过 MK1 拾音输出 经 C1 耦合到 VT 的基极, 使集电极即 IC(a)1 脚电位随声强而高低 变化,当 1 脚处于高电平时,由于 2 脚早已处于高电平而满足了 与非门翻转条件,3 脚跳变为低电平。 麦克风的接收声音信号并将信号转化为电流信号(交流信 号) ,使三极管 VT 由饱和状态转为截止状态,电阻很大,基本上 为 VCC 电压值。所以在声音信号来到时会有三极管 C 极电压的跳 变现象,如图 2.3(a) 。也正是由于这一现象使得声控功能得以 实现。

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2.1.4 逻辑电平翻转及触发电路 如图 2.4 所示,由四二输入与非门 IC(CD4011)及 R7、R8 等组成。图中看出白天或 光线很亮时, 与非门 IC(a)的 1 脚为低电平,3 脚输出为高电平, 经过 IC(b)、 IC(c)、 IC(d) 的电平翻转, IC(d)11 脚输出为低电平,晶闸管不被触发,灯不亮; 当环境光线较暗使 IC(a) 的 2 脚为逻辑高电平时, IC(a)的翻转提供了必要条件, 为 IC(a)翻转与否受控于 IC(a)1 脚电平的高低(声控输入端) 。当有声音信号输入使 IC(a)的 1 脚为高电平时,输出 3 脚跳变为低电平,4 脚跳变为高电平并经 D1 向 C1 充电,C3 上的电压不断升高,当 C3 上的电压上升到 IC 逻辑高电平时,10 脚变为低电平,11 脚输出高电平,经 R7 加到晶闸 管q控制极,晶闸管q被触发导通。

2.1. 5 延 时电 路 如 图 2.5
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所示,由 R5、R6、C2、D1 等元件组成。结合声控电路光控电路分析,当晶闸管 q 被触 发导通时 C1 上的电压降低,MK1 拾音器的灵敏度降低,VT 重新饱和,3 脚为高电平,4 脚变为低电平,由于 D1 的隔离作用,C2 上的电压仍维持 8、9 脚高电平,11 脚也为高 电平,C2 上的电压通过 R5、R6 放电,直至 C3 上的电压降低至 IC 逻辑低电平时,11 脚 变为低电平, 晶闸管 q 在正负极间的电压过零时被正向阻断, 上的电压重新升高, C2 MK1 恢复拾音灵敏度,等待下一次声控信号的输入,IC 8、9 脚电位从高电平降低为低电平 的时间,即为开关接通的维持时间,由 C2 和 R5、R6 的数值确定。

2.2 声控灯的实现 图 2.6 为声控灯的仿真图, 其中用 5mv 的交流信号源作为声音信号, 将其与开关 J1 一同串接进声控电路,开关闭合表示有声音信号;在光敏电阻下并接两个阻值不同的电 阻,开关 J2 与大电阻的串接模拟光线较暗时候,开关 J3 与小电阻串接模拟光线亮的时 候,当开关 J1 与开关 J2 均闭合时,表示光线较暗且有声音,此时灯亮。

图 2.6

图 2.7 为整体电路的 PCB 图,将画好的 PCB 图印制到电路板上,之后腐蚀、打孔、 插器件、焊接,得到实物电路板如图 2.8

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图 2.7

图 2.8

2.3 电路调试 在板子完成后,对其进行功能测试,步骤如下: 1.断开光敏电阻,电容 C1,与非门 IC(a)的 2 脚为高电平,1 脚为低电平,3 脚输出 为高电平,经 IC(b) 、IC(d)逻辑电平转换,IC 11 脚输出为低电平,晶闸管 q 不被 触发,灯不亮。 2.断开三极管 VT 的集电极或发射极,同时断开光敏电阻,与非门 IC(a)1,2 脚为高电 平,3 脚输出为低电平,经 IC(b) 、IC(d)逻辑电平转换, IC 11 脚输出为高电平,晶闸管 q 被触发,灯亮。综上两步调试,图 2.4 工作正常。 3.断开光敏电阻,接通电源,这时灯不亮。击掌触发声控电路,灯亮。经过一段时间延 时,灯灭,说明图 2.3 和 2.5 工作正常。 4.最后检查光控电路,电路全部复位,接通电源,灯不亮。用深色物品将光敏电阻遮住, 击掌触发声控电路,灯亮。至此电路调试完毕。 2.4 声控总结 声控的制作过程花的时间较长,刚开始研究原理图时参看了好多资料,包括模电课 本,数电课本,查阅了一些器件的用法,如晶闸管,之后对原理图进行了仿真,仿真过 程中对麦克风和光敏电阻进行模拟,仿真成功后开始制作电路板,然后进行调试,在调 试过程中发现了好多问题:电路没有焊好,有好几处虚焊的地方,芯片没有插好,晶闸 管接反了,这些都导致电路没能完全工作,刚开始没有成功。本次课设中 R 为 2M 固定 电阻和 1M 的滑变,C 为 22uF 的极性电容,延时时间理论上为 44 秒,而实际中为 35 秒
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左右,是因为开门晶闸管有一定的开门电压,同时与非门也有低电平限制,两者都限制 了晶闸管的实际导通时间。





这次课设是我第一次完完全全自己做的,无论是原理图的研究,板子的布线还是最 后的调试,都很用心,我想为自己喝彩。这次课设非常感谢我的指导老师李诚,在我做 板子最艰难的时候,李老师给了我及时的教导和亲切的鼓励,李老师的谆谆教诲让我可 以毫无压力的遨游在知识的海洋里,再次感谢李老师。 这次课设科协的同学也给我提供了很多方便,很感谢他们。

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参考文献:
[1] 王卫东.模拟电子电路技术[M].西安:西安电子科技大学 2002,58~62. [2] 阎石.数字电子技术基础(第五版)[M].北京:清华大学出版社,1977:138~162. [3] [4] [5] [6] 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉:华中科技大学出版社,2002:79-81. 周魏、 黄雄华.数字逻辑电路· 实验· 设计· 仿真[M], 成都: 电子科技大学出版社, 2007: 41-49. 唐宇、陈大兴.电子技术实践教程[M].成都:西安交通大学出版社,2009:126-140. 熊发明、严俊、龙超等.新编电子电路与信号课程实验指导.北京:国防工业出版社,2005: 124-138.

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