声光控制灯感应系统

石河子大学电子工程系课程设计专业名称课程名称：模拟电子技术课题名称：声光控制灯感应系统设计人员：指导教师：2014年2 月 7 日模拟电子技术课程设计、课题名称：声光控制灯感应系统、技术指标：输入：光强信号、声音信号输出：开关信号逻辑：在满足光强（不足）条件下，输入声音信号时，输出“开”信号并延时，自动关断；光强足够时，封锁输出或封锁声音检测电路要点：光强信号检测要考虑排除脉冲信号干扰，如雷电、爆竹、拍照等闪光，可以 通过对光强检测信号的简单滤波达到目的，滤波时间常数为秒级即可三、要求：1、拟定测试方案和设计步骤；2、根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图;3、利用电路制版软件画出原理图、PCB电路板图、装配图;指导教师：学 生：电子工程系2013年2月7日课程设计报告书评阅页课题名称：声光控制灯感应系统班 级：姓 名：2014年2月7日指导教师评语:考核成绩:指导教师签名：201年 月 日摘要生活用照明灯大多数都是由普通开关控制，但在现实生活中普通开关控 制不仅在晚上使用不方便，而且由于没有及时关闭造成大量能源浪费，尤其 是在教室等公共场所长明灯现象更为严重。随着电子技术的快速发展，尤其 是数字电子技术的发展，用数字电路技术实现灯的自动点亮、节能节电、延 长灯的使用寿命已变得越来越成熟，而且也贴近我们的实际生活。本文设计的声光控制开关电路是一种利用声音信号和光信号双重控制 且具有定时功能的电子开关，它主要有电源电路、声控电路、光控电路、延 时电路及开关电路等部分组成，实质上就是一个替代传统手动开关的受声、 光双重控制的电子开关。白天或光线较亮时，光控电路通过光敏电阻对外界 光照强度进行检测，将外界光强信号转化为电信号，此时开关电路输入端为 低电平，开关不导通，无论外界有没有声音信号灯都不亮，从而实现控制灯 白天不亮的功能；晚上或光线较暗时，光控电路通过光敏电阻将光照强度信 号转化为电信号，外界有声音信号时，声控电路将检测到的声音信号转化为 电信号，并与光控电路转化来的电信号经与非门一起送入后续电路，此时开 关电路输入端为高电平，开关导通，灯点亮，并延时一段时间后自动熄灭， 从而实现控制灯晚上受声音信号控制的功能。而且对于声音信号感应的灵敏 度和对光信号感应的灵敏度能够调节，还可以人为设定延时时间。本系统使用的是分离元器件，电路明了，结构简单，克服了现有声光控 制开关成本高、体积大等缺点，同时还大大减少了维修量，不仅节约了资金， 更节约了能源，是家庭及公共场所理想的照明开关，特别适用于楼梯、走廊、 仓库、厕所等公共场所的照明自动控制。关键词：自动控制；声控电路；光控电路；放大电路；延时电路目录第一章：系统整体设计1.1. 声光灯感应系统的工作原理11.2. 声光控制系统主要电路分析2第二章：电路设计步骤2.1. 所用元器件介绍62.2. 电路仿真图及其分析7第三章：电路调试与检测3.1. PCB图及3D效果图83.2. 调试与检测9第四章：总结与心得体会参考文献9第一章系统整体设计1.1.声光感应系统的工作原理图1声光双控电路框图如图1所示，本设计主要由桥式整流电路、降压滤波电路、声音信号输 入电路、光信号输入电路、延时控制电路以及外接电路6部分组成。桥式整流电路将220V市电变成脉动直流电压，再经过限流，稳压，滤波 输出12V直流电压，为集成块及三极管提供电源。声音信号和光敏电阻感受 到的光信号以“与”的关系来控制集成块输出高低电平，构成的延时电路， 实现自动延时，然后集成块的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡 的亮与灭。总体电路原理相关说明系统采用CD4011为核心控制晶闸管的通断。其工作电路如图8所示。二 极管D2-D5组成桥式整流电路将220V市电变成脉动直流电压，再经过R7限 流，D6稳压，C2滤波输出12V直流电压，为集成块CD4011及三极管Q1提 供电源。驻极体话筒MIC的声音信号和光敏电阻RG感受到的光信号以“与” 的关系来控制CD4011输出高低电平，经过C3和R6构成的延时电路，实现 自动延时，然后CD4011的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡的 亮与灭。总体电路原理图图2总体电路原理图此开关在光线强度低于2.5LM时，只有说话声，脚步声，拍手声等声源， 本开关就能自动把电灯点亮，人离开约1分钟后自动熄灭，从而达到节电和 延长电灯寿命。1.2.声光控制系统电路分析.整流电路：所谓桥式整流电路，就是用二极管组成的一个整流电桥，整流电路如 图3所示，它是由图中的极管D1、D2、D3、D4、组成，其功能是将220V的 交流市电转换为直流电压以提供后续声控电路、光控电路延时电路及开关电 路等电路所需的工作电压。整流电路的工作原理：桥式整流电路是最基本的将交流电转换为直流电 的电路，整流电路中的二极管作为开关使用，具有单向导电性，根据图3中 的桥式二极管整流电路以及图4中的整流波形图可知：当正半周时，二极管 D1、D3导通，在负载电阻上得到的是正弦波的正半周；当负半周时，二极管 D2、D4导通，在负载电阻上得到的是正弦波的负半周；在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压，再经降压滤波后就可 为后续电路提供所需的工作电压。Vt1 . 3 A空电路时，以对声音信号感应的灵敏度应能接收到像人的说话声、拍手声、脚步声等比较常见的声音信号为准。而比较常用的声音传感器 有电容式和磁电式两类。电容式声音传感器是通过声音的振动，从而引起电 容量的改变，来得到声音信号到电信号的转化，目前常见的有驻极体话筒； 磁电式声音传感器是通过用声音的振动，带动导线切割磁力线产生电流，以 达到声音信号向电信号的转化，目前常见的就是动圈式话筒。在这里使用驻 极体话筒，利用驻极体话筒采集外界声音信号并转换成电信号，实现声音信 号到电信号的转换。驻极体话筒的基本结构是由一片单面涂有金属的驻极体 薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极构成，驻极体面与背电极相对，中间 有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和 驻极体上的金属层作为两个电极构成的一个平行板电容器，电容的两极之间 有输出电极，高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久自由电荷Q，由于 没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震 动，因此驻极体和背极的距离也跟着变化，即改变了电容两极板之间的距离， 从而引起电容的容量C发生变化，而驻极体上的自由电荷数Q始终保持不变， 根据公式：Q cu当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声音 信号到电信号的变换。由于所形成的电容器的电容量很小，使得驻极体话筒 转化来的电信号相对较弱，转换的电信号必须经过一定放大才能起到良好的 控制作用，这里采用晶体三极管组成的放大电路来放大驻极体话筒产生的电 信号，不仅简化了声控电路的结构设计，而且对声音信号的控制作用也更荣 易实现。声控电路如图5所示，由Q1、R1、R2、R3、C2、MIC组成。其中MIC 为驻极体话筒，它把采集到的声音信号转化为电信号,经电容C2耦合至三极 管Q1的基极，然后通过与门电路与光敏电阻转化来的电信号一起送入后续 电路。外界有声音信号时，如果环境的声音信号很弱，三极管Q1仍处于饱和 状态，集电极输出为低电平；当外界声音信号达到一定强度时,驻极体话筒将 转化来的电信号经C2耦合到Q1的基极，三极管由饱和进入放大状态,集电极电位随着声音信号的强弱而高低变化，当声音信号达到一定强度时，其集电 极由低电平转变成高电平，声控电路导通，并将信号传递至开关电路，控制 灯的亮或灭。Q,2V图5.声控电路斗RG图6光控电路.光控电路光控电路一般可由光电传感器和电子元器件构成，首先把被测量的变化转换成光信号的变化，/然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，此 处可以选用光敏电阻作为光信号采集元件，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 照强度的增加而变大，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。光信号的强弱由光 敏电阻转化成电信号的强弱，然后与声控电路采集到的电信号一起送到延时 开关电路，只要转化来的电信号强度能够达到一定程度就能触发开关电路， 使其导通或截止，从而达到光信号自动控制声控信号的目的。亳空电路如图5所示，,由R4和RG组成，设计所用的光敏电阻亮电阻为 20K-30K,暗电阻约为10M，在光敏电阻上串接的电阻R4的阻值应该大于30K, 小于10M，具体阻值在调试时依据对光信号感应灵敏度而定。第二章：硬件电路设计2.1 .所用元器件介绍如下：序号器件名称主要参数及型号数量备注R1电阻27K 1/4W1AXIAL0.4R2电阻2.2M 1/4W1AXIAL0.4R3电阻33K 1/4W1AXIAL0.4R4电阻180K 1/4W1AXIAL0.4R5电阻51K 1/4W1AXIAL0.4R6电阻1M 1/4W1AXIAL0.4R7电阻270K 1/4W1AXIAL0.4RG光敏电阻1C1瓷片电容1041C2电解电容100UF/25V1RB0.5C3电解电容10UF/50V1RB0.5Q1三极管90141TO92D1二极管1N41484DIODED2D5二极管1N40071DIODED6稳压二极管12V1DIODED7可控硅MCR100-61TO92kMIC驻极体话筒1U1集成芯片TC4011BP1DIP-14灯泡40W1元器件表第三章：电路的调试与检测3.1. PCB图及3D效果图63.2.系统测试与调试在有光照射条件下，无论外界有没有声音信号，测量三极管Q1的集电 极C应为低电平，集成电路U1A的1脚为低电平，3脚输出高电平，4脚输 出低电平，则二极管D1把电流隔离，可控硅没有得到高电平触发信号，开 关不导通，灯不亮；外界无光照条件下，有声音时，集成电路U1的1脚和2 脚都为高电平，3脚输出低电平，11脚为高电平，可控硅获得高电平触发信 号，开关导通，灯亮，延时一段时间后能自动熄灭，达到以上要求，说明电 路已调试成功。经测试驻极话筒对声音信号的采集比较灵敏，光敏电阻对光信号的接收 也很灵敏，可控硅也起到了很好的开关控制作用。本设计基本实现了灯泡在 白天或光线较亮的情况下，无论外界有没有声音信号灯都不亮，而在晚上或 光线较暗情况下外界有讲话声、口哨声、拍手声等声音信号时才亮的功能， 并且可以自动延时一段时间，总体达到了系统设计要求。0第四章：总结与心得体会通过本课程设计，我进一步熟悉了各元器件的工作原理及功能，比如驻 极体话筒和可控硅的管脚分布、参数及工作原理，进一步掌握了原理图的设 计与电路板的焊接。在电路的设计与调试过程中也遇到了很多问题，第一次 在面包板上调试时，由于电路的一根线短路而导致调试失败，这使我明白了 在调试电路时必须先仔细检查各部分电路的连接情况。第一次在焊接好的电 路板上调试时，由于把可控硅的A极与K极接反导致可控硅不导通，从而使 电路不工作，这使我深刻认识到在用每一个元器件时，首先要查清楚它的pdf 资料，明白它的工作原理及各管脚的功能。