声光控LED课程设计.doc

电 子 课 程 设 计

设计题目：声 光 控 LED 设 计
班 级：2013级 机 械 二 班
指导教师:
设计时间：

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目 录

摘要 ……………………………………………………………1
1 概述……………………………………………………………1
2 课程设计任务及要求……………………………………………3
2.1 设计任务…………………………………………………3
2.2 设计要求…………………………………………………xx
3 理论设计…………………………………………………xx
3.1 理论分析…………………………………………………xx
3.2 系统设计…………………………………………………xx
3.2.1 结构框图及说明………………………………xx
3.2.2 系统原理图及工作原理……………………………xx
3.3 单元电路设计……………………………………………………xx
3.3.1单元电路工作原理…………………………………………xx
3.3.2元件参数选择………………………………………………xx
4 安装调试…………………………………………………xx
4.1 设备准备与检查 …………………………………xx
4.2 安装调试过程………………………………………xx
4.3 故障分析……………………………………………xx
4.4 实物展示……………………………………………xx
5 结论………………………………………………………xx
6 使用仪器设备清单………………………………………xx
7 收获、体会和建议…………………………………………xx

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摘 要
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。LED作为新一代的节能照明产品，其拥有低能耗、体积小、无污染等诸多优点而受到广泛关注。声、光控照明灯开关电路，能自动控制白天关，夜晚有声响自动开启亮灯，使其能达到人走灯灭的效果。该电路具有灵敏高、性能稳定、使用寿命长、节能等特点。
关键词： LED； 照明； 节能工作； 声光控开关

1 概述
LED（Lighting Emitting Diode）照明即是发光二极管照明，是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具[1]。
1.1 LED概述
1.1.1 基本概念及照明原理
LED是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I- N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。
假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数以内产生。
理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即
 （1.1）
式中Eg的单位为电子伏特（ev）。若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63ev之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍[2]。
1.1.2 LED照明的特性
1 极限参数
（1）允许功耗Pm:允许加于LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值，LED发热、损坏。
（2）最大正向直流电流IFm：允许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。
（3）最大反向电压VRm：所允许加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击穿损坏。
（4）工作环境topm:发光二极管可正常工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不能正常工作，效率大大降低。
2 技术特征
（1）发光效率高。LED的发光效率高于传统灯具。传统灯具大部分的电耗变成了热量损耗，而LED无需过滤可直接发出有色可见光，电耗直接转变成了光效,发光效率高。
（2）耗电量少。LED采用直接驱动，反应速度快，可在高频操作。在同样照明效果的情况下，LED耗电量是白炽灯的八分之一，荧光灯管的二分之一，是节电降耗的最佳选择。
（3）使用寿命长。LED 灯头体积小、重量轻，采用环氧树脂封装，可承受高强度冲击和震动，不易破碎。LED灯具平均使用寿长于传统灯具。
（4）安全性强。LED发热量低，无热辐射，冷光源，可以安全接触；能精确控制光型、发光角度和发光颜色；不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。
（5）绿色环保。LED为全固体发光体，废弃物可回收，对环境无污染，有利于环境保护。
1.1.3 LED与传统的照明设备比较
（1）传统的照明设备
（1.1）白炽灯：白炽灯是历史最悠久的灯，应用极为广泛，它的发光原理基于真空或中性气体中的灯丝通过电流加热到白炽状态引起的热辐射发光现象。它的优点是结构简单、价格低廉、使用方便、显色性好；缺点是发热大、发光效率较低、使用寿命较短、应特别注意，如果电源电压增加5，灯的寿命将缩短50％。
（1.2）荧光灯：荧光灯家族包括普通日光灯和紧凑型荧光灯。它的原理是利用汞蒸气在外加电压作用下产生弧光放电，发出少许可见光和大量紫外线，紫外线又激励灯管内壁涂覆的荧光粉，使之发出大量的可见光。紧凑型荧光灯可逐步替代白炽灯：其节电率高，15W的紧凑型荧光灯亮度与75W的白炽灯相当。寿命长，平均寿命8000小时，最长达20000小时，白炽灯只有1000小时～2000小时。
（1.3）放电灯：通过两电极放电使密封在灯泡内的气体发光，所有此类灯需加装镇流器限制电弧。
（2）新型的照明设备LED
LED（Lighty Emitting Diode），又称发光二极管，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，PN结的端电压构成一定势垒，当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散，由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以会出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去这就是PN结发光的原理[7]-[11]。
1.1.4 LED灯具发光效率高
光谱几乎全部集中于可见光，频率效率可达80%-90%，而且其光的单色性好 光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。
表1-1发光效率的对比
灯具种类
光效/（流明/瓦）
白炽灯
5-10
卤钨灯
5-10
荧光灯
40-80
钠灯
40-110
LED灯
60-250
低功率的LED光源在同等照明效率情况下可替代高功率的普通能灯具。如20W的LED灯可替代100W的普通能灯具30W的LED灯可替代150W的普通能灯具40W的LED灯可替代200W的普通能灯具LED单管采用直流驱动，耗电量较小，可大幅度降低电费60%左右（具体能耗对比表2-2）。普通LED灯具还可升级为太阳能供电，此方式适合供电困难的环境使用，可采用光控和时控方式智能控制开关，智能控制开关可在必要时打开光源，减少在自然光充足时开灯带来的电力浪费。
表1-2路灯的电耗对比

每天照明小时
年电量（千瓦时/年）
电费单价（元/每千瓦时）
年电费/元
3年电费/元
高压钠灯
10
54750
0.8
43800
131400
LED照明灯
10
21900
0.8
17520
52560

1.2 声光控电路概述
声控延时开关是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关[12]。
特点及功能：
（1）发声启控：在开关附近用手其他方式（或吹口哨、喊叫等）而发出一定声响，就能立即开启灯光及用电器，得心应手。
（2）自动测光：采用光敏控制，该开关在白天或光线强时不会因声响而开启用电器。
（3）延时自关：开关一旦受控开启便会延时数十秒后将自动关断，减少不必要的电能浪费，实用方便。
（4）延时用电器使用寿命。
（5）用途广泛：本产品可用于各类楼道、走廊、卫生间、阳台、地下室车库等场所的自动延时照明。

2 课程设计任务及要求
2.1 设计任务
利用数电和模电知识设计一个声光控LED电路
2.2 设计要求
对于电路的基本要求：
（1） 有光时，无论是否有声音，灯都不亮；
（2） 无光时，有声音，灯亮，无声音，灯不亮；
（3） 灯亮后，保持点亮5~10秒，之后，灯自动熄灭。

3 理论设计
3.1 理论分析
对于任务的设计要求进行分析，可以看出整个电路大概可以分为这样几个部分，声控部分，光控部分，开关部分，延时部分，供电部分。在声控部分，声音传感器的信号较小，可以用一个放大电路来放大其信号。只有当无光，有声时，灯才亮，所以声光控部分可以统一考虑，可以使用一个与门来实现这一要求。而这次设计对于供电没有特殊要求，开关和供电部分也可以统一考虑。

3.2 系统设计
3.2.1 结构框图及说明
（1）根据以上分析，声光控LED电路的基本结构框图如图1-1所示
驱动电路
LED灯

延时电路
放大电路
声音 传感器
与 门电路
比较电路
光敏 传感器

比较电路

图3-1
（2）电路方案
1）声光控制电路：声光控制电路包括声控电路、光控电路和与门电路。
① 声控电路：声音传感器的输出信号非常微弱，为方便后级电路处理要先行放大整形。一般用三极管放大整形。整形后的信号送到比较器，当有声音信号时比较器输出高电平。
② 光控电路：利用光敏电阻白天电阻只有几K，晚上电阻高达几M的特点，使光控电路白天输出低电平，晚上输出高电平。
③ 与门电路：根据要求，LED灯必须是晚上，且有声音时才点亮，所以设置一个与门电路，可以用数字电路的与门电路，也可以用二极管构成与门电路。
2）综合电路：包括延时电路和驱动电路。
① 延时电路：为了保证触发之后，LED灯点亮5~10秒，必须设置延时电路，这里可以用简单的RC电路实现。
② 驱动电路：包括驱动电路和开关电路。

3.2.2 系统原理图及工作原理
声光控制电路设计
（1）电路的结构形式
根据设计要求声光控制电路的结构如图3-2所示。
（2）声光控制电路工作原理
使用三极管的放大功能，有声时输出高电平，无声时输出低电平。A1，A2均用作电压比较器。
白天时，由于光敏电阻电阻只有几K，比较器A2输出低电平。到了晚上，由于光敏电阻高达几M，这时比较器A2输出高电平，若此时 走道有声音，A1比较器也为高 图3-2
电平。

延时驱动电路设计
（1）电路的结构形式
根据设计要求延时开关电路的结构如图3-3所示。
（2）电路工作原理
晚上，声光控制电路输出高电平，通过D3迅速向C2充电，并给电压比较器A3输入高电平，使电压比较器A3输出高电平，给LED供电，LED点亮。当走道声音消失后，声光控制输出恢复为低电平，D3不通，C2通过R8放电，即给电压比较器A3输入高电平，只要+极输入电压高于-极输入电压，A3即输出高电平，这样即可起到延时效果。 图3-3

3.3 单元电路设计
3.3.1 单元电路工作原理

图3-4
电路图如图3-4所示，R7和D1，D2共同组成一个与门电路，当A1，A2输出均为高电平时，向D3输出高电平。即是当无光，有声时，声光控制电路向延时电路输入高电平，而延时电路输入高电平后，LED灯延时点亮一段时间。
3.3.2 元件参数选择
R1、R7阻值10K，R2、R8阻值2M，R3阻值510K，R4、R5、R6阻值200K，R9阻值1K。三极管采用S8050型NPN小功率晶体管。D1，D2，D3使用IN4007整流二极管。C1使用3.3μF电解电容，C2使用10μF电解电容。A1，A2，A3均使用UA741单集成运放。声音传感器使用6*5mm电容式驻极体话筒。光敏电阻使用5mm，5537型光敏电阻。LED灯使用5mm白色发光二极管。电源电压VCC为6V。
4 安装调试
4.1 设备准备与检查
（1） 设备准备
工具：电烙铁整套工具，万用电表等
零件：电路图中所有零件（由于购买及调试要求所有电阻均换为3296W电位器，集成运放需准备底座），万用板，电池盒及四节电池等
（2） 设备检查
先将万用表调零、校准，然后使用万用表根据各零件特性，检测各零件是否可以正常使用。

4.2 安装调试过程
安装过程：
对于电阻，均使用电位器的最大阻值，由于调试要求，将R3换为可最大阻值为2M的电位器，使用可调功能，以保证三极管工作在放大状态。电源由四节干电池提供。先在电路板上规划好电路排布，然后开始连接电路，直接用焊锡在电路板背后连接电路，电路交叉的地方使用导线飞线连接。
调试方案：
对于声光控制LED，调试过程是：先调试声光控制电路，再调延时、驱动电路。高电平由电池盒连接导线提供，用万用表检测。
（1）声光控制电路调试
①光控电路：
对光敏电阻进行遮光，检测A1的+极输入端和A1的输出端，应该均为有光为低电平，无光为高电平。
②声控电路：
给话筒输入一定的声音信号，检测A2的+极输入端和A2的输出端，应该均为无声为低电平，有声为高电平。
③与门电路：
向D1，D2输入高电平，检测与门电路的输出，应为高电平。
（2）综合电路电路调试
①延时电路：
先给C2送一段高电平信号，然后断开，检测A3的+极输入端，应保持5~10秒的高电平。
②驱动电路：
给A3的+极输入端接高电平，检测A3的输出端，应为高电平，同时，LED灯应该点亮。

4.3 故障分析
在调试过程中，如果发生故障，一般只有电路问题和零件问题两种。电路问题可以分为电路设计问题，电路连接问题等。电路设计问题要重新设计电路。电路连接问题可能是焊接了错误的电路，可能某些地方有不明显的断路或短路等。零件问题则一般为零件正负极反向，零件使用错误，零件损坏，集成块安装错误等。如果发生故障，先检查电路连接问题，然后检查零件问题，基本可以解决问题。如果仍然存在故障，则应检查电路的设计问题了。

4.4 实物展示

5 结论
在本次课程设计中，整个电路在一张7*9cm的万用板上完成，完全按照要求完成了声光控LED电路的设计，完成了在有光照条件下，LED灯不亮；无光照条件下，有声音时，LED灯点亮，并持续5~10秒的要求。

6 使用仪器设备清单
电烙铁，松香，烙铁架，海绵，焊锡丝，万用电表，7*9cm万能板，3296W电位器（102,103,204,205），S8050型NPN小功率晶体管，IN4007型整流二极管。电解电容（3.3μF，10μF），UA741单集成运放（带底座），6*5mm电容式驻极体话筒，5537型5mm光敏电阻，5mm白色发光二极管，电池盒，电池。

7 收获、体会和建议
在本次课程设计中，我学到了很多东西。对于数电和模电知识，有了更深的理解，对于它们在生活中的应用，我有了一次真正实践的机会。它让我对于数电和模电的知识不再只存于纸面，而是让我学会了应用。同时我也是第一次真正的使用电烙铁来完成一个完整电路的焊接，使我熟练掌握了使用电烙铁的方法，以及各个零件在电路板上应该如何排布才比较合理。