光声控灯的设计--本科毕业设计.doc

学号 2011301714

毕业设计说明书

设计题目 声光控灯设计

系 部 机械电子系

专 业 机电一体化

班 级 机电1107

姓 名 王志坤

指导教师 白金柯

2013年10 月29日

河南化工职业学院毕业设计说明书

摘 要
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, acoustic control, mircphone, light dependent resistor
breakover, cutoff

目 录
摘 要 1
Abstract 2
目 录 3
1设计的目的和任务 4
2设计要求 4
3总体框图设计 4
4功能设计 5
4.1 VCC值的确定 6
4.2延时的确定 6
4.3与非门的高低点评的输入确定 6
4.4整流电路设计 7
4.5电容滤波电路 8
4.6晶闸管的工作原理 9

5总原理图 11
6调试 13
7元器件清单 14
8总结 15
致 谢 16
参考文献 17

1设计的目的和任务
1、巩固加深对模拟电子技术基础知识的理解，提高综合运用所学知识的能力，培养学生独立分析问题、解决问题的能力。
2、通过查找资料、选方案、设计电路、仿真或调试、写报告等环节的训练，熟悉设计过程、步骤。为今后从事电子线路的设计、研制电子产品打下良好的基础。
3、作为电力电子技术的入门，学习晶闸管的应用。
4、设计模拟和数字电子混合电路，实现特定功能。学习这一技能，积累这方面的经验。
2设计要求
1、设计办公大楼、写字楼或居民住宅楼内应用的声控灯开关。
2、在白天照度较高时，即楼道内光线充足时本开关不启动，灯熄灭。
3、夜晚楼道内光线较差时，若楼道内充分安静（无人行动时），灯泡不启动。
4、若在光线较差的楼道内有人发出声响，就启动该装置使灯泡点亮。
5、画出电路图
（1）用protel绘制电路图
（2）布局合理、排列均匀、图面清晰、便于看图、有利于对图的理解和阅读。
（3）图形符号要标准，图中应加适当的标注。
3总体框图设计
根据技术要求，此声控灯开关可由以下几个单元组成：
感光
检音
延时
反相
反相、放大
整形
控制门
电子开关
灯
图1整体框图

4功能设计

图2 声光控制电路图
根据图2电路，原理如下：
由四个二极管组成的桥式整流电路将输入电路的220v50hz交流电压变换成脉动直流。该脉动直流电压一路由R3和R1、C3分压并滤波后得到传感及逻辑控制电路所用的电压VCC；另一路接到晶闸管BT169的阳极。
当BT169的控制极（栅极）为高电平且输入的交流信号Vi=COS（wt+Φ）处于正半周期时，电流由D2→地→D4→灯流过而将灯点亮。当Vi处于负半周期时，电流由灯→D3→地→D1而将灯点亮。当BT169的控制极为低电平时，晶闸管截止，此时不会产生驱动灯的电流，此时灯是熄灭的。由此可见，灯的亮灭是由晶闸管的控制极电平决定的。因此，关键的问题是如何控制其栅极电平的高低。
有光时灯灭；无光无声时灯灭；无光有声时灯亮。参见图2，对光敏电阻RW而言，当有光时，RW<2kΩ，此时HD14011的1脚亦即第一个与非门的一个输入端为低电平（地），所以3脚为高电平、4脚为低电平，10脚为高电平，11脚为低电平（后文设上述由左至右四个与非门的输出分别为A,B,C,D），则此时晶闸管截止，灯泡是暗的。相反，如果无光时，RW>2MΩ，此时HD14011的1脚是高电平，此时第一个与非门的输出取决于2脚的状态，而2脚的状态将由噪声传感器来决定，当没有声音时，2脚为低电平，因此A为高电平，B为低电平，C为高电平，D为低电平，此时晶闸管截止，灯泡

为暗。当有声音产生时，在麦克两端产生一个交流信号，经过电容而将2脚置成高电平，此时A为低电平，B为高电平，C为低电平，D为高电平，从而将晶闸管触发导通，灯泡点亮，同时由于B点为高电平，可对电容C2充电，这样，当声音消失之后，由于C2和R7的存在，使C点维持在低电平直到C2放电结束，在此过程中，灯泡将会一直保持在亮的状态直至此过程结束。
4.1 VCC值的确定
可由R3、R1的分压作用将家用电压经整流后所得电压Vo=220ｘ1.414=311V
输入电压的表达式为：Vcc=R1*Vo/(R1+R3) 算得Vcc=5V
4.2延时的确定

图3 延时电路部分
由R7、C2组成延时电路，要求延时为1min，与非门工作高低电平为3.4V,0.3V
延时T计算公式：t=R7C2ln（Vt+/Vt-） 算得R7=1.1MΩ C2=22uf
4.3与非门的高低点评的输入确定
NPN的参数为：β=50Vce(sat)=0.3V Vbe=0.7V
如果无光时，RW>2MΩ，与非门有一脚是高电平，此时第一个与非门的输出取决于另脚的状态，此脚的状态将由噪声传感器来决定。
当没有声音时：
灯不亮，要求第一个与非门的一脚为低电平，即使三极管工作在饱和区满足条件，

且输出的电压为0.3V。此时A为高电平，B为低电平，C为高电平，D为低电平，此时
晶闸管截止，灯泡为暗。
由三极管的工作参数得： Ibs=（Vcc-Vce）/R8β=0.2uA
Ib=（Vcc-Vbe）/R2 =1.4uA 在饱和工作区不满足Ic=βIb 且Ib>Ibs
令Ib=10Ibs
由此可得R8=510KΩ R2=3MΩ
当有声音时：
灯亮，要求第一个与非门的一脚为高电平，三极管工作在放大区且输出高电平3.4V。在麦克两端产生一个交流信号，经过电容而将脚置成高电平，此时A为低电平，B为高电平，C为低电平，D为高电平，从而将晶闸管触发导通，灯泡点亮。
R=R6//R2 算得R=35Ω
IIb+Vce/R 算得I=20mA
满足声音传感器的额定电流I=20mA，电压1～12V。

图4 等效图
4.4整流电路设计
整流电路有单相桥式整流电路，单相半波整流电路，单相全波整流电路等。
本系统选用单相桥式整流电路。
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图5所示。
在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。

根据图5的电路图可知：
当负半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当正半周时二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。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。单相桥式整流电路的波形图见图5。

图5 整流电路及波形图
4.5电容滤波电路
滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L 应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等。本系统设计在单相桥式整流电路直接接并联电容构成电容滤波电路，经过此电容滤波电路滤去整流输出电压的纹波。电容滤波电路如图6所示
滤波原理：若电路处于正半周，二
极管D2、D4导通，变压器次端电压v2
给电容器C充电。此时C相当于并联在
v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦形。
所以，在t1到t2时刻，二极管导
电，Ｃ充电，vC=vL按正弦规律变化； 图6 电容滤波电路

t2到t3时刻二极管关断，vC=vL按指数
曲线下降，放电时间常数为RLC

图7 电容滤波过程

当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移， t2点要左移，二极管关断时加长，导通角减小，见图7中的曲线；反之， RLC减少时，导通角增加。显然当RL很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图7中的曲线。反之，当ＲL很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大，电容滤波的效果也很好，见图7中的曲线。
4.6晶闸管的工作原理
晶闸管的工作原理分析：晶闸管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图G1所示。当晶闸管的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时BG2道通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始道通，BG1的道通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和道通状态。电路很快从截止状态进入道通状态，这时栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持道通状态不变。如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和BG2均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少BG1

和BG2的基电流也将减少，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从道通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。在实际应用中，我们可通过一个开关来短路晶闸管的阳极和阴极从而达到晶闸管的关断。等效图如下：

等效图

图8 晶闸管的工作原理图

5总原理图
根据上面各参数的计算，可得出实现此声控开关的原理总图如下：

图9 总原理图

图10 工作电路图

6调试
调试时要用到万用表测量各个点位上的电压值，先将光敏电阻的光档住将AB分别接在电灯的开关上，用手轻拍声音传感器，这时灯应该亮。若用光照射光敏电阻，再用手轻拍声音传感器，这时灯应该不亮。说明光敏电阻完好，这时表示制作成功。
若调试不成功，要先将焊好的电路板对照电路图检查一遍。不要有错焊、漏焊、短路等现象。
若没有上诉现象，用电压表测试个点的电压值，若与理论值出入太大则可能是元器件问题，可能被烧坏或内部短路等。

7元器件清单
序号
元器件名称
型号
位号
数量
1
与非门
74LS00

1
2
噪声传感器
CZN-15E
Mic
1
3
二极管
IN4007
D1～D5
5
4
光敏电阻
随光度变化
Rw
1
5
电阻
10KΩ
R1
1
6
电阻
3MΩ
R2
1
7
电阻
590KΩ
R3
1
8
电阻
18KΩ
R4
1
9
电阻
35Ω
R6
1
10
电阻
1MΩ
R7
1
11
电阻
510KΩ
R8
1
12
电阻
43KΩ
R9
1
13
电容
22uf
C2～C4
3
14
电容
0.1uf
C1
1
15
灯泡
220V/100W

1
16
晶闸管
SCRBT169
S1
1

8总结
经过这为期两周的电子技术课程设计，在设计“声控开关”的过程中，我终于知道了在做这样的一个课程设计的时候，应该从什么地方着手，应该怎样构造自己的思路，怎样利用已学知识来实现自己的设计方案，并通过不断地查找资料来实现它的功能。在此过程中，不但让我体会到设计的繁琐与艰辛，同时也让我更好地巩固了以前所学的知识。
以前我一直这样认为，我们只要学好课本的专业知识就行，但我们并不一定要知道如何利用利用课本知识来完成某些设计，并实现它的功能。而通过这次的课程设计让我大大改变了自己以前错误的想法。虽然这段时间临近期末考试，让我感到时间非常的紧迫，人也很疲惫，但当我通过自己的努力，去图书馆找资料，上网参考其他人的设计程序和同学共同来完成设计的那一刻，所有的紧张，所有的疲惫都忘记了。我想这就是所说的成就感吧！也让我深刻的体会到了“在设计中我们会巩固很多知识、学到很多知识”。
在电子技术的设计过程中，我也遇到了一些困难和迷惑。但是通过不断努力，和同学克服了一个又一个的问题，保证了设计作业的顺利进行。
这次我不但收获了努力的成果——“声控开关”，还从中充分感受到了“只要功夫深，铁杵磨成针”。并坚信再难的困难我们也会努力去克服。通过这次课程设计我相信这对于我在以后的发展中具有深远的影响。

致 谢
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白金柯，在我做板子最艰难的时候，白老师给了我及时的教导和亲切的鼓励，白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，再次感谢白老师。
这次课设科协的同学也给我提供了很多方便，很感谢他们。
行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我三年的大学时光也即将敲响结束的钟声。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。生我者父母。感谢生我养我，含辛茹苦的父母。是你们，为我的学习创造了条件；是你们，一如既往的站在我的身后默默的支持着我。没有你们就不会有我的今天。谢谢你们，我的父亲母亲！
在这三年中，老师的谆谆教导、同学的互帮互助使我在专业技术和为人处事方面都得到了很大的提高。感谢河南化工职业学院在我三年的大学生活当中对我的教育与培养，感谢河南化工职业学院机械电子系的所有专业老师，没有你们的辛勤劳动，就没有我们今日的满载而归，感谢大学三年曾经帮助过我的所有同学。在制作毕业设计过程中我曾经向老师们和同学们请教过不少的问题，老师们的热情解答和同学们的热心帮助才使我的毕业设计能较为顺利的完成。在此我向你们表示最衷心的感谢。

王志坤
2013年10 月

参考文献
[1] 彭介华. 电子技术课程设计指导. 北京：高等教育出版社，1997
[2] 李振声. 实验电子技术. 北京：国防工业出版社，2001
[3] 卢结成，高世忻等. 电子电路实验及应用课题设计. 合肥：中国科学技术大学出版社，2002
[4] 编写委员会. 中国集成电路大全. 北京：国防工业出版社，1985
[5] 梁宗善. 电子技术基础课程设计. 武汉：华中理工大学出版社，1995

17