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1、专业课程设计解说 武汉纺织大学 课程设计任务书 课题名称： 脚步声控制照明灯 完成期限： 2013年07月01日 至 2013年07月12日 院系名称 机械工程与自动化 指导教师 周国鹏 专业班级 测控1102 指导教师职称 副教授 学生姓名 王厚雷 学号 1102381069 院系课程设计（论文）工作领导小组组长签字 徐亚文
2、 目录 一、 设计目的.................................................................................. 二、 设计方案及要求...................................................................... 三、 电路框图和原理图...............................................................
3、 四、 各单元电路图及原理图.......................................................... 五、 照明电路的工作原理.............................................................. 六、 主要元器件.............................................................................. 七、 安装调试与结果分析..............................................
4、 八、 调试仿真................................................................................. 九、 设计心得体会.......................................................................... 十、 电子元器件清单...................................................................... 十一、 参考文献.................
5、 一、设计目的 随着人类的发展，自然的现有资源财富已经捉襟见肘。可是资源在使用的过程中依然存在许多浪费，节能环保是必不可少的措施，科技的进步使得能源的利用率得到很大程度上的提高。 比如说在楼道里路灯，要是一直开着就很浪费电，要是按一个开关，那安在什么地方合适， 怎么样才能让照明效果达到最佳效果。这就要用到智能化控制系统，运用声音和光学综合起来实现智能化控制。例如公共场所和居民
6、居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关，由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象，故使灯泡寿命短，，。由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。因此，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声控走廊灯节能自动开关显得相当有必要。使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。在公共场合中，白天不需要灯亮，而晚上没有人在的情况下也不需要灯亮。普通照明开关起不到这个作用，出现长明灯的现象，造成了不必要的浪费。而声光控照明开关却能起到人在灯亮人走灯灭的效果，减少了浪费，节约了能
7、源，为绿化照明工程中必不可少的节能照明产品。但在工程实际应用中，有的声光控照明开关的灵敏度低以及电路元器件选择存在一定的问题，必须大喊一声，或重重跺脚，或用劲拍手，才能使灯亮起来，声音很大，产生的噪音很大，对周围环境影响很大，下面介绍一种新颖的用脚步声控制的照明灯开关，抗干扰较强，灵敏度较高，对周围的影响较小。 这次我设计的是声光控延时开关，天黑以后，当有人走过楼梯通道发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮提供照明，当人们走过楼道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，既可以达到节能的目的。 二、 设计方案及要求 1、 设计方案 脚步声控制楼道灯的主题框图大致
8、如下 光强检测 声强检测 延时控制电路 照明灯 处理电路 处理电路 控制电路 电源控制电路 电路采用声光两级控制照明电路。照明灯开关对光线强弱的感应控制照明灯的第一级开关，对声强的感应控制第二级开关。对于声强的监测是利用MIC的特性，即当其接收到足够的光强时，在其中会产生一个为脉冲波，从而把声信号变为电信号，通过对声强信号的处理可得一个电平信号，为控制电路准备。延时控制功能通过55
9、5定时器构成的可重复触发单稳态电路来实现。光信号的感应通过光敏三极管来实现，使得光控电路在光强时输出低电位，光弱时输出高电位。将光控电路的输出作为555定时器的复位端输入。将声控输出端作为延时电路的输入，从而可以实现在光线强的情况下，即使有足够强的声信号，照明灯电路也不工作。而在光线弱的情况下，可以通过声信号来控制照明。在日常生活中，节电节能。 2、 设计要求 任务：设计一种通过辨别脚步声声音与光线强弱来提供照明的路灯照明系统。 要求：、白天光线较强，照明灯不会点亮； 、晚上有脚步声照明灯被点亮，脚步声小时后 灯亮延迟五秒； 再自
10、动熄灭； 、元件；功率集成电路分立元件； 小结：按既定元件方案设计，实现无光有声时，触发灯亮并延迟5秒， 否者不亮。 三、 电路框图和原理图 滤波，放大信号 声源检测 单稳态触发器74LS122 555定时器 信号放大 光源检测 电路采用声光两级控制照明电路。照明灯开关对光线强弱的感应控制照明灯的第一级开关，对声强的感应控制第二级开关。对于声强的监测是利用MIC的特性，即当其接收到足够的光强时，在其中会产生一个为脉冲波，从而把声信号变为电信号，通过对声强信号的处理可得一个电平信号，为
11、控制电路准备。延时控制功能通过555定时器构成的可重复触发单稳态电路来实现。光信号的感应通过光敏三极管来实现，使得光控电路在光强时输出低电位，光弱时输出高电位。将光控电路的输出作为555定时器的复位端输入。将声控输出端作为延时电路的输入，从而可以实现在光线强的情况下，即使有足够强的声信号，照明灯电路也不工作。而在光线弱的情况下，可以通过声信号来控制照明。在日常生活中，节电节能。 原理图 四、各单元电路及原理图 1、声控控制电路 声音传感器的作用相当于一个话筒（麦克风）。声音传感器使用的是与人类耳朵相似具有频率反应的电麦克风。它用来接收声波，显示声音的振动
12、图象。但不能对噪声的强度进行测量。声音信号转换为电信号的一类传感器常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感器。通常声音传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。MIC接收到足够的声强时，电路产生谐振并输出一个微弱脉冲，从而将声音信号转换为电信信号。MIC输出信号是一个非常微弱的信号，为了后续电路能够对声强信号进行处理，必须加入信号放大电路。图中所示信号放大电路是由电阻R1—R5、LM358N和C1—C2构成，电路中采用了LM358运放构成的放大电路，这样可以使电路的放大的倍数比单管放大电路的倍数增加，从而得到适合的信
13、号。R2和R3为放大电路的集电极偏置电阻，C1和C2为放大电路的滤波电容。R1和R4为放大电路的反馈电阻，它们的功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电压。电路中的延时控制电路一般采用电平信号触发，因此有必要对放大的交流信号进行整流。上图中采用了由R4和R5构成的倍压整流电路，倍压整流电路不但能够完成整流的任务，同时还可以将输出电压增大一倍，这样当MIC接受到了足够大的胜强后，声强信号处理电路通过放大和整流就输出了一个高电平信号V。 2、 光控控制电路 光敏电路核心元件为光敏电阻，其通过对光线变化程度自动改变阻值从而改变电压信号的大小，白天有光照，光敏电阻小，夜晚阻值大
14、 光线强时，光敏电阻RL的阻值变小，R6、R7导通，555定时器的复位端4至于低电平；光线弱时，光敏电阻RL的阻值变大，R导通，555定时器的复位端4至于高电平。光控控制电路对电路起总控制作用。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻如图所示。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变校光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当
15、光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小，这就为声音通道的考通创造了条件。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。 3、 延时控制电路 延时电路的作用主要是完成保持晶闸持续导通一段时间，维持发光二极管持续发光一段时间，持续时间的长短由延时电容的放电时间来决定，时间计算： Τ=0.69RC, T=0.69*（470uF*150k*10-3）≈4.86s 约为5 秒 延时电容的放电时间即为照明的持续时间，当充电电容通过电阻放电，从开始放电开始直到放电结束的这一段时间（即由R，C）来决定，只要改变电阻
16、值或电容值，即可改变充放电时间长短，从而维持74LS122的11,13脚的高电平在一段时间内保持不变，从而决定LED的发光的时间长短，即维持照明的时间改变。其组成只要由电阻、电容，电容是通过电阻放电的。改变电阻阻值和电容容量可以改变灯泡维持点亮的时间, 五、 照明电路的工作原理 1、工作原理 本实验就是依据NE555组成的施密特触发器电路74LS122组成的单稳态触发器的电路而设计的，原理由施密特触发器的原理和单稳态触发器的原理即可得到本实验的电路原理。其中光敏电阻的阻值随光照的变强而减小。 白天：光敏管DG在光线照射下，反向电阻变小，IC1D反相器11脚输出高电平经D1使IC
17、1D与非门3脚输出低电平，单向可控硅SCR截止，灯泡 LAMP保持不亮。 夜间：光敏管DG反向电阻变大，IC1D反相器11脚输出低电平，这是D1起到了隔离作用。 当话筒MIC接收到脚步等声音时，经C2到IC1C放大，输出的脉冲信号经C4使IC1A的1脚得到低电平，IC1D与非门3脚输出高电平，单向可控硅SCR导通，灯泡LAMP点亮；同时C3开始充电，使IC1B反相器4脚输出低电平，IC1A与非门3脚保持输出低电平，单向可控硅SCR保持导通，灯泡LAMP保持点亮。当C3充电完毕，IC1B反相器输出变为高电平，IC1A与非门3脚输出低电平，单向可控硅SCR截止，灯泡LAMP熄灭。当话筒
18、MIC再次接收到脚步等声音时灯泡点亮延时熄灭（5秒左右），依次循环。C3充电时间（即灯泡延时时间）由C3、R8的数值决定。R5增大可使声音灵敏度降低。所以当夜晚．同时又有外界声音信号时，控制门 D2的两个输入端均为高电平，输出为低电平，VD1导通，在VD1导通的瞬间，C3被迅速充电，在声音信号过后，VD1虽然恢复了截止，但由于C3储存电荷需要通过高值电阻慢慢放电，从而使与非门D3的输入端仍然保持低电平“0”，所以电灯EL不会马上熄灭。随后则C3的放电，与非门D3的输入端得电平不断升高，当升至与非门阈值电压时，与非门D3发生翻转，输出端就变成低电平“0”，晶闸管SCR当交流电过零时即关断，电灯E
19、L才熄灭。 电路的延迟时间主要有R5,C3等放电时间常数决定。T=2πR5C3， 增减R5或C3的数值可以调整电路的延迟时间。本设计的延时时间约为5秒，即灯亮后若不再有声音5秒后灯自动熄灭。二极管 VD2-VD5 将交流 220V 进行桥式整流．变成脉动直流电。又经 R6 降压， C2滤波后即为电路的直流电源，为 BM 、 IC 等供电。控制部分电路就是通过控可控硅的导通与截止进而连接和切断供电电路，而达到目的。将声控开关应用于楼道等公共部位，可实现照明的智能控制，只在夜晚有人走动时才自动开灯，人走后即自动关灯，既满足了照明的需要，又最大限度地节约了电能。 2、 电路原理 整个电路由三部分
20、组成：LM358 NE555 74LS112 第一部分：由驻极体话筒和LM358构成声控原理，由光敏电阻和LM358抽成光控原理。 第二部分：由声控单元和光控单元共同控制555定时器的触发输入端 ， 实现了声光两信号的逻辑“ 与” ， 即声光双控功能。 第三部分：由NE555出来与74LS112相连，实现了延时5秒的效果 利用一块时基电路及少数外围元件可能组成声光双控节电灯。装置省去了能耗大、笨重、极易产生热量的电源变压器，具有结构简单、自耗电轻微、性能稳定、灵敏度高、通用性强的特点。驻极体话筒对猝发声响有极为敏感的特性，用它作为该电路由声电转换元件，及电信号放大部分、NE5
21、55施密特触发器整形部分，单稳态延时部分和光控部分组成。 LM358的其中一个运放接为比较器，由光敏电阻所在支路和基准电压进行比较，给出高低电平接到NE555的复位端。当有光时，光敏电阻的阻值下降，比较器输出低电平，NE555复位，故此电路在有光时LED不亮，为光控电路。另一运放将声信号转成的电信号放大，通过施密特触发器整形为方波，此支路为声控电路。将整形后的波形给单稳态触发器74LS122，通过外围电路的参数选取确定触发时间。 六、 主要元器件 1.驻极体话筒 话筒的基本结构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（背称为背电极）构成。驻极体面与背电极
22、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一个平板电容器。电容的两极之间有输出电极。由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：Q =CU 所以当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—电的变换。 2、光敏电阻 工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻如图所示。为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有
23、金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。 半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失。 3、 LM358放大器 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可
24、用单电源供电的使用运算放大器的场合。 内部频率补偿 直流电压增益高(约100dB)；单位增益频带宽(约1MHz)；电源电压范围宽：单电源(3—30V)；双电源(±1.5 一±15V)；低功耗电流，适合于电池供电 ；低输入偏流；低输入失调电压和失调电流；共模输入电压范围宽，包括接地；差模输入电压范围宽，等于电源电压范围；输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)。 4. NE555内部框图，工作原理 NE555定时器由3个阻值为5kΩ的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS触发器、放电三极管TD和缓冲反相器G4组成。虚线边沿标注的数字为管脚号。其中，1脚为接地端；2
25、脚为低电平触发端，由此输入低电平触发脉冲；6脚为高电平触发端，由此输入高电平触发脉冲；4脚为复位端，输入负脉冲（或使其电压低于0.7V）可使NE555定时器直接复位；5脚为电压控制端，在此端外加电压可以改变比较器的参考电压，不用时，经0.01uF的电容接地，以防止引入干扰；7脚为放电端，NE555定时器输出低电平时，放电晶体管TD导通，外接电容元件通过TD放电；3脚为输出端，输出高电压约低于电源电压1V—3V，输出电流可达200mA，因此可直接驱动继电器、发光二极管、指示灯等；8脚为电源端，可在5V—18V范围内使用。 5、74LS122内部原理图 6、 电容 电
26、容器通常起滤波、旁路、耦合、去耦、转相等电气作用，是电子线路必不可少的组成部分。 在集成电路、超大规模集成电路已经大行其道的今天，电容器作为一种分立式无源元件仍然大量使用于各种功能的电路中，在电路中所起的重要作用可见一斑。 作贮能元件也是电容器的一个重要应用领域，同电池等储能元件相比，电容器可以瞬时充放电，并且充放电电流基本上不受限制，可以为熔焊机、闪光灯等设备提供大功率的瞬时脉冲电流。 电容器还常常被用以改善电路的品质因子，如节能灯用电容器。 隔直流：作用是阻止直流通过而让交流通过。 旁路（去耦）：为交流电路中某些并联的元件提供低阻抗通路。 耦合：作为两个电路
27、之间的连接，允许交流信号通过并传输到下一级电路 滤波：将整流以后的锯齿波变为平滑的脉动波，接近于直流。 温度补偿：针对其它元件对温度的适应性不够带来的影响，而进行补偿，改善电路的稳定性。 计时：电容器与电阻器配合使用，确定电路的时间常数。 调谐：对与频率相关的电路进行系统调谐，比如手机、收音机。 整流：在预定的时间开或者关半闭导体开关元件。 储能：储存电能，用于必须要的时候释放。 七、 安装调试与结果分析 1调试准备—检查电路 在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路图按照一定顺序逐渐检测，特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管是否接反，
28、轻轻拨一拨元器件，观察焊点是否牢固。 2通电观察 安装保险管后才能给电路通电。电源接通后首先保证安全，观察电路中是否有冒烟、起火等现象。如果有，应立即断电，故障排除后继续通电，并注意观察各器件引脚电压是否正常，打开电源，给系统加上激励信号源（如系统的拍手声、打击声），用眼睛直接观察灯泡手否亮和按时熄灭。 3调试 先用万用表测量电路有关电位是否正常。检查发光二极管是否正常正常工作。发现不正常现象时，及时找出原因进行修改。 强光下，用手在麦克风附近拍打，看发光二极管是否发光。若灯亮了，则应该用2中的方法来判断故障部位，并加以改正。 用手遮住光敏电阻，还是用手在麦克风附
29、近拍打，看等是否亮，若亮了，再观察它到底能够亮多久，若不能够准确定时40秒钟，要及时修改元件参数，让其准确定时。 4．故障寻、检常用方法如下表： 直观检查法 电阻法 电压法 电流法 通过眼、耳、鼻、手来查找故障部位。即是看元器件有无断线、互碰、烧焦、脱焊等现象；听声音有无异常；闻有无焦味；摸器件是否过热等。用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值，粗查是否有短路、断路或元器件错焊等情况。用万用表测量电路中各点对地的电阻以及元器件的阻值，以此来判断故障部位测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断
30、故障。 调试前，先将焊好的电路板对照印刷电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路、元件相碰等现象发生。通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。如用万用表检测时，只用将万用表两表笔接触电路板相应处即可。注意接线不得有误，接入电源，使脉冲发生电路正常工作。在光电二极管有光与无光的情况下看总体电路的工作情况。观察灯泡是否按要求进行亮暗变化。如不能顺利完成以上功能，则应该认真检查电路的连接及功能设计是否有误并作出相应调整。 八、调试与仿真 1 对放大电路的调试 结果为： 输入电压为A=10mV，f=1Hz. 其输出为A1=1.05V,频率不变。 它的测试电路图如
31、下： 2 对与门电路的测试 其电路图为： 若输入两个0V，其输出为：0.7v 若输入为一个0v和一个5v:输出为0.7v 若输入两个5v,则有：输出为5v. 注：绿线----输出；另外两个为输入 九、设计心得体会 本次课程设计给我带来了许多的新知识，增强了我的动手能力，给生活增添了快乐，就此产品，是对我2年来所学的知识进行全面的总结，明白了自己学到了什么，还缺少什么，找到自己的不足之处，对我以后的学习和工作有很大的帮助。课程设计是我们学习过程中一个十分重要的环节。是锻炼我运用所学知识正确分析和解决实际问题的一个重要方面
32、也是培养应用型专门人才的要求。 在设计课程过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记录来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题的。虽然课程设计结束了，但是从中学到的知识会让我受益终身。常有一些不如意，但毕竟这是第一次做，难免会遇到各种各样的问题。在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。我们通过查阅大量有关资料，并在小组中互相讨论，交流经验和自学，若遇到实在搞不明白的问题就会及时请教老师， 使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到
33、实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。 通过这次的课题研究，我在选题、查阅资料、分析原理、组装焊接、调试及故障处理以及毕业设计任务书写等方面，得到了系统的锻炼。我对电子产品的开发持有浓厚的兴趣，通过这次课程设计也使我学到了很多电路知识、电脑知识以及相关软件的知识，通过课程设计这个过程，巩固了我的理论知识，并提高了我理论知识运用到实际的能力。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。 总之，
34、本次课程设计是我的电子研发之路的良好开端。我会以此为契机，在以后的电子开发工作中取得更好的成绩。 十、元器件清单 序号 名称 型号 位号 数量 序号 名称 型号 位号 数量 1 驻极体 54±Db BM 1 8 电容 470uF C3 1 2 光敏电阻 RG 1 9 电阻 10K R1 3 发光二极管 1.5/2.0V,10/20mA D1 1 10 电阻 4K7 R2,R3,R4R6,R7 5 4 555定时器 NE555 U 1 11 电阻 100K R5 1 5 单稳态触发器 DM74LS122M U0 12 电阻 150K R8 1 6 双运算放大器 LM358N U1A,U2A 2 13 电阻 330Ω R9 1 7 电容 10uF C1，C2 2 十一、参考文献 [1]电子技术基础课程设计[M].中央广播电视大学出版社 [2]数字电路逻辑设计[M].大连理工大学出版社 [3]模拟电子技术[M].西安电子科技大学出版社 [4]电路 第五版 [5]数字电子技术基础，高教出版社， 主编 阎石
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