声光控照明灯设计.doc

. 精选范本 目目 录录 1.1.前言前言 .1 1 2 2 总体方案设计总体方案设计.2 2 2.1 总体设计目的.2 2.2 方案比较.2 2.3 方案选择.3 3.3.各模块电路设计各模块电路设计 .5 5 3.1 电源电路设计.5 3.2 声控电路设计.6 3.3 光控电路设计.6 3.4 延时电路设计.7 3.5 主要元件介绍.8 4.4.仿真调试结果仿真调试结果 .1111 4.1 仿真调试结果.11 4.2 声光控制灯优缺点及改进方法.12 5 5总结总结 .1414 6 6参考文献参考文献 .1515 附录附录 .1616 附录 I:电路原理图.16 附录 II:PROTEUS仿真图.17 . 精选范本 1.1.前言前言 照明灯是我们日常生活中必不可少的电器，也正因为这样通过照明灯造成的对电 力资源的浪费日益严重，设计一款既方便我们日常生活照明又能节约资源的照明灯非 常有必要，这也是此次设计的目标超声波照明控制器，能实现需要照明时灯点亮， 在人走了之后灯自动熄灭的功能。 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。 用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，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，当人们进入家 门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不 会亮，可以达到节能的目的。声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用 于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可 靠等优点，适合于各种楼房走廊的照明设备。 . 精选范本 2 2 总体方案设计总体方案设计 2.12.1 总体设计目的总体设计目的 此次设计主要目的是为了解决照明灯（比如路灯、楼道灯、公共用灯等）在使用 过程中造成的资源浪费问题，设计达到的功能是，在白天时照明灯不工作，在夜晚光 线低到一定强度时，当有人经过时照明灯自动点亮，当人走之后照明灯自动熄灭，实 现全自动控制的功能，此外，此过程中要有一定的延时。要达到这些功能有多种实现 方案，下面介绍两种方案。 2.22.2 方案比较方案比较 方案一利用超声波实现照明控制方案一利用超声波实现照明控制 MC14528 控制的延时电 路 超声波接收电 路 照明电路 超声波发射电 路 光敏控制电路 图 2-1 超声波照明控制器原理图 如图 2-1 所示，超声波发射电路发射出超声波信号，通过同类型得接收头收到信 号后，由超声波接收电路处理，然后将处理过后的信号输入到 MC14528 所组成得控制 电路中，同时，光敏控制电路也接入 MC14528 所组成的控制电路中，它的主要作用是 为了使照明电路白天光线强时不工作，而晚上或者光线比较弱时正常工作，当晚上工 作时，MC14528 控制电路能够对灯光起到延时和亮度调节的作用，我们通过一个固态继 电器将 MC14528 控制电路和照明电路连接起来，当有人通过的时候，固态继电器能被 导通工作，从而，照明电路工作。 . 精选范本 方案二方案二: :声光控照明电路声光控照明电路 声控电路光控电路延时电路 电源电路 照明电路 图 2-2 声光控照明电路原理框图 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 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。 2.32.3 方案选择方案选择 方案一和方案二都能实现照明控制的功能,方案一采用超声波更加准确的感应人们 的来去,从而控制灯是否点亮。方案二采用声光控从感应的准确的来说不及方案一准确， 但是采用超声波控制要求的技术更为复杂，成本较高，而采用声光控制照明灯成本较 低，安装相对容易，因此本次设计我选择的是方案二采用声光控制照明。 利用声控，光控电路将声音信号，光信号转化为电信号，其中的运放 LM358 将收 到的信号放大，用 NE555 构成的施密特触发器对波形进行整形，使其输出为方波，用 . 精选范本 74HC123 单稳态触发器控制延时时间，接 LED 发光二极管，从而实现整个电路的设计。 总的电路的设计是将声控放大电路、光控电路、NE555 构成的施密特触发器和 74HC123 构成的单稳态触发器组合起来，这样即可以实现声控、光控、波形整形和延时的功能。 . 精选范本 3.3.各模块电路设计各模块电路设计 在设计中，整个电路由电源电路，放大电路，处理电路（声控电路、光控电路） 及延时电路等部分组成。光敏控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光亮程度相对 应的电压信号。从而实现白天灯泡不亮晚上遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点 亮，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而要实现自动控制，延时电路声音消 失后延长一段光照时间。必要时可加一个手动开关，以增强电路的实用性。 这次课程设计主要用了 74HC123、LM358 和 NES555 三个集成器件，发光二极管， 光敏电阻，驻极体话筒以及一些基本电路元器件。 3.13.1 电源电路设计电源电路设计 图 3-1 电源电路原理图 图 3-1 的原理：直接从电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压 电路将电网中的 220V 交流电转化为+12V 的直流电压。电路中变压器的常规铁心变压器， 整流电路采用二极管桥式整流电路，C1、C2、C3 和 C4 完成滤波功能，稳压电路采用三 端稳压集成电路来实现。 . 精选范本 3.23.2 声控电路设计声控电路设计 图 3-2 声控电路图 声控灯包括灯负载 RL、光敏电阻、话筒 MIC 及 声控电路，灯负载 RL 与光敏电阻 串接后与电源相连，话筒将声音信号转换成电信号，声控电路通过声音信号控制光敏 电阻的导通状态，其特征在于，所述声控电路包括电源部分，谐振放大部分及触发器， 电源部分通过电容降压、整流及稳压提供声控电路所需的直流电压，谐振放大部分包 括多极三极管放大，话筒接在第一级放大三极管的基极上并由电容耦合一个由电感和 电容构成的振荡电路接在末级放大三极管的基极上，放大后的信号影响触发器的翻转， 并最终控制可控硅的控制极的电位。 3.33.3 光控电路设计光控电路设计 图 3-3 光控电路图 当白天光照充分时，光敏电阻阻值很小，LM358 分压很小，NE555 电路 4 引脚为低 电平有效，此时不管输入为高或低，NE555 输出端直接复位为 0，此时发光二极管负端 . 精选范本 为高，因此无论有声还是没声灯都不会亮。当光线不充足时，光敏电阻阻值很大， LM358 的 3 脚分压大，故电压比较器反相输入，输出为高电平，NE555 的直接复位端无 效。这时若有声音信号通过驻极体话筒输入，通过电容滤波后输入 LM358 声控放大电 路，经放大后输入 NE555， NE555 输出 OUT 由低变为高，74HC123 接收到信号，输入到 74HC123 单稳态触发器，此时发光二极管负端为低，灯会亮，亮时延迟时间为脉冲宽度。 声音信号消失，经过一定的延时后灯会自动熄灭。 3.43.4 延时电路设计延时电路设计 图 3-4 延时电路原理图 R 和 C 为定时元件。没有加触发信号时，Ui 为高电平。接通电源后，VCC 经 R 对电 容 C 进行充电，当电容 C 上的电压 UC2/3VCC 时，输出 Uo=0。与此同时电容 C 通过放 电端迅速放完电，Uc=0.内部的的 RS 触发器的两个输入信号都为高电平 1，保持 0 状态 不变。所以，在稳定状态时，Uo=0 当输入电平1/3VCC 时，触发进入暂稳态，输出为 高电平 1 单稳态触发器输出的脉冲宽度 tw 为暂稳态的时间。 . 精选范本 3.53.5 主要元件介绍主要元件介绍 3.5.13.5.1 LM358LM358 介绍介绍 LM358 里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围 很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流 增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。NE555 引脚图介绍如下： 1 地 GND 2 触发 3 输出 4 复位 5 控制电压 6 门限 7 放电 8 电源电压 Vcc LM358 原理 图和引脚图如图 3-5 图 3-5 LM358 芯片图 3.5.23.5.2 74HC12374HC123 介绍介绍 74HC123 是单稳态触发器。其 RxCx (7,15) 和 Cx 端 (6,14) 接定时的电阻和电 容, 即决定触发后 Q 端产生的单脉冲宽度. Rbar (3,11) 是低电平复零, 不作复零时 为高电平。Abar (1,9) 是下降沿触发输入端, 通过 Abar 用负脉冲触发, 不用时保持 高电平. B (2,10) 是上升沿触发输入端, 通过 B 用正脉冲触发, 不用时置低. 。Q (5,13) 与 Qbar (4,12) 分别输出正负定时单脉冲。 74HC123 单稳态触发器。它有两种输入，A 为低电平有效，B 为高电平有效。有两 种输出，正好相反。用外接的电阻电容作定时元件，时间自己定，比 74LS 电路易用。 单稳态触发器 74HC123 及外围电路来实现该功能。74HC123 为双可重复触发的单稳态， 其输出脉冲的宽度主要取决于定时电阻 R 与定时电容 C，脉宽的计算为电容值与电阻值 的乘积即：WP=RC，在实际设计中 R=5kW，C=80pF，输出脉宽为 400ns、幅度约 5V。脉 冲快沿放大与射极跟随输出电路，主要作用是对整形与展宽后的触发脉冲进行加速和 放大，以便得到有较高幅度和较快上升沿的脉冲信号去触发场效应管。 . 精选范本 图 3-6 74HC123 实物图 3.5.33.5.3 NE555NE555 定时器定时器 集成定时器 555 电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广 泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个 5K 电阻，故取名 555 电路。其电路类型有双极型和 CMOS 型两大类，二者的结构和工作原 理类似。二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555 定时器由 3 个阻值为 5k 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 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 555 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，555 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 1V3V，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 5V18V 范围内使用。 图 3-7 NE555 芯片图 . 精选范本 3.5.43.5.4 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻器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；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。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） 。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电 阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变 化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达 110M 欧,在强光条件（100LX）下， 它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人 眼对可见光（0.40.76）m 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。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设 计大为简化。 图 3-8 光敏电阻 . 精选范本 4.4.仿真调试结果仿真调试结果 4.14.1 仿真调试结果仿真调试结果 在 proteus 程序中将声控电路，光控电路，延时电路与 NE555 定时器，74HC123 连 接.由于 protues 中没有驻极性话筒无法产生脉冲信号，于是只好入一信号发生器代替 话筒产生脉冲信号，当输出正弦波模仿有声时状态，断开正弦波来模仿无声时的状态。 利用示波器来检测声音是否输入。应用 LM358 集成电路的 5 脚和 6 脚作为输入，7 脚作 为输出接成声控放大电路，2 脚和 3 脚作为输入，1 脚作为输出接成光控电路。将 NE555 电路 2 引脚和 6 引脚连在一起使其具有施密特触发器功能，后一并与接成放大电 路的 LM358 集成块 7 引脚相连，NE555 电路控制端 4 引脚与接成放大器电路的 LM358 集 成块 1 引脚相连。将 74HC123 可重复触发单稳态触发器的 1 引脚与 NE555 电路输出端 相连，2、3 引脚与电源高电平相连，4 脚接发光二极管和电阻。 电路的延时功能体现在单稳态触发器的波形整理功能及连接在其 14 和 15 引脚的 电容与电阻的适当组合上，选择 150K 欧及 47uF 电容串联方式，经计算其延时时间约 为 5 秒。74HC123 为可重复触发单稳态触发器，只要是在无光有声的情况下给声音信号， 灯就会亮。要使 LM358 的声控放大电路的放大倍数为 3050，即,可选用 4.7K、150 电 阻。要使 LM358 的 2 脚和 5 脚的电压为相同，必须选用两对阻值一样的电阻，这里在 5 引脚选用 4.7K，在 2 引脚选用 1K。要使延时时间为 5s，选用 150 的电阻和 47uF 的 电容，即在 14 脚和 15 脚间接入 47uF 的电容，在 47uF 电容和 5v 电压之间加一个 150k 电阻。 当光线充足时，光敏电阻阻值很小，LM358 的 3 脚分压小，电压比较器输出 1 脚为 低电平。NE555 电路 4 引脚为低电平有效，此时不管 2 脚和 6 脚输入为高或低，OUT 输 出端直接复位为 0。74HC123 的 1 脚和 2 脚也为低，其 Q 端输出也为低，Q 端为高电平， 发光二极管负端为高，因此无论有声还是没声灯都不会亮。 当光线不充足时，光敏电阻阻值很大，LM358 的 3 脚分压大，故电压比较器反相输 入，输出为高电平，NE555 的直接复位端 4 脚无效。这时若有声音信号通过驻极体话筒 输入，通过电容滤波后输入 LM358 声控放大电路，经放大后输入 NE555 的 2 脚和 6 脚， 正弦波形被施密特变换为反相矩形波。NE555 的 2 脚和 6 脚输入大于的电压，3 脚输出 OUT 由低变为高，74HC123 的 1 脚和接收到一个上升沿脉冲，输入到 74HC123 单稳态触 . 精选范本 发器后再次经波形变换，Q 端产生一个上升沿脉冲。由于 LED 接入 74HC123 的 Q 引脚， 故其在 Q 引脚是一个下降沿脉冲，此时发光二极管负端为低，灯会亮，亮时延迟时间 为脉冲宽度。声音信号消失，Q 端上升沿维持 5s 后灯会自动熄灭。 图 4-1 夜晚有声仿真图 总结:此次设计达到了预期的目的,大体上能够实现我们所需要的白天照明灯不亮, 夜晚光线较暗时实现人来灯亮,人走灯灭的效果。基本实现了自动化的路灯控制，既方 便又节约用电。但是，本设计虽然在细节方面还存在着不足之处,电路对声音信号的接 收不是很敏感，有时声音小时电路不能接收到声音信号，导致照明灯不能及时工作。 同时电路不能对照明灯的亮度进行调节，希望下次能加以改进。 4.24.2 声光控制灯优缺点及改进方法声光控制灯优缺点及改进方法 4.2.14.2.1 优缺点优缺点 优点：楼梯间手拉开关都换成声控，既省事又节约电，居民发出声音, 自动灯和 多功能应急灯,完全实现人到灯亮,人走灯灭，多功能消防应急灯更有多种工作模式可 供用户选择。光源和控制器及电源变换均一体化设计,不须安装任何其它开关,控制器 通过感应声音信号启动光源,使用非常方便。本文作品可代替住宅小区楼道上的开关, 天黑有人走过楼梯通道时，当有脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明， 当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天,即使有声音, 楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道， . 精选范本 而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容 易、工作可靠等优点，是人们现代生活的首选。 缺点：人们上下楼为了“点”灯，不是拍手、跺脚、唱歌，就是吹口哨、怪叫、 咳嗽。发出很多的噪音，然而声音小了灯又不会亮，影响了居民的休息。光敏电阻感 光非常灵敏，当白天影子投在光敏电阻上有声响时灯同样会亮。 4.2.24.2.2 改进的方法改进的方法 1.可采用能将声音信号大小控制在某一范围才能导通的声敏电阻制成的驻极体话筒或 其他更加智能化的电子元件。 2.可采用不那么灵敏的光敏电阻，只有当光照强度下降到某一程度时，其阻值才会下 降很多。 3.还可以加一个调节照明灯亮度的功能，让声光控灯更加实用。 5 5总结总结 在这次课程设计中，我学会了电路的分析、设计， proteus 软件的使用，自己独 . 精选范本 立查阅资料完成一项完整的工作的能力。虽然时间很短，但是它却是一个将我以前所 学的好多内容融会贯通的一个过程。在这次的学习过程中，我感触颇丰。课程设计会 遇到很多我们还未涉足过的理论知识，所以我们还要重新学起，通过这次课程设计， 让我对所用到的器件有了进一步的了解，对楼道声光控灯的原理有了更深的了解，学 会了分析、运用自己所学习的知识来完成自己的设计。以前做实验时，只知道如何连 接，并不明白其内部构造及工作原理，本次设计让我自己去查阅有关课题的一些材料