毕业设计（论文）声光双控灯的设计与制作

1、郑州轻工业学院本科毕业设计（论文） 题 目 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系）指导教师(职称)完成时间 2010 年6 月 4日 目 录摘 要iabstractii1 引言11.1 课题背景11.2 课题研究的目的和意义11.3 国内外概况22 方案设计与论证42.1 设计任务与要求42.2 方案一42.3 方案二53 单元电路设计与参数计算63.1 整流电路背景知识介绍63.2 桥式整流电路83.3 降压滤波电路103.4 声音信号输入电路103.5 光信号输入电路113.6 延时控制电路123.7 负载电路144 总原电路及元器件清单154.1 总原理图154.2 pcb制板图154.

2、3 整体电路仿真图以及仿真结果分析165 安装与调试195.1 电路安装195.2 电路调试196 性能测试与分析207 结论与心得21致 谢22参考文献23附录1 声光双控电路原理图24声光双控灯的设计与制作摘 要本文介绍的是一种声光双控电子开关的原理和设计，它是由集成芯片cd4011和晶闸管为核心实现的，驻极话筒的声音信号和光敏电阻感受到的光信号以“与”的关系来控制cd4011输出高低电平，经过延时，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。在白天，无论有无声音，这种电子开关控制灯泡不亮，但是在晚上，一旦有声音，电子开关便控制灯泡自动点亮，经过一段时间，灯自动熄灭

3、，这种装置可广泛使用于楼梯、走廊及厕所等公共场所的照明控制，它不但结构简单、方便实用、安全并能延长灯泡寿命，而且具有明显的节约能源的作用。关键字 节能开关/光控/声控/自动延时/cd4011sound and light double control switchabstractthis article describes a dual-energy sound and light control theory and design of electronic switch, which is integrated core chip cd4011 and thyristor achieved

4、, in most microphone voice signal and photosensitive resistance felt light signalsand relationship to control the cd4011 output high and low, after a delay, then cd4011 output control thyristor conduction and off to control light bulb on and off.during the day, with or without sound, this electronic

5、 switch control lamp does not light, but at night, if there is voice controlled electronic switch will automatically light bulb, over time, lights turn off, the device can be widely used in the stairs, corridors and toilets and other public places, lighting control, it is not only simple, convenient

6、 andpractical, cost-effective, safe and can extend lamp life, and obviously the role of energy conservation.key words energy switch; light control; voice; automatic delay; cd4011.1 引言随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越重要，而且贴近我们的实际生活。声光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它不需要开关，当有人经过时会自动的亮；广泛应用于走

7、廊、楼道招待所等公共场所，给人们的生活、带来极大的方便。因此，得到了广泛的应用。声光控电路是声音和光控制电路工作的电子开关。它将声音（如击掌声）和光转化为电信号，经放大、整形，输出一个开关信号去控制各种电器的工作，在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。由于，本电路广泛应用于人们的日常生活中，所以，有很大的重用作用。该电路在设计时应用了仿真软件，来进行仿真然后才确定下来的，虽然用的仅仅是ewb软件，但是在论文中也是比较有特色。能够使人们在不知不觉中感受方便。1.1 课题背景 随着千年钟声的敲响,历史的车轮被推进了一个新的世纪21世纪。站在新世纪的门槛上，我们感受到的是高速发展的现代科技

8、。也因如此，照明灯的需求也在不断地发展，人类有意识地采用各种方法改进它。照明，不仅改变了人们”日出而作，日落而息“的生活方式，也充斥丰富了我们的精神世界。是的，也许你不禁要问：为什么一个小小的照明灯有如此神奇的功效。我想这要归功它的结构及发明原理啊！这当中到底包含了多少值得我们去探索，发现的奥秘呢？带着这个问题，我们共同选择了这个课题，一起从课题研究中找到答案！1.2 课题研究的目的和意义 研究目的：通过这次的课题研究我们希望在理清它的发展脉络上进一步了解它的发明原理，将平时所学习的知识运用到实验探索上，这对提高我们的动手能力，创新意识，及锻炼思维活动无疑是一个莫大的帮助。同时我们也希望这次的

9、研究能让同学进一步地了解照明灯。从小的突破点入手，掌握又一项科技知识，为现代教育科学尽一份力量！研究意义：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。 降低能耗、节约能源、注重环保是当今世界的主潮流，高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不

10、受欢迎。继公布“欧盟后年封杀白炽灯”的时间表后，世界各地陆续抛弃白炽灯已成定局，环保型节能荧光灯是白炽灯的替代者。 节能荧光灯vs白炽灯，胜券在握已无悬念，但楼道照明却限制了荧光灯的使用，因为楼道照明是非持续性的，有人经过才需要光亮，而不断的开关通断会影响荧光灯的使用寿命，所以声光控白炽灯在楼道照明领域得到广泛应用。1.3 国内外概况由于近年来我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品的主要输出国之一。照明器材行业属一般性竞争行业，是我国轻工业对外开放较早的行业之一。wto后，国际上一些知名品牌大企业相继进入国内产销领域，使得国内竞争国际化。努力增加节能光源和不同档次、花样、不同用途

11、的照明器具的开发，加快绿色、节能光源产品的开发推广和应用是我国目前照明器材行业结构调整的重点。我国照明器材行业将面临着前所未有的机遇和挑战，而由此带来的巨大商业利益也成为一些企业瞩目的焦点。随着全球经济一体化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般照明电器产品生产大量向发展中国家转移，而中国又是一个比较适合的国家，一是中国具备生产这些产品的条件，二是劳动力成本比较低，从而使中国逐步成为照明电器产品出口大国。 展望未来的国内市场，需求仍会呈逐年增长趋势，以下强力因素都预示着我国照明市场仍有很大的潜力可挖。基础设施建设方面：机场、铁路、港口、城市轨道交通等讯速发展，每一项工程均需要照明。城市亮化工

12、程方面：城市广场、绿地、道路、建筑物泛光照明，已从大城市发展到中小城市。根据国内外市场需求预测，我国照明电器行业的高速增长期还将继续，对未来的预测如何更加科学化是我们面临的问题。进一步提高照明产品的质量和档次进一步提高照明产品的质量和档次，这既是当前摆在我们面前的课题，同时也是全行业共同努力的长期目标。就国内市场需求而言，人们生活水平逐步提高，对生存环境质量的要求也越来越高，对照明电器产品提出更高的要求。新的建筑照明标准已完成制订工作，即将批准执行，新标准基本与国际接轨，对不同场合的照明提高了要求，也需要我们不断的创新。2 方案设计与论证 设计要求电子开关控制灯泡白天不亮，只有在晚上且声音时才

13、亮，并且可自动延时。可靠性、安全性、寿命性能要良好、价格低。分析此设计要求，则设计方案中要有声音信号和光信号的接收来控制开关的通断。想出以下两种设计方案。2.1 设计任务与要求1. 白天正常光照下，无论有无声音，该开关不动作，灯不亮；2. 夜晚无声音的时候，灯不亮；有声音触发时，开关动作，灯亮；3. 灯亮一定时间以后，自动熄灭且延时时间可调；4. 可靠性、安全性、寿命性能要良好、价格低；2.2 方案一系统主要采用六个三极管9014来控制可控硅的导通与断开，从而实现灯泡的亮灭。工作原理图如图1所示。220v市电经d2，d3，d5，d6桥式整流，再经d1，r1，然后经过稳压二极管d4削波，c3滤波

14、得到12v直流供电路工作。蜂鸣片y1接收的声音信号和光敏电阻lr接收的光信号控制六个三极管9014的导通与截止，从而控制可控硅q3的通断，实现灯泡的亮灭，c5和r11构成延时电路，实现自动延时。图2-12.3 方案二系统采用cd4011为核心控制晶闸管的通断。其工作电路如图2-2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10v直流电压，为集成块cd4011及三极管q1提供电源。驻极话筒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cd40

15、11的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡的亮与灭。图2-2比较以上两种设计方案，二者都方便实用，安全可靠，并节约能源，但方案二的原理及电路明显简单，所用器件少，更有利于硬件的制作，故采用方案二。3 单元电路设计与参数计算本设计的原理框图如图3-1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、延时控制电路以及负载电路6部分组成。电源部份声控部份光控部份延时部份受控部份dc10vac 220v图3-13.1 整流电路背景知识介绍1、 交流电：电路中的电压（电流）的大小和方向随时间进行周期性变化的电压（电流）称为交流电，若遵循正弦规律变化则为正弦交流电。例如：

16、常用的市电为单相正弦交流电，电压为220v，频率为50hz。2、 直流电：电路中的电压（电流）的方向不发生变化的称为直流电。例如：常用的aa干电池电压为1.5v；锂离子充电电池电压为3.6v。3、 整流：将交流电转换为直流电的过程。4、 滤波：单相整流电路整流后的直流电为脉动直流电，其中仍包含较多的交流成分，为保证电源质量需要滤除其中的交流成分，保留直流成分，将脉动变化的直流电变为平滑的直流电称为滤波。5、 单相整流滤波电路：将电网220v的单相交流电路进行整流、滤波，输出平滑的直流电。图3-26、常见整流电路：（1）单相半波整流电路图3-3 （2）单相全波整流电路图3-4 （3）单相桥式整流

17、电路图3-5在整流滤波电路中，单相桥式整流电容滤波电路应用最为广泛。3.2 桥式整流电路它是由二极管d1、d2、d3、d4组成。其功能是将220v的交流市电转换为脉动直流电压。整流电路的工作原理 ：桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图3-6所示。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3-6的电路图和图3-7的波形图可知： 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。图3-6桥式二极管整流电路图3-7桥式二极管

18、整流电路波形参数计算：二极管桥式整流电路输入、输出之间的数量关系及二极管选择的条件：输出电压、电流与输入电压的关系：vo=20.45v2=0.9v2io=0.9(vo/rl）二极管所承受的电流及耐压值iv=io/2=0.45(vo/rl）vrm=v2m单向桥式整流电路二极管选择条件：ivzio/2=0.45(vo/rl）vrmv2m3.3 降压滤波电路由电阻r5、r7、电容c2和稳压管d6组成。电路中灯泡也起到了很重要的降压作用。桥式整流电路输出的脉动直流电压经过r7限流降压，电容c2滤波，从而得到比较小的直流电压加到稳压管d6上，获得10v左右的直流电压，作为控制电路的直流电源。3.4 声音

19、信号输入电路由驻极话筒mic、电阻r1、r2、r3、电容c1和三极管q1组成。驻极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

20、换。由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合，组成阻抗变换器。本设计采用驻极话筒的二端输出方式，它是将场效应管接成漏极输出电路，类似晶体三极管的共发射极放大电路。只需两根引出线，漏极d与电源正极之间必须接一漏极电阻r1，信号才能由漏极输出有一定的电压增益，使话筒的灵敏度比较高。 工作原理：当没有声音时，三极管q1工作在饱和状态，cd4011的2脚为低电平；当有声音时，声音信号经话筒mic转换为电信号后经c1耦合至三极管q1放大，q1由饱和进入放大状态，其集电极

21、由低电平转变成高电平并送入集成电路cd4011的2脚。3.5 光信号输入电路它是由电阻r4和光敏电阻rg组成。光敏电阻的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

22、。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。本设计所用的光敏电阻亮电阻为20k-30k,暗电阻约为3m，在光敏电阻上串接的电阻r4的阻值应该大于30k,小于3m。具体阻值在调试时依据对光的灵敏性而定。本设计取r4的阻值为180k。光信号输入电路的工作原理：光的强弱经光敏电阻rg转换为高、低电平后送入集成电路cd4011的1脚。由降压滤波电路知，光敏电阻和r4的总电压u为10v,白天光线射到光敏电阻rg上时，其阻值变得很小，约为20k,则光敏电阻的电压u1为：u1=urg/(r4+rg)=10v20/(180+20)=1v根据4011的pdf资料可知， cd4011的

23、1脚为低电平，则3脚被锁定为高电平，与2脚的输入高低电平无关，所以电路封锁了声音通道，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音控制。这时，门u1a的3脚输出的高电平经过门u1b、u1c、u1d三次反相后成低电平，晶闸管d7无触发信号不导通，灯不亮。夜晚，rg因无光线照射呈高阻，约为3m。则光敏电阻的电压u2为：u2=urg/(r4+rg)=10v3000000/(180+3000000)10v则与非门u1a的输入端1脚变成高电平，门u1a的输出状态受2脚输入电平的控制，这为声音通道的开通创造了条件。3.6 延时控制电路延时电路由二极管d1，电阻r6和电容c3组成。控制电路由集成电路cd4011、

24、电阻r5和可控硅d7组成，可控硅的作用是控制开关的通断。集成电路cd4011是整个电子开关的核心原件，其内部结构如图3-8所示。它是四-二输入与非门集成电路。其中1、2脚和3脚分别为与非门1的输入和输出端；5、6和4脚分别为与非门2的输入与输出端；8、9脚和10脚分别为与非门3的输入和输出端；12、13脚和11脚分别为与非门4的输入和输出端；7脚接地；14脚接电源。在该电路中与非门1和与非门2组成声音信号和光信号与逻辑电路；与非门3、与非门4和电阻r7组成触发电路。图3-8cd4011的主要参数如下表：表3-1 本设计还采用单向可控硅mcr100-6作为控制开关，其导通条件：一是可控硅阳极与阴

25、极间必须加正向电压，二是控制极也要加正向电压。以上两个条件必须同时具备，可控硅才会处于导通状态。另外，可控硅一旦导通后，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通。起到开关的开通作用，从而控制灯泡点亮；可控硅关断条件：降低或去掉加在可控硅阳极至阴极之间的正向电压，使阳极电流小于最小维持电流以下。可控硅的导通与断开控制灯泡的亮灭。 延时控制电路的工作原理：在白天时，与非门u1a的输入端1脚为低电平，则3脚被锁定为高电平，与2脚的输入高低电平无关，所以电路封锁了声音通道，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音控制。这时，门u1a的3脚输出的高电平经过门u1b、u1c、u1d三次反相后成低电

26、平，晶闸管d7无触发信号不导通，灯不亮。当在夜晚同时有声音信号时，与非门u1a的输入端1脚和2脚都为高电平，则其输出为低电平，再经与非门u1b反相输出高电平，通过隔离二极管d1给电容c3充电，当c3充电电压达到与非门u1c的阈值电平时，使与非门u1d输出高电平，通过r5触发可控硅d7使其导通，主回路便有较大的电流通过白炽灯使其发光。当声音消失后，与非门u1a的输入端的2脚变为低电平，则其输出端为高电平，从而使与非门u1b输出为低电平，因d1的阻断作用，电容c2只能通过r5缓慢放电，经过大约20s下降到与非门u1c的阈值电压以下，使与非门u1d输出低电平，当交流电过零点时，可控硅自动关断，白炽灯

27、熄灭。延时时间理论值为：t=2rc=210uf1m62.8s3.7 负载电路 由白炽灯及220v交流电组成。4 总原电路及元器件清单4.1 总原理图图4-14.2 pcb制板图图4-24.3 整体电路仿真图以及仿真结果分析 用mutisim仿真的电路如下各图所示。光敏电阻用一个普通电阻代替，当在白天时，光敏电阻用阻值约为16k的电阻代替，在夜晚时，光敏电阻用阻值约为5m的电阻代替。驻极话筒用信号v1和开关ji代替。开关闭合时，表示有声音信号，开关断开时，表示没有声音信号。 图4-3为夜晚无声音时的仿真图，图4-4为夜晚且有声音时的仿真图，图4-5为白天有声音时的仿真图，图4-6为白天没有声音时

28、的仿真图。图中电压值为灯泡两端的电压。图4-3 夜晚无声音图4-4 夜晚且有声音图4-5 白天有声音图4-6 白天没有声音 仿真结果:在白天，即rg为16k时，无论有无声音信号（图中的开关无论闭合与否），灯泡不亮；晚上时，即rg为5m时，有声音时（开关闭合），灯泡发光，声音消失（把开关断开后），灯泡继续发光20s左右后自动熄灭。此结果表示该设计电路达到了设计要求。4.4 元件清单序号器件名称主要参数及型号数量备注1电阻27k 1/4w1r12电阻2.2m 1/4w1r23电阻33k 1/4w1r34电阻180k 1/4w1r45电阻51k 1/4w1r56电阻1m 1/4w1r67电阻270k

29、 1/4w1r78瓷片电容1041c19电解电容100uf/25v1c210电解电容10uf/50v1c311集成芯片tc4011bp1u112可控硅mcr100-61d713三极管90141q114二极管1n41484d115二极管1n40071d2d516稳压二极管10v1d617驻极体话筒1mic18光敏电阻1rg表4-15 安装与调试5.1 电路安装先按照电路图将元器件安装在面包板上进行调试，安装前先检查元器件是否完好。安装时要特别注意驻极体话筒的极性，三极管和可控硅的管脚分布。在面包板上调试成功后方可在印制电路板上焊接。印制电路板实际尺寸约为50mm45 mm，。按照印制电路板所示原

30、件位置进行安装焊接。焊接驻极体话筒及电容时，应该不带电焊接。负载灯泡采用外接方式，不安装在印制电路板上。注意在装接电路，改变电路连接或插、拔电路时，均应切断电源，严禁带电操作。5.2 电路调试在面包板上调试时，仔细对照原理图，先检查是否有漏接和短路现象，检查时可用数字万用表的蜂鸣档，两表笔分别接触两个点，若发出蜂鸣声，则此两点相连，若没有蜂鸣声，则此两点断开，等检查无误后，接上负载白炽灯以及220v交流市电进行检测。在印制电路板上调试时，用以上方法检查整个电路板是否有虚焊、漏焊和短路现象，以免上电后烧坏器件，检查无误后，接上负载白炽灯以及220v交流市电进行通电检测。调试时用万用表直流电压档测

31、试集成电路u1的14脚应有10v左右的直流电压。在有光无声音时测量三极管q1的集电极c应为低电平，集成电路u1的1脚和2脚都为低电平，3脚输出高电平，4脚为低电平，则二极管d1把电流隔离，可控硅应不导通，灯泡不亮。在有光有声音时，集成电路u1的1脚为低电平，2脚为高电平，3脚输出高电平，同上，白炽灯应不亮。用不透明的盖子盖住光敏电阻rg。在有声音时，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，可控硅应导通，白炽灯应能点亮并延时20s左右后自动熄灭。达到以上要求，说明电路已调试成功。注意：由于电路外接220v的强电，所以通电调试时一定要注意安全。6 性能测试与分析 测试本

32、设计的电路板上的各参数时，理论值和实际值基本相近。通过检测，光敏电阻对光的接收很灵敏，驻极话筒对声音的拾取也较灵敏，但不是很理想。是由于电阻r4的参数选择不够恰当。可控硅也很好的起到开关的控制作用，总体设计达到要求。在测试中发现延时时间的实际值和理论值相差远，本设计延时电路用c3和r6组成，理论延时时间应为：t=2rc根据此公式本设计的延时时间应为：t=210uf1m62.8s而实际测得延时时间约为20s左右。通过分析此现象，才知道公式t=2rc是电容放完电时使用的，而本设计中只要电容c3通过r6放电，使电压下降到与非门3的阈值电压以下，使与非门4输出低电平，灯泡就熄灭；而4011的与非门的输

33、入管脚电压大约为2v时就为低电平，则说明电容并没有放完电时灯泡就熄灭，所以导致理论值和测量值有大的误差。7 结论与心得本次课程设计成功地制作出了一个节能的声光双控电子开关，它能实现以下功能：1.白天正常光照下，无论有无声音，灯泡不亮；2.夜晚无声音的时候，灯不亮；有声音触发时，灯亮；3.灯亮一定时间以后，自动熄灭且延时20s左右；4.灵敏度较高；本设计安全节电、使用寿命长且成本低。达到了设计的要求。同时也实现了声光双控且能自动延时，可广泛使用于公共场所的照明控制，在日常生活中具有很大的实用性。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