声光双控节能电子开关设计

1、武汉理工大学能力拓展训练设计报告书摘要 声光双控延时开光不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公室、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，而且降低能耗，节约能源，注重环保是当今世界的主潮流。此外，它在一定的场所使用还可起防盗作用。它是公共场所照明开关的理想选择，被人们誉为“长明灯的克星”。 本文阐述了简单的声、光同时控制的路灯电路的制作。该电路能自动控制白天开关、夜晚亮灯、人走灯灭。具有灵敏、低耗、性能稳定、使用寿命长、节能等特点。选择声敏传感器、光敏传感器作为基本元件。综合了声、光和延时控制、工作稳定、节电并可延长灯泡寿命。光敏传感器,声控传感器两种传感器

2、形成了声控、光控两种控制的电路。利用布局和布线规则完成了电路板的制作。实现了电子开关的两种控制，实验结果实现了灯的控制。关键词：声光双控 延时 节电 目录摘要.1总体电路设计12各模块设计12.1电源模块12.2信号收集模块32.2.1光信号收集电路的设计32.2.2光信号电路的工作原理32.3.1声音信号收集电路的设计524信号处理模块62、4、1 芯片TC4081BP的介绍62、4、2 芯片TC4081BP的工作原理62.5 延时模块82.5.1延时控制电路82.5.2 RC电路的放电过程92.5.3 RC电路的时间常数102.6被控制电路112.6.1 电路工作原理113电路仿真及PCB

3、图124总结体会145参考文献15声光双控节能电子开关设计1总体电路设计 所设计的电路分为五个模块：电源模块，信号收集模块，信号处理模块，延时模块和被控制模块。(模块图如1-2)电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动三极管，芯片TC4081BP和小灯。信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。声音信号收集模块将声音信号转变为音频电信号从而能够输入电路，起到控制开关的作用。光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起控制芯片的输入。信号处理模块即是芯片TC4081BP对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用于延时模块。延时模块是在信号处理

4、模块的作用下工作，起到延时的作用。图1-1 声光双控电路框图2各模块设计 2.1电源模块电源电路采用降压、整流、滤波和稳压的组合电路，将220V的交流电压变为5V和12V的直流电压。模块图如图2-1 电源变压器整流电路 滤波电路 稳压电路图 2-1降压过程是将220V单相交流电压直接输入有一定匝数比的变压器，得到降压后的电压。然后将变压器副边的交流电压通过单相桥式整流电路，得到脉动系数较大的直流电压。为了减小电压的脉动，将经过整流桥整流后的直流电压通入由滤波电容构成的滤波电路，使输出较为平滑的电压。要得到稳定的直流电源需将滤波后的电压输入稳压电路。稳压电路有电阻个稳压二极管构成，利用二极管的稳

5、压特性，使得到不受电网电压波动和负载电阻变化影响的稳定性较高的直流电压1、 整流桥简介图2-2 桥式二极管整流电路整流桥就是将整流管封在一个壳内了.分全桥和半桥.全桥是将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起.半桥是将两个二极管桥式整流的一半封在一起,用两个半桥可组成一个桥式整流电路,一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波整流电路, 选择整流桥要考虑整流电路和工作电压.整流桥堆一般用在全波整流电路中，它又分为全桥与半桥。全桥是由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的，图是其外形。 全桥的正向电流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、3

6、5A、50A等多种规格，耐压值（最高反向电压）有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。2降压滤波电路 图2-3 降压滤波电路由图2-3中的电阻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12V的直流电压，作为控制电路的直流电源。2.2信号收集模块2.2.1光信号收集电路的设计对于光信号的设计，我们要求在白天与晚上R5与RG间的电压输出有很大的反差，在白天要求输出低电平，而在晚上要求输出高电平，所

7、以必须要用光敏电阻RG。将光敏电阻RG与R5串联起来图2-42.2.2光信号电路的工作原理 在白天光较强时，光敏电阻RG的阻值较低（约为1.2k），在R5与光敏电阻的两端加有12V的电压，在白天我们要求此端输出低电平，则不管声控部分输出的是高电平或低电平，芯片TC4081BP最终都输出低电平，则使得控制电路的三极管不导通，继电器上无电流，由继电器的工作原理可知灯泡不亮。所以R5的阻值要远大于1.2k，近似使得R5短路。在晚上光线较暗时，光敏电阻RG的阻值变大（最大约为50M），R5、RG串联对12V电压分压，在晚上我们要求此端输出高电平，若此时有声音即声控部分输出高电平，则芯片TC4081BP

8、最终输出高电平，使得控制电路的三极管导通，继电器上有电流，由继电器的工作原理可知灯泡亮。若无声音，则声控部分输出低电平芯片TC4081BP最终输出高电平，灯泡不亮。所以R5的阻值要远小于50M，这样晚上可认为电压全分与R5，RG短路。即控制灯泡在晚上无声时不亮。2.2.3 光信号电路相关参数的分析 通过对光电路的工作原理分析我们要求R5阻值要远大于1.2k，同时又要远小于50M。 再由串联分压公式可知 (R5+RG)*I=Vcc （2.1） 所以 R5=Vcc/IRG由于在白天RG 约为1.2k，晚上RG约为50M，Vcc=12V我们综合各种因素最终选择R5为1M。2.3.1声音信号收集电路的

9、设计图2-5 仿真声控部分原理图顾名思义，声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启"，若干分钟后延时开关“自动关闭"。因此，整个电路整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元。仿真电路原理如图1所示。在仿真当中，由于仿真软件的不熟，声音输入部分我们用开关代替，同样电容C2具有通交流阻直流的作用，由于声音输入相当于一个正弦信号输入。所以在仿真中，我们把麦克风用导线代替，电容也用开关代替。当外界有声音发出时，开关闭合，可使三极管VT瞬间截止，集成电路A的2脚便通过电阻器R4连接12V电压正极，

10、又因A的一脚在晚上也是高电压，便相继使A的3脚输出低电压，5脚和6脚也为低电压，4脚则输出高电压。该电压经二极管VD1正偏导通，向电容器C2充电，又使A的8脚和9脚为高电压，继续控制A的10脚输出低电压，12脚和13脚为低电压，11脚输出高电压。使三极管导通，便使继电器工作，开关闭合，从而驱动灯泡H放光。注：在仿真中灯泡我们用的是发光二极管（LED）。 当外界没有声音发出时，开关断开，三极管输入到集成电路A的2脚一个低电平。又因A的一脚在晚上也是高电压，便相继使A的3脚输出高电压，5脚和6脚也为高电压，4脚则输出低电压。该电压经二极管VD1正偏导通，又使A的8脚和9脚为低电压，继续控制A的10

11、脚输出高电压，12脚和13脚为高电压，11脚输出低电压。三极管不工作，继电器无法产生电流，继而无法导通开关，从而灯泡H不24信号处理模块2、4、1 芯片TC4081BP的介绍TC4081BP是一种将四个基本二输入与非门电路集合在一起制成的集成电路，因此称为二输入四与非门集成电路。利用该集成电路既可以设计放大器，也可以设计振荡器，还可以设计控制开关，因此被广泛应用于各种电子设备中。另外，TC4081BP内部四个二输入与非门电路各自独立，实际中可选用其中一个，也可以四个全用，还可进行并联、串联应用，这又给我们的设计带来了极大的方便。2、4、2 芯片TC4081BP的工作原理TC4081BP的外形如

12、图2-6所示，它是采用晶体管制造工艺在硅晶片上生产四个各自独立的二输入与非门电路，然后采用DIP-14标准封装而成的双列14脚直插式结构。 图2-6 图2-7TC4081BP的14个引脚的排列、引脚名称及内部结构如图2-6所示，可以很清楚的看到四个二输入与非门相互独立，每个单独的与非门有两个输入端和一个输出端。四个与非门被集成后，TC4081BP的1脚、2脚、3脚属于第一个与非门电路，其中1脚的1IN1端为该与非门的输入端，2脚的1IN2端为该与非门的另一个输入端，3脚的1OUT端为该与非门的输出端；4脚、5脚、6脚属于第二个与非门电路，其中4脚的2IN1端为该与非门的输入端，5脚的2IN2端

13、为该与非门的另一个输入端，6脚的2OUT端为该与非门的一个输出端；8脚、9脚、10脚属于第三个与非门电路，其中8脚的3IN1端为该与非门的输入端，9脚的3IN2端为该与非门的另一个输入端，10脚的3OUT端为该与非门的一个输出端；11脚、12脚、13脚属于第四个与非门电路，其中11脚的4IN1端为该与非门的输入端，12脚的4IN2端为该与非门的另一个输入端，13脚的4OUT端为该与非门的一个输出端；7脚、14脚为TC4081BP的工作电源输入端，7脚位电源的负极Vss，14脚为电源的正极Vdd。在TC4081BP中，每个与非门的两个输入端与一个输出端之间所呈现的关系见表1。第一个输入端（1脚）

14、第二个输入端（2脚）输出端（3脚）011101001110表中以TC4081BP的第一个与非门为例，“0”表示低电压，“1”表示高电压与非门集成电路是一种价格最低廉的集成电路，而且工作损耗小，适应电压范围宽，可在318V的范围内正常工作，因此得到广泛应用。图 2-8 信号处理2.5 延时模块2.5.1延时控制电路图2-9 延时控制电路延时控制电路的工作原理：见图2-9的电路图，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

15、三次反相后成低电平，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1分钟下降到与非门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

16、自动关断，白炽灯熄灭。延时时间理论值为：t=2RC=2×10uF×1M62.8S2.5.2 RC电路的放电过程当电容C2已有电压U0时，且二极管无正偏截止时，电容器立即对电阻R6惊醒放电，放点开始时的电流为,放电电流的实际方向与充电时相反，放电时的电流与电容电压随时间均按指数规律衰减为零，电流与电压的数学表达式为: （2.5.1） （2.5.2） 式中为电容器的初始电压。放电时和的变化曲线如图2-10所示。 图2-10 RC放电时电压和电流的而变化曲线2.5.3 RC电路的时间常数RC电路的时间常数用表示， ,的大小决定了电路充放电时间的快慢。对于充电而言，时间常数时电容电

17、压从零增长到63.2%所需而当时间；对放电而言，是电容电压从下降到36.8%所需的时间。R6的阻值为250K，C2为100,则有=250K*100=25 所以延迟时间为252.6被控制电路2.6.1 电路工作原理 图2-11 被控制电路 被控制电路三极管T2、继电器H、LED灯D3、电阻R8、R9，二极管D2组成，在这部分电路中，继电器和三极管相当于一个开关，可开通或关断灯泡连接的5伏直流电源，。 当三极管T2处于饱和导通状态时，集电极电流驱动继电器H动作，开关闭合，灯泡回路导通，此时在灯泡回路中，电流从直流电源沿电阻R8继电器中的开关LED灯D3，最后流回直流电源，就这样灯泡亮也。 当三极管

18、T2处于截止状态时，继电器H中无电流通过，故而继电器开关无法动作，导致灯泡回路开路，无电流通过，LED灯D3不亮。 继电器H中开关动作受三极管T2控制，当三极管T2处于饱和状态时，其集电极有电流通过，从而驱动继电器H中的开关动作，灯泡回路导通；而当三极管T2处于截止状态时，其集电极无电流通过，继电器中无电流通过，其开关无法动作，灯泡回路关断。三极管H是处于饱和导通还是处于截止断开，则由其基极B控制。当B极电压处于高电平时，其值高于集电极C的电压，而且大于三极管T2的开启电压Uon,三极管处于饱和导通状态，集电极上的继电器中有电流通过；当基极B处于低电平状态时，其值小于三极管开启电压Uon，三极

19、管处于截止状态,其集电极中无电流，三极管这个“开关处于断开状态。二极管D2的作用是保护继电器。当三极管T2饱和导通时，继电器中有电流通过，此时是二极管D2相当于开路，对电路无影响，；当三极管在转换到截止状态的瞬间，由于继电器中含有电感元件，那么必然会在此刻产生极大的电流，如果不加二极管D2，电路可能会因电流过大而损坏，而加上二极管后，电流改变流向，通过二极管D2和继电器中的电感组成的回路完成放电过程，不会损坏电路。3电路仿真及PCB图电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动三极管，芯片TC4081BP和小灯。信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。声音信号收集模块将声音信号转变为

20、音频电信号从而能够输入电路，起到控制开关的作用。光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起控制芯片的输入。信号处理模块即是芯片TC4081BP对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用于延时模块。延时模块是在信号处理模块的作用下工作，起到延时的作用。被控制模块在信号处理模块及延时模块的共同作用下工作，达到设计的目的。 图3-1 声光控制楼道开关电路原理图 图3-2 PCB图4总结体会在这段时间里的设计中，我做的课题是“声光控制楼道开关”。这是一种声音和光照双控制的照明灯，它可以用于楼梯，过道，库房的场合。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会使灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声音，就会自动为行人照明，过一会儿后有自动熄灭，节能节电。这次的声光控延时开关的设计实践将我们学到的只是应用到了实践，深化了对数字电路设计和模拟电子设计的认识，使我们在设计的实践中获得新知。学习了一年