声光双控照明灯

1、吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1章 绪论1.1 设计背景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。自从我国加入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。生产企业适应新标准的要求，为各类照明场所提供相应的产品。从国际市场

2、分析，虽然我们的出口逐年大幅度增长，但我国大部分产品在国际市场仍属中低档水平，去过法兰克福的人都有体会，我们的产品与国际先进水平相比还存在较  大差距。另外，如果大量劣质低价产品出口，还会遭遇反倾销诉讼，从而影响全行业出口，因此我们仍要大声疾呼，质量是企业的生命。我国目前已成为世界照明电器产品生产大国，我们的目标是要成为照明电器产品生产强国，我们与发达国家在照明电器产品的质量、档次、生产工艺、设备、材料以及新产品开发能力等方面均存在明显差距。看到我们取得成绩的同时，也能清醒地认识我们存在的差距，才能不断地进步。据中国照明学会调查资料表示：中国目前使用节能灯的家庭有一亿户，使用节能灯的

3、酒店及公共场所更是多得难以统计；全国每年单节能灯市场的总额在120亿以上，同时每年城市化的进程在以6%的速度增长。据国家电光源质量监督检验中心介绍，我国已成为世界最大的节能灯生产国和出口国，生产的节能灯质量逐年稳步提高。2005年以来节能灯质量抽查产量合格率达到80以上。消费者使用节能灯既节能又省钱。1.2 设计目的随着社会不断进步，科技发展，声光双控照明灯逐步走进社会各个公共角落，声光双控照明灯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。用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，在天黑以

4、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，它解决了“长明灯”浪费电能的问题，延长灯泡的使用寿命，安全性好，可靠性高。该装置省去了能耗大、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，降低能耗、节约能源的目的。1.3 设计意义通过这次的设计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设计能够进一步地

5、了解照明灯，而不是仅局限与课本知识以内。从小的突破点入手，掌握又一项科技知识，从而实现课堂外的又一次提高,为现代教育科学尽一份力量！第2章 总设计方案2.1 设计方案本电路系统对220V交流电压进行整流，输出DC9V电压提供给声控、光控及延时电路，由这三部分电路控制灯泡自动亮灭。如图2-1所示：图2-1 系统框图声光控开关的电路原理图如图2-2所示。电路中的主要元器件是使用数字集成电路CD4011，其内部含有4个独立的与非门D1D4，使电路结构简单，工作可靠性高。当声音信号(脚步声、掌声等)由驻极体话筒BM接收并转换成电信号，经C1耦合到VT的基极进行电压放大，放大的信号送到CD4011中的与

6、非门D2的2脚，R4、R7是VT的偏置电阻，C2是电源滤波电容。   为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻RG等元件组成 光控电路，R5和RG组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，RG两端的电压高，即为高电平期间t=2R8C3，改变R8或C3的值，可改变延时时间，满足不同目的。CD4011中的D3和D4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。当C3充电到一定电平时，信号经与非门D3、D4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；C3充满电后只向R8放电，当放电到一定电平时，经与非门D3、D4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开

7、关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。二极管VD1VD4将220V交流进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C2滤波后即为电路的直流电源，为BM、VT、IC芯片等供电。图2-2 双控灯总原理图第3章 单元电路设计图3-1是声光双控节能灯开关电路原理方框，在设计过程中我们可以分析设计部分电路。图3-1 原理框图3.1 声控电路当BM获取到声音信号后，其会转换成电信号，如图3-2所示声控电路由传声器BM，电阻器R2、R4，晶体管VT、电容C1和CD4011中的D1组成。此部分电路图如图3-2所示：图3-2 声控部分电路图 工作原理：声控照明电路的主要原理是利用了声学和电子学的原理即用

8、声音传感器将声音信号转换成电信号从而推动触发器触发使电路导通工作。作为一个智能化声控照明电路应具有能在声音的控制下实现电路的导通与截止，声音的发出应是多方面的如脚步声物体打击声等，响应时间越短越好等功能。为此在选择电路元器件时应选择灵敏度较高的声音传感器组成声控照明电路控制电路的前端，同时我们还要为该传感器设置传感条件如声音响度必须在20DB以上才能响应等。中间端采用触发器构成，利用触发器不触不发，一触即发的特点去推动照明电路工作，触发器的选择也应选择灵敏度高，响应时间短的触发器如D触发器，JK触发器等。 3.2 整流电路整流电路把交流电能转换为直流电能的电路。大多数整流电路由变压器

9、、整 流主电路和滤波器等组成。本次所用为单向桥式整流电路，是由电源变压器T，4只整流二极管VD1VD4等组成。此部分电路图如图3-3所示：图3-3 整流部分电路图工作原理：利用4个二极管接成电桥使在Ul的正负半周的电压经过两只二极管交替导通，即在负载上形成了单方向的全波脉冲电压。其中单向桥式整流电路对电压的利用率高。 在桥式整流电路中，交流电在一个周期内有两个半波电流以相同方向通过负载所以该整流电路输出的直流电压比半波整流电路增加一倍，即=0.93.3光控电路光控电路的核心元件为光敏电阻，光敏电阻器又叫光感电阻，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

10、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）。在光线较暗时，光敏电阻呈高阻态；在光线较亮时，光敏电阻呈低阻态，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。光控电路由光敏电阻器RG，电阻器R5和CD4011中的D1组成。此部分电路图如图3-4所示：图3-4 光控部分电路图工作原理：利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定程度将触发触发器使其导通工作。光控照明电路其主要功能是实现当外界光照强度降低到一定程度时，使照明电路导通工作。就其方案而

11、言多种多样，但我们在设计时必须要考虑方案的可行性，稳定性以及元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的这样电路功能才能较容易实现，为此我们在设计光控电路时，不但要尽量使电路结构简化，而且要使电路功能强，功能的实现要可靠稳定。 3.4延时电子开关电路延时电子开关电路它是用电路中送入的信号进行控制电路的设备。其作用是用送进来的信号去控制电路，使电路达到延时的效果。声光双控电路是声、光控开关的组合。它是利用驻极体话筒是否采集到声音信号，光敏电阻感应光线的明暗来改变信号的高低电平，以达到控制电路输出高低电平的目的，再利用稳压管高电平导通的原理来控制灯泡的亮灭。如图3-5所示延时电子开关电路由二极

12、管VD5、电容C3、电阻R8、晶闸管VT和集成芯片CD4011组成。此部分电路图如图3-5所示：图3-5 延时部分电路图工作原理：延时电路的设计主要由C3和R8组成。当夜晚有响声（如脚步声、说话声等），驻极话筒会接收到信号并通过三极管VT对其进行放大之后送到CD4011的1脚，同时光敏电阻这时也呈高阻态并送入CD4011的2脚，经与非关系后3脚输出低电平，（集成芯片引脚的连接方式如图3-5所示）芯片4脚输出高电平使二极管VD5导通对C3充电。最终芯片11脚输出高电平去控制晶闸管导通点亮灯泡L。在此期间同时通过VD5对C3快速充电，充电电流大，充电时间很短，快速将C3上电压充满，C3上所得的电压

13、经R8对晶闸管VT的T、K级慢慢放电，此时就算没有响声灯泡仍然点亮，直到C3上的电放完，可控硅截止灯泡熄灭等待下一次触发。第4章 元器件选择4.1元件选择4.1.1 CD4011芯片结构与原理CD4011BC是一个集四个2输入与非门电路为一体的芯片，CD4001BC和CD4011BC四门是整体的补充MOS(CMOS)集成电路以N-和P-channel增强模式晶体管。他们有同样的源与汇电流能力和符合标准系列输出驱动。这个装置也有缓冲输出大大提高传递特性提供非常高的增益。所有的输入是防静电放电和二极管对VDD和说明。这个系列的逻辑门用磷和氮频道增强模式在一个单一的整体结构的装置。使用他们主要是为了

14、节省功率耗散和有较高的抗噪能力。CD4011芯片内部结构如图4-1所示。图4-1 CD4011内部结构图CD4011的功能：四个2为输入与非门CMOS芯片。电源电压范围：3V15V  功耗：700mW（普通封装）；500mW（小外形封装）工作温度范围：CD4011BM -55 +125、  CD4011BC -40 +85 逻辑表达式为：Y=AB4.1.2 光敏电阻光敏电阻（photoresistor or light-dependent resistor，后者缩写为ldr）又称光导管（photoconductor），常用的

15、制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。其外形图如图4-2所示图4-2 光敏电阻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，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，

16、封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。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。光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5M。当有光照时，材料中激发出自由电子和空穴，其电阻值减小，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1K以下。光敏电阻器的光照特性在大多数情况下

17、是非线性的，只有在微小的范围内呈线性，光敏电阻器的电阻值有较大的离散性（电阻变化、范围大无规律）。光敏电阻器的灵敏度是指光敏电阻器不受到光照是的电阻值（暗阻）和受到光照时电阻值（亮阻）的相对变化值。光敏电阻的暗阻和亮阻间阻值之比约为1500：1，暗阻值越大越好，使用时给其施加直流或交流偏压，MG型光敏电阻器适用于可见光。其主要用于各种自动控制电路、光电计数、光电跟踪、光控电灯、照相机的自动暴光及彩色电视机的亮度自动控制电路等场合。4.1.3 驻极体话筒驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。如图4-3所示。属于最常用的电容话筒。由于

18、输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。图4-3 驻极体话筒高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是说极化膜和背极间的电容是随声波变化。我们知道电容上电荷的公式是Q=C·U，反之U=Q/C也是成立的。驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取

19、出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管是有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小

20、，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高(Xc=1/2tfc)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有两根。即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。驻极体话筒与电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。源极输出类似晶体三极

21、管的射极输出。需用三根引出线。漏极D接电源正极。源极S与地之间接一电阻Rs来提供源极电压，信号由源极经电容C输出。编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于2k，电路比较稳定，动态范围大。但输出信号比漏极输出小。漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。只需两根引出线。漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出。源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。Rs和RD的大小要根据电源电压大小来决定。一般可在2251k间选用。例如电源电压为6V时，Rs为47k，RD为2。2k。图3输出电路中，若电源为正极接地时，只须将D、S对换一

22、下，仍可成为源、漏极输出。一声控电路前置放大级中驻极体话筒的源极输出和漏极输出的两种不同的接法，最后要说明一点，不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为它内部装有场效应管4.2 元件清单表4-4 元件清单第5章 模拟与仿真5.1 电路仿真测试仿真中没有CD4011仿真元件，采用74LS74代替。经过电路的多次设计和修改，在Multisim里进行多次的仿真设计，终于将声光控照明灯的仿真结果输出来，由于在Multisim里没有驻极体话筒、光敏电阻等器件，所以我采用了利用可变电位器的阻值的改变来实现信号的输入。图5-1是仿真整体图。5-1 仿真整体电路图图5-1中，仿真结果

23、主要由双踪示波器来体现，其中，通道A接的是1Q点的输出，通道B接的是延时电容的充放电的检查。  下面为每一种功能实现的仿真结果。 （1）在白天时，无论声音信号如何输入，LED灯都不亮如图5-2、图5-3：5-2 白天仿真结果（示波器）5-3 白天仿真结果（2） 在黑夜时，当J2开关打到延时时，在进入一个声音信号后，LED灯变亮如图5-4，经过20s后，LED灯自动熄灭。如图5-4中上方的波形为充电电容的波形，下方的波形为单稳态D触发器1Q的输出波形。5-4 黑夜时仿真模拟结果1（3）在黑夜时，J2开关打开到开关模式时：  加入一个声音信号后，LED灯变亮，20s过后LED灯继续在亮不会自动熄灭，当再次输入声音信号后，LED灯才会熄灭如图5-5，其中上面的波形为2Q脚的输出波形，下方的波形为1Q脚的输出波形，由图可知，只有当1Q脚输出上边沿触发信号时，2Q脚的输出状态才会发生改变。5-5 黑夜时开关模式仿真结果至此，所有功能仿真结束，所有功能及现象仿真是正常的，下面一步，是将仿真电路做成实物，然后两者之间进行比较，查看出实物与仿真之间是否有差别，并作详细记录。结论完成这次