楼道声光控灯及开关课程设计

1、 课程设计 楼道声光控制灯 系别：电子工程系班级：电信13-2 组员：杨芹 周超 周正霖 黄永杰 格绒次里 唐兢杰 湛清华指导老师：蒋雪琴目 录摘要.3引言.4第1章 设计流程 .5第2章 电源模块 .72.1 电源电路的设计 .72.2 电源电路的工作原理及相关参数的分析.72.3 电源电路的其他设计.9第3章 信号收集模块.93.1 光信号收集电路.113.1.1 光信号电路的设计113.1.2 光信号电路的工作原理相关参数的分析.113.1.3 光信号电路相关参数的分析.123.2 声音信号收集电路.12第4章 信号处理模块.144.1 芯片TC4081BP的介绍.144.2

2、芯片TC4081BP的工作原理.14.第5章 延时模块.165.1 延时电路的设计.165.2 延时电路的工作原理.165.3 RC电路的放电过程.175.4 RC电路的时间常数175.5 延时时间的可优化性.18第6章 被控制模块.196.1 被控制电路的设计.196.2 被控制电路相关参数的分析.206.2.1 相关元件介绍.20总结.24参考文献.25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

3、所照明开关的理想选择，被人们誉为“长明灯的克星”。本次课程设计的是一个灵敏度较高的声光控制开关，行人只要拍个巴掌就能电路触发。本电路仅使用一只CMOS门电路TC4081BP、一个CRZ2-113F型小型驻极体式电容话筒、一个CdS型光敏电阻器以及若干电阻、电容配合就能将电路触发，使其导通，将电灯打开。它不需要发送关闭信号，由电路自身的延时电路将灯关闭。当灯被打开后，延时电路延时约25s后将灯自动关闭。该电路还具有自动光控作用，在白天由光敏电阻器控制着电路。即使受到声音信号的触发，开关也不会打开。在此电路的设计中，要注意三点，第一是要合理设计三极管的静态工作点，使之处于饱和或截止两状态；第二要调

4、节好电位器，从而使声控开关和光敏电阻具有良好的灵敏度；第三要合理设定延时RC，实际和理论延时时间总会有差距的。关键词：声光双控 延时 节电 开光 引言近年来，城市居民住宅越来越趋向高层化。高层建筑的一个不可忽略的问题是楼道等公用部分的照明问题。楼道照明灯如果能做到随手关灯，将是一个极大的能源消耗，以一栋六单元十二层楼房为例：每层安装一只15瓦的灯泡，就是72只灯泡，每小时耗电1.08度。如果这些灯彻夜通明，一晚耗电10多度，一年就是4000多度。一般住户在开灯后往往忘了或不愿意再费事去专门关灯。感应式楼道照明开关是解决这个问题的一种简单方法。它可以在开灯后一定时间内自动熄灭。在白天，即使有人走

5、过，楼道等也不会亮，可以达到节能的目的。声光双控延时开关体积小，外形美光，制作容易，且节能环保，是当今世界的主潮流。由于近年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。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，而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。所以我们小组设计一个声光双控延时开关来解决此浪费问题。夜晚，行人经过楼道出入口时，照明灯点亮25s后熄灭；白天，照明灯自动停止工作。第 1 章

6、 设计流程此设计是为了实现声控光控延时开关的功能。在白天时无论是否有声音，灯都不能被点亮，即白天时不需要光照，在夜晚当有声音产生时，灯被点亮，且在声音消失后，灯能够维持一段时间亮度，即在夜晚有人经过的时候，灯被点亮，并有足够的时间让人通过。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

7、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，达到设计目的。 感光电阻RG控制门D1延时R8,C3二级整形D3,D4继电器T灯泡整形D2放大VT检音BM 图 1-2 第2章 电源模块这一章详细介绍电源模块的电路设计，电路中各个器件参数确定的相关分析，其工作原理及其他类似的设计。为整个电路提供5V、12V的直流电源，是电路的动力来源。2.1 电源电路的设计电源电路采用降压、整流、滤波和稳压的组合

8、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。稳压电路由电阻稳压二极管构成，利用二极管的稳压特性，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。2.2 电源电路的工作原理及相关参数的分析电源电路原理图

9、：图 2-2为了得到5V和12V的直流电源，将220V频率为50Hz的单项正弦波交流电输入变压器，其原边与副边的比为，经过变压器得到=12.5V （2.2.1）得到=15交流电通入单项桥式整流电路经过全波整流得到平均值为=0.9的直流电压，其脉冲系数很大。单相桥式电路中的整流桥的二极管选用IN4007。然后将的直流电压通入滤波进行滤波，可以得到平均值为=1.2=18V的直流电压。滤波电路中的电容为，与并联的负载为，的取值满足 =（35） (2.2.2)得到=（35）理想情况下可将交流分量全部滤掉，使输出电压仅为直流电压，然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后必会影响其滤波效果，要得到稳定

10、的直流电源需将滤波后的电压输入稳压电路。稳压电路中的稳压管Dz1选用稳压值为12V的稳压二极管，其型号为2CW19；Dz2选用稳压值为5V的稳压器二极管，其型号为2CW12经过查阅电子元器件的手册，Dz2的最小工作电流为=10mA最打工作电流为=45mA内阻为50。R2和Dz2对Dz1的电压进行分压，Dz2上电压为，则上的电压为 (2.2.3) (2.2.4) (2.2.5) 则得到的阻值范围为 （2.2.6）所以155.6700，所以去=500查阅手册得到稳压管的最小工作电流为=5mA，最大工作电流为=17mA，内阻为35.所以 （2.2.7） （2.2.8） （2.2.9） (2.2.10

11、) (2.2.11) (2.2.12)所以120222, 所以取=200根据电路图得到 (2.2.13)因此得到0.9uF1.5uF，取=1uF2.3 电源电路的其他设计此电源电路还有其他方式的设计。如图2-3图 2-3由于该电路所要求的电压值可以在一定的范围内波动，可以将220V交流电源通过整流桥后用两个阻值较大的电阻R1、R2进行分压，并用电容C在电阻R2上并联，对R2的电压进行滤波，最后在电容C形成上正下负的直流电压。R1、R2的取值应该较大，使得电路上的电流较小，其中R2上的电压值要考虑与R2并联的负载大小，在此次电路设计中，后面连接的被控制电路、芯片、声控、光控电路上的电阻连接起来大

12、约为20K，所以取R2为20K，R1为150K,则R2上分得的电压为U=0.9×220(R2RL) (R2RL+R1) （2.3）第3章 信号收集模块3.1 光信号收集电路3.1.1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，所以必须要用光敏电阻RG。将光敏电阻RG与R5串联起来，所构成的电路图如下：图 3-13.1.2 光信号电路的工作原理 表3-1 光敏电阻型号最大电压（VDC）最大功耗（mw）环境温度光谱峰值(nm)亮电阻（K）暗电阻（M）MJ20516250500-30+70560

13、51表3-1 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

14、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。3.1.3 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 （3.1） 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。3.2 声音信号收集电路声音信号收集电路的设计 图1 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

15、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，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

16、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

17、作，继电器无法产生电流，继而无法导通开关，从而灯泡H不第四章 信号处理模块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。4、2 芯片TC4081BP的工作原理TC4081BP的外形如图4-1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

18、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4-1 图4-2TC4081BP的14个引脚的排列、引脚名称及内部结构如图4-2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

19、、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4-1。第一个输入端（1脚）第二个输入端（2脚）输出端（3脚）011101001110表中以T

20、C4081BP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 4-3 信号处理 第五章 延时模块5.1 延时电路的设计根据电容的特性，电容两端的电压时缓慢变化的，譬如说：灯泡要通电，它的电压在通电一刻有0变为另一个值，如1V。但是由于其时缓慢变化的，即01V中间的每一个值灯泡都经历过，突然的变化不会到时突变，时存在电容缓冲的。根据这一特性，将电容两端并联一个电阻，从而可以一个延时电路，即图中的由延时电阻器R6和延时电容器C2组成的延时电路。如图5-1所示。图 5-

21、1 延时电路的原理图5.2 延时电路的工作原理灯泡H在晚上受声音控制发光后，若不再有响声输入到话筒B，三极管VT又受R2、R3分压正偏导通，使A得3脚输出高电压，A的4脚输出低电压，二极管VD1无正偏截止。但是电容器C2正极电压不会很快降低，它通过电阻器R6放电。由于电阻器R6的阻值较大，电容器C2上所充的电需要一定时间才能放完。这样就使A的10脚保持为低电平，11脚保持为高电平，灯泡保持发光。只有等到电容器C2放点结束，使A的8脚，9脚将为低电平，10脚输出高电平，12脚、13脚位高电压，11脚输出低电压后，通过三极管控制继电器的工作状态，以切断灯泡H的电流回路，实现灯泡H在延时亮一段时间后

22、又自动熄灭，从而实现了延时功能。5.3 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: （5.3.1） （5.3.2） 式中为电容器的初始电压。放电时和的变化曲线如图5-2所示。 图 5-2 RC放电时电压和电流的而变化曲线5.4 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

23、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255.5 延迟时间的可优化性在电路中，电路的延迟时间是由电阻和电容协调控制的，因此，可以通过改变电容和电阻的值来增长或缩短延迟时间。譬如说在一栋小区中，可以通过先调查小区内居民的平均年龄，在合理的装置延迟时间不同的照明灯，如果偏于老龄化的小区就把延迟时间增长一些，如果不是的话可以稍微缩短一下其延迟时间，这样做会更加人性化，更加节约能源，切实符合当今时代的主潮流。第6章 被控制电路6.1 电路工作原理 图5-1 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

24、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

25、，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

26、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。6.2 电路参数分析6.2.1 相关元件介绍 1.三极管T2选用的是9014型NPP型硅管，相关参数如下表 5-1VCEO45VVCBO50VVEBO5.0VIC100mAIc1.0mAVCE5.0VICBO0.1µAIEBO0.1µAVCE(sat)0.3VVBE(sat)1.0Vft150MHz4002.继电器H选用的是OMRON继电器G2R-1 DC12，这是一种小型直流继电器，线圈参数如下： 表 5-2制造商Omron触点形式:SPDT线圈电压12 VDC 触点额定值10 A触

27、点端接Solder Pin 安装风格Through Hole功耗530 mW触点材料Silver AlloyPart # Aliase12DC G2R1 G2R112DC3.二极管D2二极管选用的是IN4148,其参数如下：表 5-3最高反向工作电压(V)75反向击穿电压(V)>=100最大正向电流(mA)150正向压降(V)<=0.8反向回复时间(ns)<=44.日光灯D3日光灯选用26MM*1500MM（150cm ）规格的LED灯泡，其额定功率为25W，使用寿命在3万-5万小时，供电电压为为AC85V-260V(交流)。注：为何选用LED灯？答：它不但超强节能更为环保.

28、 还是国家绿色节能照明工程重点开发的产品之一，是目前取代传统的日光灯的主要产品。LED日光灯综合应用LED电光源，独特的电路控制设计，真正达到了高效节能，省电80% 以上。 超高亮度，显色指数高，是最新型的室内照明产品，不需使用镇流器、启辉 器，无频闪。安装非常简单，安装时将原有的日光灯取下换上LED日光灯，将起辉器去掉即可。 LED日光灯节电高达70以上，寿命为普通灯管的30倍以上，几乎是免维护。适用范围：写字楼、工厂、商场、学校、居家等室内照明LED日光灯的十大优点 ：1：环保型灯具传统的日光灯中含有大量的水银蒸汽，如果破碎水银蒸汽则会挥发到大气中。但LED日光灯则根本不使用水银，且LED

29、产品也不含铅，对环境起到保护作用。LED日光灯公认为二十一世纪的绿色光源。2：少发热现象传统灯具会产生大量的热能，而LED是冷光源，则是把电能全都转换为光能，不会造成能源的浪费。光效能更为显著。3：没有噪音LED灯具不会产生噪音，对于使用精密电子仪器的场合为上佳之选。适合于图书馆，办公室之类的场合。4：保护眼睛传统的日光灯使用的是交流电，所以每秒钟会产生100120次的频闪。LED日光灯采用LED恒流工作，是把交流电直接转换为直流电，有效减少LED光衰，启动快，无闪烁，保护眼睛。 5：无蚊虫烦恼LED日光灯不会产生紫外光、红外光等辐射，不含汞等有害物质，发热少。因此不会象传统的灯具那样，有很多

30、蚊虫围绕在灯源旁。室内会变得更加干净卫生整洁。6：电压可调80V245V传统的日光灯是通过整流器释放的高电压来点亮的，当电压降低时则无法点亮。而LED灯具在一定范围的电压之内都能点亮，还能调整光亮度.7：省电寿命长LED日光灯的耗电量是传统日光灯的三分之一以下，寿命也是传统日光灯的10倍，与传统日光灯亮度基本一致，正常使用寿命为3万小时以上，节电高达80，可以长期使用而无需更换，减少人工费用。更适合于难于更换的场合。8：坚固牢靠LED灯体本身使用的是环氧树脂而并非传统的玻璃，更坚固牢靠，即使砸在地板上LED也不会轻易损坏，可以放心地使用。9：通用性好LED日光灯外型、尺寸与传统的日光灯一样，可

31、替代传统灯具。10：色彩丰富充分利用LED色彩丰富的优势制作各种发光颜色的灯。 6.2.2 电路参数分析、计算三极管深度饱和时所需基极电流IBS： （5.2.1）IBS称为饱和基极电流。为使三极管处于饱和工作状态，必须保证iBIBS。用于开关电路的三极管一般都具有很小的VCE(sat)和RCE(sat)。.在VB4VCE(sat)、RHRCE(sat)的情况下，可将式（5.2.1）近似为 （5.2.2） VB4=12V, RH=1.2，=400 IBS =0.025A计算R9的阻值因为声音和光信号经过TC4081BP芯片处理后，得到输出电压VB=12V。VBE(sat) =1.0V, 根据iB

32、IBS，得IBS （5.2.3） （欧姆）R9要选用阻值小于440的电阻灯泡回路相关参数灯泡额定功率P=25W，R=1936，电源为U=220V，f=50HZ的交流电总结在这段时间里的设计中，我们做的课题是“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，库房等场合。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知识应用到了实践中，深化了对模拟电子课程设计的认识，使我们在设计的实践中获得新知。学习了那么久的理论知识和实践操作，我们不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是我们通过自己的独立动手，老师和同学的耐心指导帮助下，我们学到了很多。在此课程设计中利用到了三极管的特性，光敏效应，特别是芯片的一些功能，让我们进一步巩固和掌握了前面所学的基础知识，加深了对模拟电路的理解，对元器件的使用更加深刻。当然了，第一次经历课程设计这东西，在设计的过程中难免会出现种种这样那样的问题及我们解决的办法：1、在电源设计中要根据器主体电路及执行机构不同进行相