声光控开关的设计说明

1、 . . . 中南林业科技大涉外学院课程设计报告设计名称： 声光控开关的控制 姓 名： 马健 学 号： 20107114 专业班级： 2010级电子信息工程2班 设计时间： 2012年11月18日 设计地点： 指导教师评语： 成绩：签名： 年 月 日声光控开关设计楼道延时开关的设计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”。 本次设计的是一个灵敏度较高

2、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 型光敏电阻器以与若干电阻、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

3、要合理设定延时 RC，实际和理论延时时间总会有差距的。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，小灯都不能被点亮，即白天时不需要光照，在夜晚当有声音产生时，小灯被点亮，且在声音消失后，小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。目录一、 课程设计与任务要求················&

4、#183;··························3二、 设计思路······················

5、;·······························32.1 整体模块方框图·················

6、;··························32.2 电源模块······················&#

7、183;··························42.3 信号收集模块·····················

8、83;·······················42.4 声音信号收集电路························&#

9、183;················52.5 信号处理模块·······························

10、83;·············72.5.1 TC4081BP工作原理·································&#

11、183;72.6 延时电路设计·············································82.7 被控制电路·

12、;··············································9三、 电路的安装与调试··

13、;··········································113.1 灯泡一直亮着······

14、;······································113.2 灯泡始终不亮··········

15、;··································113.3 发光时间短··············

16、································113.4 灯泡响应灵敏度低···············

17、3;························11四、 总结························

18、83;·······························12五、 附录·················&#

19、183;······································131 课题名称：声光控开关设计楼道延时开关设计按课程要求设计一个声光控延时节能开关，在白天或光线较亮时，节电开关呈关闭状态，灯不亮；只

20、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，并有足够的时间让人通过，以达到实用节能的目的。要求如下：（1）设计声光控开关电路，完成相关理论计算；（2）绘制原理图、制版、实验室调试（利用实验室条件对各模块进行调试）。2 设计思路2.1 整体模块方框图感光电阻RG检音BM放大VT控制门D1灯泡继电器T整形D2延时R8,C3二级整形D3,D4图1 声光控延时节能开关整体方框图2.2 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，模块如下方框图：稳压电路滤波电路整流电路电源变压器降压过程是将220V单相交流电压直接

21、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。稳压电路由电阻和稳压二极管组成。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。2.3 信号收集模块对于光信号的设计，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，构成电路图如下所示：

22、VCC光控部分VCC1 142 133 124 115 106 97 8R5,1M声控部分电源电路部分延时部分RG图2 TC4081BP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，若此时有声即

23、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最终端输出高电平，灯泡不亮。所以R5的阻值要远小于50M，这样晚上可以认为电压全分与R5，RG短路。即控制灯泡在晚上无声时不亮。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所以R5=Vcc/I-RG由于在白天RG约为1.2K，晚上RG约为50M，Vcc=12V综合各种因素最终选择R5为1M。2.4 声音信号收

24、集电路： 声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，即可根据主要元器件将电路划分为若干个单元。仿真声控部分原理图如下所示。声音输入部分暂用开关代替，同样电容C2具有通交流阻直流的作用，声音输入相当于一个正弦信号输入。图3 仿真声控部原理图分在仿真中，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，便继续使A的3脚输出低电压，5脚和6脚也为低电

25、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发光。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1脚在晚上也是高电压，便使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。三极管不工作，继电器无法产生电流，继而无法导通开关，从而灯泡H不发光。2.5

26、信号处理模块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，还可以进行并联、串联应用。2.5.1 工作原理：TC4081BP的外形如下图所示，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保准封装的双列14脚直插式结构。TC4081BP的14个引脚的排列、引脚名称与部结构如图所示，可以清楚的看到四个二输入

27、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属于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、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

28、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端为该与非门电路的另一个输入端，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脚为电源的负极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下表：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较为低廉的集成电路，而且工作损耗小，适应电压围宽，可在318V的围正常工作。VCC1 142

29、 133 124 115 106 97 8电源电路部分VD1延时部分4148图4 TC4081BP信号处理2.6 延时电路设计根据电容的特性，电容两端的电压是缓慢变化的。譬如说：灯泡要通电，它的电压在通电的一刻由0变为另一个值，如1V。但是由于其是缓慢变化的，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，是存在电容缓冲的。根据这一特性，将电容两端并联一个电阻，从而可以形成一个延时电路，即图中的由延时电阻器R6和延时电容C2组成的延时电路，如图所示：图5 延时电路的原理图2.7 被控制电路图6 被控制电路被控制电路由三极管T2、继电器H、LED灯D3、电阻R8、R9，二极管D2组成

30、，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5V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工作，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。当三极管T2处于截止状态时，继电器H中无电流通过，故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处于饱和导通状态时，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

31、作，灯泡回路断开。三极管T2是处于饱和导通状态还是处于截止断开，则由基极B控制。当基极B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处于低电平时，其值小于三极管的开启电压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

32、极管D2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 电路的安装与调试3.1 灯泡一直亮着灯泡一直亮着的问题，多是三极管被击穿，造成继电器中一直有电流通过，从而灯泡回路一直处于导通状态；或者是继电器和灯泡回路接法不正确，使得继电器中一直有电流通过或者灯泡直接接在电源回路上，从而使灯泡一直处于导通状态。若没有上述错误，则极有可能是集成电路TC4081BP损坏使A的11脚始终为高电压。3.2 灯泡始终不亮出现这一问题，先检查灯泡是否正常。如果灯泡正常，就说明开关电路中有元件损坏。可先焊开光敏电阻器的一个脚，在向话筒送入声音信号的同时，用万用表测集成电路A

33、2脚的电压，看指针是否摆动。若摆动很小或不摆动，就应检查声音触发控制电路中的各元件，包括话筒、电阻器R1到R4、电容器C1、可调电位器RP、三极管VT；若指针摆幅很明显，再测三极管T2的基极电压，若此处无电压，就说明集成电路TC4081BP、电阻器R5-R7，R7，R10、二极管VD1，电容器C2之一有损坏。3.3 发光时间短这是延时电路的电容器C2或电阻器R6有问题，可用容量大点的电容替换C2，或对电阻R6进行替换。若更换后，延时时间还是较短，则由可能是二极管VD1不良。3.4 灯泡响应灵敏度低如果需要很大响声，灯泡才能触发点亮，则说明触发电路元件性能下降，此时要着重检查三极管的放大倍数值，

34、以与检查电阻R1-R4、可调电位器RP和电容器C1等。总结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知识应用到了实践， 深化了对数字电路设计和模拟电子设计的认识。学习了两年的理论知识和实践操作， 我们不仅仅得到了课本上的知识，更重要的是通过自己独立动手，在老师和同学的耐心指导下，我学会了分析电路、设计电路的步骤等。在此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，让我进一步巩固和掌握了对前面所学的基础知识，加深了对模拟电路，数字电路的理解，对元器件的使用更加深刻。在设计的过程中难免会出现种种这样那样的问题与我们解决办