声光双控节能灯项目设计方案

声光双控节能灯项目设计方案

1.1课题研究的目的和意义

研究的目的：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研究能够进一步地了解照明灯，而不是仅局限与课本知识以。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！

研究的意义：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。1.2国外概况

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。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产销领域，使得国竞争国际化。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。

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。

美国、法国、荷兰、英国、意大利等国家从上世纪90年代起，纷纷制订出相关的扶持政策，用于推广节能灯等节能产品。仅美国环保局从1991年开始实施绿色照明计划以来，就投资了10多亿美元用于推广高效照明产品。美国能源部研究认为，节能灯的新科技也能令公司雇员提供生产效率，这是因为雇员能把光效调校至他们觉得舒服的等级。研究指出，节能灯能减少雇员眼部疲劳和头疼的发生率。这也构成商业机构乐于更新换代照明系统的另一个原因。可见节能灯在国外都有着重大的发展和重要的作用。

1.3 设计思路及优缺点

本次毕业设计中我所设计的题目是“声光双控节能灯的设计”。这是一种声音和光照双控照明灯，它可以广泛用于楼梯、过道、库房的场合。本设计是一种基于数字集成电路的声光双控灯的设计，电路主要由电源电路、信号放大整形电路、延时处理电路单稳态电路组成。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有猝发声响，就会自动亮为行人照明，过几分钟后又自动熄灭，节能节电。声光双控节能灯具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点。该设计的缺陷是电路稍显复杂，并且该设计在接入节能灯后，因为节能灯不能频繁启动，容易造成节能灯寿命减少。节能灯适合接入采用继电器作为输出器件的声光控开关。

2设计方案论证

2.1题目分析

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 本设计系统框图

2.2设计方案

方案一：电路图如图2-2所示：

图2-2 方案一原理图

原理分析：

当有声音信号时，驻极体话筒MIC将声音信号接收后经VT1放大，再经整流电路转变为电压信号。当有光照照在光敏电阻RGM上时，其阻值变小，对直流控制电压衰减很大，导致VT2、VT3和R7、VD3组成的电子开关截止。而C4中无电荷，使单向可控硅MCR处于截止状态，灯泡不亮。

→[结论1]有声音有光时，灯泡不亮。

同理：当有声音信号传入而又无光照射在光敏电阻RGM 时，RGM阻值很大，对直流控制电压衰减很小。VT2、VT3和R7、VD3组成的电子开关导通，使C4充电。由于充满电时间很迅速，C4充满电荷后通过R8 把直流触发电压加到MCR

控制端，MCR导通，灯泡点亮。当C4中电荷放至零时，MCR回复截止状态，灯熄灭。

→[结论2]有声音无光时，灯泡亮。

当灯泡点亮过程中有新的声源出现时，C4会重新充电后重新放电，即重新计算点亮时间。如果需要改变灯亮时长，只需更改C4或者R8的参数即可。

方案二：电路图如图2-3所示：

图2-3 方案二原理图

原理分析：

声光控延时开关的电路原理图如图2-3所示。电路中的主要元器件是使用了

数字集成电路CD4011，其部含有4个独立的与非门D1～D4，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V T的基极进行电压放大，放大的信号送到CD4011中的与非门D2的2脚，R

、R7是V T的偏置电阻，C2是电源滤波电容。

4

为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻R G等元件组成

光控电路，R5和R G组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，R

两端的电压高，即为高电平期间t=2πR8C3，改变R8或C3的值，可改变延时时G

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，电子开关断开，完成一次完整的电

子开关由开到关的过程。

二极管VD1～VD4将220V交流进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C

滤波后即为电路的直流电源，为BM、V T、IC芯片等供电。

2

2.3方案比较

方案一和方案二的原理基本相同，但方案二具有较高的灵敏性，且所用的元件少易于制作，我觉得方案二比较适合。

3声光双控节能灯设计

3.1方案二电路原理框图

图3-1 方案二原理框图

该图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。

3.2声控电路

当BM获取到声音信号后，其会转换成电信号，如图2-3所示声控电路由传声器BM，电阻器R2、R4，晶体管V T、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：话筒将声音信号转化为负极性的电信号，但接收到的微弱信号经

C 2滤波，通过由三极管V T 组成的放大器把微弱的信号进行放大，其集电极输出正极性的电信号送到CD4011的2脚。并通过R 4给基极提供导通电压。

3.3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、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VD 1～VD 4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U l 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

29.0U U L

3.4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R G，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：在黑暗状态下光敏电阻R G呈高阻态，电路通过R5在光敏电阻R G 形成高电平。当同时有声音信号时，经过CD4011的一个与非门D1使后级电路工作。当有足够的光通量照射在光敏电阻上时，其电阻值突然降得很低，既光敏电阻两边就的电压就很小，即不能形成高电平，使其后级电路不能工作。

3.5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2-3所示延时电子开关电路由二极管

VD

、电容C3、电阻R8、晶闸管V T和集成芯片CD4011组成。此部分电路图如图5

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V T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4-3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上所得的电压经R8对晶闸管V T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。

3. 6元件清单表

3.7声光控制灯的常见故障与检修

⑴晚上声音小时声光控制灯不亮，当声音很大时灯才亮。这是声音输入电

路灵敏度降低所致，其原因有话筒BM灵敏度降低、电容C

1容量减小、三极管V

T

、

电阻R2、R4等元件的参数改变造成的。检修时，可适当减小R2的阻值以提高BM的灵敏度。增大R4和减小R5的阻值，降低三极管V

T

的静态工作点，用一个

等值电容与C

并联，观察效果是否改善等方法，提高声输入电路的灵敏度。

1

⑵晚上声光控制灯不时的发光，这一般是声信号输入电路灵敏度太高所致。检修时，对该部分电路的元件作与上相反地调整。

⑶白天有声音时声光控制灯便亮。这是光信号输入电路的故障。检修时，检查光敏电阻RG是否接收光线不足，可采用清除光敏电阻出的灰尘，检查光敏电阻的位置是否正确，光敏电阻是否开路，适当增大R5的电阻，降低与非门D2的1端输入电平的办法加以解决。

⑷晚上有声音也不亮。其原因是声信号输入电路在有声音时不能输出高电平，光信号输入电路输出低电平，集成电路CD4011损坏造成的。检修时，在有声音时测量与非门D2的2端是否为高电平，在无光时测量与非门D2的1端是否为高电平，若不是高电平说明故障在相应的输入电路，若是高电平应检查集成电路CD4011的逻辑关系是否正确。

⑸白天晚上声光控制灯长亮。其原因一般是晶闸管100-6被击穿，检修时，断电后用万用表的电阻挡测量T的两个阳极之间的电阻，若在1KΩ以下，则说明晶闸管已经被击穿，应更换。

⑹灯亮的延时时间不合适。若灯亮的延时时间缩短了，有可能是电容C3

漏电或者是容量减小所致，可用一只相同的电容尝试。若嫌延时时间不够，可适当增大电阻R8的阻值，或者增大电容C3的容量。反之，减小电阻R8或者电容C3的数值。

4主要元器件介绍

4.1 驻极体话筒

话筒又称传声器，一种电声器材，属传声

器，是声电转换的换能器，通过声波作用到电声

元件上产生电压，再转为电能驻极体话筒具有体

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。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻

抗很高，所以要在这种话筒外壳设置一个场效应

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

电荷的公式是Q＝C×V，反之V＝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。由于场效应管时有源器件，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。

图4-1驻极体话筒结构图

高分子极化膜在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，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。

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，一般为几十PF。因而它的输出阻抗值很高，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三根。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2．2～5．1k间选用。例如电源电压为6V时，Rs为4．7k，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，因为它部装有场效应管。关于驻极体电容式话筒的检测方法是：首先检查引脚有无断线情况，然后检测驻极体电容式话筒。驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。驻极体话筒的部结构如图所示。由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引出线，漏极D经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极S直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。

在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。将万用表拨至R×1kΩ档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，

黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。

4.2光敏电阻

光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，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。

光敏电阻器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）。常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1～10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4～0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极等组成。光敏电阻器在电路中用字母“R”或“RL”、“RG”表示。

根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：

⑴紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。

⑵红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，

广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

⑶可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

光敏电阻的工作原理是基于光电效应。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。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。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，受到波长的光线照射时，电流就会随光强的而变大，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载流子数目的多少。

4.3 调试

实际调试；将焊好的电路板对照电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路等现象发生。通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。如用万用表检测时。将万需表两表笔接触电路板相应处即可。本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住。将AB分别接在电灯的开关位上，用手轻拍驻极体。这时灯应亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体，这时灯不亮。说明光敏电阻完好，这时表示制作成功。若不成功请仔细检查有无虚假错焊和拖锡短路现象。

4.4 CD4011芯片的结构与原理

CD4011BC是一个集四个2输入与非门电路为一体的芯片，其外部结构如图4-2所示。

图4-2 CD4011芯片封装图

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V DD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节省功率耗散和有较高的抗噪能力。

CD4011芯片部结构如图4-3所示。

图4-3 CD4011的部结构图

CD4011的功能：四个2为输入与非门CMOS芯片。

电源电压围：3V～15V

功耗：700mW（普通封装）；500mW（小外形封装）

工作温度围：CD4011BM -55℃～+125℃、

CD4011BC -40℃～+85℃

Y

逻辑表达式为：AB

结束语

本次设计的原理清晰，设计性能指标的灵敏度基本达到设计的要求。在整个设计过程中，本着节约的精神，我用的都是简单廉价的元器件，降低了系统成本。本次的声光双控节能灯的设计，我学到了很多以前专业课上没学过的东西，或者说是弥补了以前专业课所学过而遗忘了的知识！锻炼了我主动学习的能力、与他人合作的能力。还可以从各种渠道获得一定的资料共同加以研究学习，通过自己的独立动手，老师和同学的耐心指导下，让我学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图等，提高了我的综合学习能力。而在中国这个高速发展的国家，只有不断更新自己，不断的吸取知识的精华，才能在这现实而又充满排挤的社会上生存下来！在这次的设计中，我发觉自己还很弱，还得不断的充电，以使自己的能力再有所提高……

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