声光控制楼道开关设计要点

目录

摘要 (1)

绪论 (2)

第1章方案选择 (3)

1.1方案设计 (3)

1.2功能阐述 (4)

第2章单元电路设计 (5)

2.1电源电路设计 (5)

2.2延时处理电路设计 (6)

2.2.1 555定时器 (6)

2.2.2 555定时器构成的单稳态电路 (7)

2.3声控电路设计 (9)

2.4继电器控制电路设计 (10)

2.5光控制电路设计 (11)

第3章整机电路 (12)

第4章电路仿真 (14)

第5章实物制作与调试 (15)

5.1常用电子元器件的安装 (15)

5.1.1 IC插座的安装 (15)

5.1.2 晶体管的安装 (15)

5.1.3 电阻的安装 (15)

5.1.4 电容的安装 (15)

5.2焊接 (16)

5.2.1 焊接准备 (16)

5.2.2 焊接过程 (16)

5.3调试 (17)

5.3.1 静态调试 (17)

5.3.2 动态调试 (18)

总结 (19)

致谢 (20)

参考文献 (21)

附录1 整机电路图 (22)

附录2 元器件明细表 (23)

摘要

声光控制楼道灯开关，能自动控制白天开关、夜晚亮灯、人走灯灭。这里介绍的声光控制自动延时开关，综合了声光和延时控制，工作稳定，节电并延长灯泡寿命。

整个电路由声控电路、延时电路、光控电路、电源电路组成。220V供交流电压供电，光控电路对外界光亮程度进行检测，输出与亮度程度相对的电压信号。从而实现白天灯泡不亮，晚上遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而实现自动控制，延时电路当声音消失后延长一段光照时间。在白天或光线较强的场合，即使有较大的振动声响也能控制灯泡不亮；晚上或光线较暗时遇到声响、振动后灯自动点亮，并延时一段时间。声光控制楼道灯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，它具有灵敏、低耗、性能稳定、使用寿命长、节能、体积小，外形美观，制作容易，工作可靠等优点。

关键词声控；延时；光控；光照强度；节能

绪论

众所周知，公共场所和居民居住区的公共楼道里普遍使用的都是机械手动开关。由于各种各样的原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象，这样既缩短了灯泡的寿命，又浪费了国家的电量，为国家、单位、个人造成很多经济损失。另外，由于频繁开关或其它的人为因素，墙壁开关的损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。因此，设计一种电路新颖、安全节能、结构简单、安装方便的声控楼道灯自动开关相当有必要。

楼道灯是一种广泛使用的公用照明设备，很多人对它的节能不太重视，人们对它的一些特殊性不了解,造成它的电能浪费。在重视节能和绿色生活的今天,我们很有必要研究它了解它,让它既能更好的为我们服务,又能节约能源,寿命更长,省钱又方便。本作品可代替住宅小区楼道上的开关，天黑有人走过楼梯通道有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，楼道灯延时几秒钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，这样可以达到节能的目的。此项目研究的是一种声、光双重控制功能的无触点开关。

当今世界在电子信息技术的领域里取得了社会跨跃式的进步，科学技术的飞速发展使各国生产力大规模提高。随着电子技术、数字技术的不断发展，人们生活水平的不断提高，人们对自己的生活及社会的能源也逐渐的开始重视起来。在电的领域里，电灯的样式、种类以及对灯的控制方式千变万化。在现代的科学研究中，科学家使用的先进仪器离不开电子技术；在国民经济的各个部门，电子技术广泛地应用于工农业生产，而且掺透到各个领域中。无论是通信、广播、电视、计算机、自动化设备、电子医疗器械、新型武器、人造卫星和宇宙飞船，还是人们日常生活中不可缺少的家用电器，都离不开采用电子技术制造出来的各种电子设备。

本设计采用开关电压过零保护技术，可消除白炽灯开启瞬间的大电流冲击，有效防止继电器元件启动时的电流过载，大大地延长了开关的使用寿命，并且可以起到保护灯泡的作用。

第1章 方案选择

1.1 方案设计

设计声光控开关，最起码要考虑三方面的问题，其一是灯泡的开关控制，这是由220V 市电供电。其二是光控制，使其在有光时，即使有声音也不能亮。其三就是声音控制，在晚上或光线不足时，只要有人经过，发出声音，灯泡就会点亮并延时。

方案一：

电路由555定时电路、声光控电路、电源电路组成。白天光线较强时，光控部分将开关自动断开，声控部分不工作。夜晚光线较暗时，光控部分将开关自动接通，负载电路的通断受控于声控部分，电路是否接通，取决于声音信号强度。当声音信号强度达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯开始延时，延时时间到，开关自动断开，等待下一次声音信号触发。方案一原理框图如图1-1所示。

图1-1 方案一电路框图

方案二：

电路中的主要元器件是用了数字集成电路芯片 CD4011 ,它内部有 4 个独立的与非门 D1 ～ D4 ，电路结构简单，可靠性高。声光控制灯主要由声控电路，光控电路，延时电路三部分组成。方案二原理框图如图1-2所示。

电

源

电

路 声 音 处 理 电 路 光 处 理

电

路 触 发 延 时 电

路

控 制 电 路

图1-2 方案二原理框图

该电路产生的声音信号，通过声电转换器转换成微弱的电信号，该信号经放大送处理器处理，处理器将幅度、频率不相同的声波信号转换成一次状态改变的控制信号，该信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要求功能，经执行机构直接控制负载动作，处理电路如图1-3所示。

图1-3 信号处理电路

由于两套方案均能实现声光控功能，而第二种方案结构复杂，生产成本高，且生产的工作量比较大，不易设计。从设计以及个人多方面的原因，选用第一个方案，用555定时器，此方案结构简单又实用，易与设计。

1.2 功能阐述

声光控照明电路的主要原理：利用光学、声学和电子学的原理，即用光敏电阻和声音传感器将光亮程度和声音信号转换成电信号，从而推动NE555的Q 端输出高电平继电器吸合使电路正常工作。此声光控制照明电路应具有以下功能：

1.白天灯灭；

2.晚上有声响时灯亮，延迟几十秒（设成30s ）后熄灭；

3.灯泡任意功率。 信号

处理

输入 输出 输入 输出 （a ）框图 （b ）波形图

第2章 单元电路设计

2.1 电源电路设计

电源电路由变压，整流、滤波、稳压四部分组成，电源电路框图如图2-1所示。

图2-1 为电源电路设计框图 电源电路原理图如图2-2所示。

图2-2 电源电路原理图

该图中，由D3、D4、D5、D6四个二极管构成桥式整流电路，它利用二极管的单向导电特性将220V 的交流电转换成脉动的直流电；C8、C9为电容滤波，它将整流后的脉动成分滤掉，使之变成比较平滑的直流电；U2、C3、C4组成的三端固定式稳压器，稳压后输出稳定的+5V 直流电压，其中C3为抗干扰电容，用以旁路在输入导线过长时引入的高频干扰脉冲，C4具有改善输出瞬态特性和防止电路产生自激振荡的作用；二极管D7对集成稳压器起保护作用。 变压器 整流桥 滤波 稳压

～220V

2.2 延时处理电路设计

2.2.1 555定时器

555定时器的内部电路封装和引脚图组成框图如图2-3所示。

a) 555定时器的内部组成 b) 555定时器的引脚图

图2-3 555定时器

555定时器的内部主要包括两个运放构成的集成电路电压比较器、一个R-S触发器、一个晶体管和几个电阻。下面介绍555定时器各引脚的连接及功能：

①脚为接地端，也是芯片的公共端；

⑧脚为电源端V

cc

；

③脚为电路的输出端；

⑦脚为放电端，相当于一个开关；

④脚为电路的复位端，其接地时，555的输出为低电平，且保持不变，一般将4脚接在电源的正极上，电路能正常工作；只要在此输入低电平，输出端立即被置为低电平，不受其它输入状态影响。正常工作时接高电平可直接接到电源上。

⑤脚为比较电压控制端，如果V

cc

端没有外加电压时两个比较器的参考电压，由电

源电压经过三个等值电阻分压提供，则V

R1=

3

2

V

CC

，V

R2

=

3

1

V

CC

。在这种情况下，该端可通过

电容（0.01uf）接地，防干扰信号窜入。如果该端接入外电压V co时，则V

R1

= V co，

V R2=

2

1V

co，因此V co可改变参考电压值V

R

。

②脚、⑥脚为两个电压比较器的输入端，一个为反相输入端，一个为同相输入端，

NE555

它们输入的信号可以是数字信号也可以是模拟信号，分别与比较器所设置的参考电压进行比较便于控制输出状态。同时它们和7脚在电路中的接法决定了555的工作 状态。

R 为置0输入端，当R =0时，定时器的输出OUT 为0；当R =1时，555定时器具有以下功能：

1.当高触发端TH >3

2Vcc ，且低触发端TR >31Vcc 时，比较器C1输出为低电平；C1输出的低电平将RS 触发器置为0状态，即Q = 0，使得定时器的输出OUT 为0，同时放电管VT 导通。

2.当低触发端TR <31Vcc ，且高触发端TH <3

2Vcc 时，比较器C2输出为低电平；C2输出的低电平将RS 触发器置为1状态，即Q = 1，使得定时器的输出OUT 为1，同时放电管VT 截止。

3.当TH <3

2Vcc 、TR >31Vcc 时，定时器的输出OUT 和放电管VT 的状态保持不变。根据分析，可以得出555定时器的功能表，如表2-1所示。

表2-1 555定时器的功能表 输入

输出 TH

TR R OUT VT × × 0 0

导通 >32Vcc >

31Vcc 1 0

导通 <32Vcc >31Vcc 1 不变

不变 <32Vcc <31Vcc 1 1 截止 2.2.2 555定时器构成的单稳态电路

将低触发端TR 作为触发信号I u 的输入端，再将高触发端TH 和放电管输出端D 接在一起，并与定时元件R 、C 连接，则可以构成一个单稳态触发器。具体电路及工作波形如图2-4所示。

a ）电路

b ）工作波形

图2-4 555定时器构成的单稳态触发器 当触发脉冲u 1下降沿到来时，由于TR <3

1Vcc ，而TH =C u =0，从555定时器的功能表不难看出，输出端OUT 为高电平，电路进入暂稳态，此时放电管VT 截止。由于VT 截止，Vcc 则通过R 对C 充电，当TH=C u ≥3

2Vcc 时，输出端OUT 跳变为低电平，电路自动返回稳态，此时放电管VT 导通。电路返回稳态后，C 通过导通的放电管VT 放电，使电路迅速恢复到初始状态。可以算出，输出脉冲的宽度W t ≈1.1RC。

所谓光控就是利用光敏三极管对不同光照呈现的阻抗不同，从而对NE555的4脚进行高低电平控制，使555处于等待触发状态或处于强制复位状态。

白天，亮度较强时，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，既光敏电阻两边的电压就变小，Q6基极电流大于集电极电流，从而工作于饱和导通状态，集电极与发射级短路，NE555的4脚呈低电平，使555处于强制复位状态，Q 端不输出高电平，继电器不吸合电灯不亮。

夜晚，亮度较暗时，在黑暗状态下光敏电阻RV1呈高阻态，阻值≥100K Ω，电路通过光敏电阻RV1形成低电平，不能使Q6饱和导通，Q6工作于截止状态，集电极与发射极断路，NE555的4脚呈高电平，NE555触发器处于单稳态触发状态。电灯点亮的时间即单稳态电路触发后高电平持续的时间，它取决于单稳态电路的时间常数，其大小为：

W t ≈ 1.1×470k×47uf ≈30s (2-1)

经计算，下图电路的单稳态时间为30s ，即电灯点亮后30s 熄灭。

NE555和R8、C5、Q6、C6、R7等组成延时处理电路如图2-5所示。

R7470K R8

20k

C5

0.01uF R 4DC

7Q

3G N D 1

V C C 8TR 2TH 6

CV 5U1

555C647uF Q6NPN

+5V Q3集电极

光敏电阻继电器

继电器

图2-5 延时处理电路

2.3 声控电路设计

驻极体话筒属于电容式话筒的一种，它是在电容器金属极板之间加上一层驻极体薄膜，作为电介质。当薄膜受声波作用而振动时，就引起电容量的变化，并在极板间产生电荷。如果施以直流电源电压，即可输出音频信号，实现声－电转换。

本电路的信号放大部分主要采用由多级三极管组成的谐振放大电路，其电路原理图如图2-6所示。 C1

4.7uF Q19013R32.4k

R23.3k R1

4.70k R520k C2

10uF D1

1N4007D21N4007

(2)

R6

10k Q2

PNP

+5V

声音采集Q3基极

GND

图2-6 声控电路原理图

拾音器采用电压蜂鸣器HTD35—14，当有音响作用到压点陶瓷片上时，声震导致的

绕曲变形就会产生相应的电效应。当话筒感应到声音时，就马上把声音信号转换成电信号，电信号直接经过C1耦合，再由Q1，Q2构成的直耦式音频放大器进行放大。电信号此时从Q2的集电极出来经过二极管D1导通流向Q3基极。此时，Q3工作于饱和导通状态，集电极输出低电平去触发单稳态电路。

2.4 继电器控制电路设计

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁继电器的工作原理和特性：

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的（如图2-7）。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

图2-7 电磁继电器结构

Q端输出高电平，继电器吸合，L2发光；Q端输出低电平，继电器断开，L2不发光。

继电器控制电路如图2-8所示。

L2

RL1

W171DIP-12

GND

555Q 端

GND

L2

220V

图2-8 继电器控制电路 2.5 光控制电路设计

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RV1，电阻R8、R9和Q6组成。如图2-9所示。 R8

20k

C5

0.01uF R 4DC 7Q

3G N D 1V C C 8TR 2TH 6

CV

5U1555C647uF

39%RV1

10k Q6

NPN

R9

1k

+5V Q3集电极

Q3发射极继电器

继电器

图2-9 光控电路 在黑暗状态下光敏电阻RV1呈高阻态，电路通过光敏电阻RV1形成低电平，不能使Q6饱和导通。当同时有声音信号时，经过声音信号转换为电信号后放大使后级电路工作。在白天，有足够的光照射在光敏电阻上时，其电阻值突然降得很低，既光敏电阻两边的电压就很低，Q6基极电流大于集电极电流，从而工作于饱和导通状态，集电极与发射级短路，NE555的4脚呈低电平，使555处于强制复位状态，Q 端不输出高电平，继电器不吸合电灯不亮。