声光双控照明设计

摘要

我花了两周时间设计了一种声光双控电路，在本设计中介绍了多种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好。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碎发声响，就会自动亮为行人照明，过几分钟后又自动熄灭，节能节电。

关键词: 声控电路；光控电路；延时电路；声音传感器；节能

ABSTRACT

I spent two weeks time to design one kind of acousto-optics double to control the electric circuit, introduced in this design many kinds of acousto-optics controlled the street light controller the composition, the performance, the applicable scope and the principle of work, gave various electric circuits schematic diagram and the part parameter choice, the electricity saving effect are extremely obvious, simultaneously also greatly reduced the service quantity, saved the fund, the use effect has been good.The daylight is good, no matter passing by on the road makes the big sound, all cannot be the light bulb shines.Night the light is dark, so long as the electric circuit acoustic pickup examines has sends the sound garrulously, can shine automatically for the pedestrian illuminates, after several minutes has also been automatic extinguishes, energy conservation electricity saving.

Kedwords: the sound control circuit; a light control circuit; a delay circuit; a sound sensor; energy saving

目录

摘要..................................................................................................................... I ABSTRACT........................................................................................................... II 第1章绪论 . (1)

1.1 课题研究的目的和意义 (1)

1.1.1 研究的目的 (1)

1.1.2 研究的意义 (1)

1.2 国内外概况 (1)

第2章基本原理 (3)

第3章设计流程 (5)

3.1 电源模块 (5)

3.1.1 电源电路的设计 (5)

3.1.2 电源电路的工作原理及相关参数的分析 (6)

3.1.3 电源电路的其他设计 (8)

3.2 信号收集模块 (8)

3.2.1 光信号收集电路的设计 (8)

3.2.2 光信号电路的工作原理 (9)

3.2.3 光信号电路相关参数的分析 (9)

3.3 声音信号收集电路的设计 (10)

3.4 信号处理模块 (12)

3.4.1 芯片TC4081BP的介绍 (12)

3.4.2芯片TC4081BP的工作原理 (12)

3.5 延时模块 (14)

3.5.1 延时电路的设计 (14)

3.5.2 RC电路的放电过程 (15)

3.5.3 RC电路的时间常数 (16)

总结 (17)

致谢 (18)

参考文献 (19)

附录......................................................................................................................... I

第1章绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.1.1 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！

1.1.2 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 国内外概况

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。可见节能灯在国内外都有着重大的发展和重要的作用。

第2章基本原理

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。(模块图如图2-2)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和小灯。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，达到设计的目的。

图2-1 声光控制灯电路原理图

图2-2 模块图

第3章设计流程

3.1 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。

3.1.1 电源电路的设计

电源电路采用降压、整流、滤波和稳压的组合电路，将220V的交流电压变为5V和12V的直流电压。模块图如图3-1

图3-1 组合电路模块图

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。稳压电路有电阻个稳压二极管构成，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。

3.1.2 电源电路的工作原理及相关参数的分析

图3-2 电源电路原理图

为了得到5V 和12V 的直流电源，将220V 频率为50Z H 的单项正弦波交流电输入变压器，其原边与副边的比为

12n n ，经过变压器得到2u =12.5V 2220u =12n n 得到12n n =15

交流电2u 通入单项桥式整流电路经过全波整流得到平均值为()1O AV U =0.92

u 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()1O A V U 的直流电压通入滤波进行滤波，可以得到平均值为

()2O AV U =1.22u =18V 的直流电压。

滤波电路中的电容为1C ，与1C 并联的负载为L R ，1C 的取值满足

L R 1C =（3~5）2T

得到1C =（3~5）2T 1L

R ? 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2min Z I =10mA 最打工作

电流为2max Z I =45mA 内阻为2r ≦50Ω。R2和Dz2对Dz1的电压1Z U 进行分压，Dz2

上电压为2Z U ，则2R 上的电压为2R U

212R Z Z U U U =-

221222R R Z Z U U U I R R -==

2m i n 2m Z R Z Z I I I ≤≤

则得到2R 的阻值范围为

2222max 2min R R Z Z U U R I I ≤≤

所以155.6Ω≦2R ≦700Ω，所以去2R =500Ω

查阅手册得到稳压管1Z D 的最小工作电流为1min Z I =5mA ，最大工作电流为

1max Z I =17mA ，内阻为1r ≦35Ω.所以

1min 11max Z Z Z I I I ≤≤

()2111O AV Z R U U I R -=

11212Z R R R Z I I I I I =-=-

()21

2max 1min 1O AV Z Z Z U U I I R --≥ ()21

2min 1max 1O AV Z Z Z U U I I R --≤ ()21()2111max 2min

1min 2max O AV Z O AV Z Z Z Z Z U U U U R I I I I --≤≤++ 所以120Ω≦1R ≦222Ω, 所以取1R =200Ω

根据电路图得到

1122

//()L R R r r R =++ （3-1） 因此得到0.9uF ≦1C ≦1.5uF ，取1C =1uF

3.1.3 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3-3

图3-3 电源电路图

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(R2∥RL) ／(R2∥RL+R1) 。

3.2 信号收集模块

3.2.1 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3-4 光信号收集电路图

3.2.2 光信号电路的工作原理

表3-1 光敏电阻

在白天光较强时，光敏电阻RG的阻值较低（约为1.2kΩ），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1.2kΩ，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50MΩ），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 Ω，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。

3.2.3 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1.2kΩ，同时又要远小于50MΩ。

再由串联分压公式可知

(R5+RG)*I=vcc

所以R5=Vcc/I—RG （3-2）由于在白天RG 约为1.2kΩ，晚上RG约为50MΩ，Vcc=12V

我们综合各种因素最终选择R5为1MΩ。

3.3 声音信号收集电路的设计

图3-5 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3-5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。

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。三极管不工作，继电器无法产生电流，继而无法导通开关，从而灯泡H不亮。

3.4 信号处理模块

3.4.1 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。

3.4.2芯片TC4081BP的工作原理

TC4081BP的外形如图3-6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标准封装而成的双列14脚直插式结构。

图3-6 TC4081BP的外形图

图3-7 TC4081BP引脚图

TC4081BP的14个引脚的排列、引脚名称及内部结构如图3-7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、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。

表3-2 两个输入端与一个输出端之间所呈现的关系表

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3~18V的范围内正常工作，因此得到广泛应用。

图3-8 信号处理

3.5 延时模块

3.5.1 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0~1V 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。

图3-9延时电阻器R6

图3-10延时电容器C2

图3-11延时电路的原理图

3.5.2 RC 电路的放电过程

当电容C2已有电压U 0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0U R

,放电电流的实际方向与充电时相反，放电时的电流i 与电容电压c u 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: 01t RC c u U e -??=- ???

（3-3） 0t RC U i e R

-= （3-4） 式中0U 为电容器的初始电压。放电时i 和c u 的变化曲线如图5-2所示。

图3-12 RC 放电时电压和电流的而变化曲线

3.5.3 RC 电路的时间常数

RC 电路的时间常数用t 表示， t RC =,t 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t 时电容电压c u 从零增长到63.2%US 所需而当时间；对放电而言，t 是电容电压c u 从0U 下降到36.8%0U 所需的时间。

R6的阻值为250K ，C2为100uF ,则有6*2t R C =

∴6*2t R C ==250K*100uF =25s 所以延迟时间为25s

总结

说实话，做这份试验指导书我的收获比以前的要大得多。确实感到了课设是一个能真正让学生学到真东西的地方。

通过此次电子设计锻炼了我的创作能力，用所知的知识设计了自己的电子产品，加深了对模拟电路和数字电路的了解和利用。但由于自己知识水平有限，没有使用更合理技术，设计出更好的作品。设计的作品缺陷是电路复杂，而且价格比市面上的同功能的贵，但能比较精确的控制时间。

完成这次课程设计我觉得收获很多，不但进一步掌握了模电数点的知识及一门专业仿真软件的基本操作，还提高了自己的设计能力及动手能力。更多的是让我看清了自己，明白了凡事需要耐心，实践是检验真理的唯一标准。理论知识的不足在这次实习中表现的很明显。这将有助于我今后的学习，端正自己的学习态度，从而更加努力的学习。只有这样我们才能真正的去掌握它，而不是只懂得一点皮毛。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结协作的精神。只有一个人知道原理是远远不够的，必须让每个人都知道，否则一个人的错误，就有可能导致整个工作失败。团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证。而这次实习也正好锻炼我们这一点，这也是非常宝贵的。

致谢

在本文完成之际，无论我的设计是否能够真的投入使用，这里面每一个器件的选择，每一个器件的调试之中都有我辛勤的汗水。两周的设计时间虽然短暂，我却从中学到了很多的东西。我由衷地感谢关怀、教诲、帮助、支持和鼓励我完成学业的老师、朋友和亲人。

特别感谢我的老师郑伟南，她在学习、科研上一直对我悉心指导，严格要求、热情鼓励，为我创造了很多锻炼提高的机会。

在此我谨向我的导师以及在设计过程中给予我很大帮助的老师、同学们致以最诚挚的谢意。感谢郑伟南老师对我的教诲和帮助。

也感谢我的家人长期对我的学习和生活所给予的默默关心与支持，感谢所有关心和支持过我的亲人和朋友。