声光控制楼道开关设计要点.pdf
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1、四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) I 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
2、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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) II 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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 1 页 共 23 页 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,
3、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
4、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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 2 页 共 23 页 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
5、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
6、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
7、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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 3 页 共 23 页 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
8、,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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第
9、4 页 共 23 页 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
10、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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 5 页 共 23 页 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
11、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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 6 页 共 23 页 2.2 延时处理电
12、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: 脚为接地端,也是芯片的公共端; 脚为电源端 V cc ; 脚为电路的输出端; 脚为放电端,相当于一个开关; 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
13、, 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。 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VR1= 3 2 VCC,VR2= 3 1 VCC。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Vco时,则 V R1= Vco, V R2= 2 1 Vco,因此 Vco可改变参考电压值V R 。 脚、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 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 7 页 共 23 页 它们输入的信号可以是数
14、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 2 Vcc,且低触发端TR 3 1 Vcc 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 3 1 Vcc 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
15、能表,如表2-1 所示。 表 2-1 555定时器的功能表 输入输出 TH TRR OUT VT 0 0 导通 3 2 Vcc 3 1 Vcc 1 0 导通 3 1 Vcc 1 不变不变 3 2 Vcc 3 1 Vcc 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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 8 页 共 23 页 a)电路 b)工作波形 图 2-4 555定时器构成的单稳态
16、触发器 当触发脉冲 u1下降沿到来时,由于TR 3 1 Vcc,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 2 Vcc 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 t1.1RC。 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
17、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,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
18、单稳态电路的时间常数,其大小为: W t 1.1 470k47uf 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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 9 页 共 23 页 R7 470KR8 20k C5 0.01uF R 4 DC 7 Q 3 G N D 1 V C C 8 TR 2 TH 6 CV 5 U1 555 C6 47uF Q6 NPN +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
19、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 Q1 9013 R3 2.4k R2 3.3k R1 4.70k R5 20kC2 10uF D1 1N4007 D2 1N4007 (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
20、到压点陶瓷片上时,声震导致的 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 10 页 共 23 页 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
21、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“
22、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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 11 页 共 23 页 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
23、示。 R8 20k C5 0.01uF R 4 DC 7 Q 3 G N D 1 V C C 8 TR 2 TH 6 CV 5 U1 555 C6 47uF 3 9 % 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
24、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。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书( 论文 ) 第 12 页 共 23 页 第 3 章整机电路 通过对电源电路、延时电路、声音信号处理电路、继电器控制电路以及光控制电路 的设计与分析。整机电路原理图如图3-1 所示。 R7470K R8 20k C5 0.01uF R 4 DC 7 Q 3 G N D 1 V C C 8 TR 2 TH 6 CV 5 U1 555 C6 47uF C1 4.7uF Q1 9013 R3 2.4k R2 3.3k R1 4.70k R5 20k
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