声光控台灯电路设计 毕业设计

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信息职业技术学院

毕业设计说明书（论文）

设计题目: 声光控台灯电路设计 _______________________________________ 专 业 班 级: 学 号姓 名: 指导教师

二00九年十二月二十日

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信息职业技术学院毕业设计任务书学 生 姓 名 设计题目 指导教师姓名 职 称 学号 100 班级 应电 07-2 专业 声光控台灯电路设计 工作单位及所从事专业 联系方式 备 注 应用电子技术

讲师 高级工 程师 设计(论文)内容： [注意：选题要结合实际。设计(论文)内容要详细写明具体步骤；学生在该设计中具体完成的工作(结 果)] 1.电源电路设计； 2.光控电路设计； 3.声控电路设计。 进度安排： 要有较为详细的时间安排(时间具体到周) ; 第 3-5 周：资料收集； 第 6-7 周：论文初稿； 第 8-11 周：电路设计、仿真或实物； 第 12-14 周：论文定稿； 第 15-16 周：论文答辩。 主要参考文献： [1] 郭继忠，黄继昌编著.控制专用集成电路及其应用.人民邮电出版社,2006 [2] 郑应光编著.模拟电子线路(一).东南大学出版社,2000 [3] 孙余凯 项绮明等编著.精选实用电子电路 260 例.电子工业出版社,2007 [4] 张洪润 吕泉编著.电子线路及应用.清华大学出版社,2005 [5] 张洪润主编.电子线路与电子技术.清华大学出版社,2005 [6] 张玉莲主编.传感器与自动检测技术.机械工业出版社,2007

审 批 意 见

教研室负责人： 年 月 日

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四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)

目 录

摘 要 ........................................................................................................................................ 1 第1章 绪 论 ............................................................................................................................ 2

1.1声光控台灯电路的概述 ............................................................................................... 2 1.2设计的目的与意义 ....................................................................................................... 2 1.3设计的内容 ................................................................................................................... 2 第2章 系统方案 ...................................................................................................................... 4

2.1系统方案一 ................................................................................................................... 4 2.2系统方案二 ................................................................................................................... 4 第3章 单元电路的设计 .......................................................................................................... 6

3.1电源电路设计 ............................................................................................................... 6 3.2声控电路的设计 ........................................................................................................... 7 3.3光控电路设计 ............................................................................................................... 8 3.4延时电路的设计 ........................................................................................................... 9 第4章 整机电路工作原理 .................................................................................................... 11 第5章 电路制作及调试 ........................................................................................................ 12

5.1电路制作 ..................................................................................................................... 12 5.2单元电路测试 ............................................................................................................. 12 5.3整机电路的测试 ......................................................................................................... 12 结 论 ...................................................................................................................................... 13 致 谢 ...................................................................................................................................... 14 参考文献 .................................................................................................................................. 15 附 录1 元器件清单 ............................................................................................................. 16 附 录2 整机原理图 ............................................................................................................. 17

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摘 要

本声光控制开关的设计目的是为了解决长明灯及开关麻烦所造成的能源浪费而设计出了利用声光来控制台灯开关的电路。当白天光照很好时，不管室内发出多大声音，都不会使灯泡发亮。当夜晚光暗时，有人进入房间时，电路的拾音器只要检测到有声音信号，就会自动发亮照明，当人离开后又自动熄灭。这样的电路不但安全省电、结构简单而且安装方便、使用寿命也长。此电路由D1-D4IN4007桥堆、VT1-VT5晶体管、MIC驻极话筒、晶闸管，光敏电阻等元器件组成。本设计对电路原理作出详细分析并阐述元器件的作用及其实现功能的方式，介绍电路的组装与调试。

关键词 声光控；延时；节能

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第1章 绪 论

1.1声光控台灯电路的概述

随着传感器技术的不断成熟，国内外已经将传感器技术列为优先发展的科技领域之一，声光传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。为此我们设计了声光控台灯电路，这是一种电路新颖、安全省电、结构简单、安装方便、使用寿命长的声光双控台灯开关。本声光控制开关的设计节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好,方便了人们的日常生活，随着科学技术的发展，公共场所照明控制手段也在日新月异地更新，除了声光控开关外，还有微波感应开关和热释远红外感应开关.但就目前而言，微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关在性能上较为理想，但安装复杂，价格也偏高，比较适合在一些管理完善的场所如宾馆、大饭店楼道及家庭走廊应用，在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等因素，根据我国情,可以预计在相当一段时期内，声光控延时开关将是首选的主流产品。

1.2设计的目的与意义

1.学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力；

2.学会声光控台灯电路的设计方法和性能指标测试方法； 3.了解声光控台灯电路在实际中的应用；

4.培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。

1.3设计的内容

设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。其设计内容主要包括以下几个部分：

1.系统方案； 2.单元电路的设计；

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3.整机电路工作原理； 4.电路的安装及调试。

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第2章 系统方案

2.1系统方案一

采用集成芯片SM9100，话筒产生的声音经三极管放大后，提供给SM9100，触发晶闸管导通，控制电路的工作。但是这种声光开关对声音感知的灵敏度、对光强度感知的灵敏度和控制灯亮的时间不能调节，其电路的系统框图如下所示：

图2-1 电路方框图

此电路主要由电源电路、声控电路、光控电路和开关集成电路组成，220V的电网电压进入电源部分把交流电转换成脉动直流电，信号经过光控和声控部分，再到延时电路，由开关集成芯片SM9100来控制声控电路输出的声音信号和光控电路输出的光信号的工作情况。

2.2系统方案二

采用分立元件来完成，由话筒进行声电转换，光敏电阻进行光电转换，延时电路通过调电容的值来实现。它结构简单，安装方便，成本低，适用性强。其电路的系统框图如下图所示：

图2-2 声光控台灯组成框图

声光控制台灯电路主要由电源电路、声控电路、光控电路和延时电路、晶闸管开关控制电路等部分组成。

电源电路：220V的电网电压进入电源电路就把220V的交流电转换成9V的电压。 光控电路：在白天光线很强时，其电路不工作。在晚上或者白天光线很弱的时候，电路开始工作，把光信号转换成电信号输出。

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声控电路：当有声音信号发出时，电路工作把声音信号转换成电信号输出。 开关延时电路：相当一个开关，主要是来控制声控电路输出的声音信号和光控电路输出的光信号的工作情以及能够及时的延时，并控制整个电路，使电路正常工作。

综上所述，方案一采用集成电路控制台灯，这种电路对声音感知的灵敏度、对光强度感知的灵敏度和控制灯亮的时间不能调节，并且电路原理复杂，而方案二采用分立元件来完成声电和光电的转换，且结构简单，安装方便，成本低，适用性强，原理简单，所以综合考虑采用方案二。

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第3章 单元电路的设计

3.1电源电路设计

电源电路是由整流电路、滤波电路、稳压电路等组成。如图3-1所示：220V的交流电经D1～D4整流、R1降压、D5稳压、C1滤波最终获得的9V电压供给控制电路。

图3-1 电源电路

其中，降压是通过R1有效的通过电阻的阻值实现从大电压降为小电压的过程，整流电路是利用半导体二极管的单向导电性能把交流电变成单向脉动直流电的电路。

单相桥式整流电路的工作原理可分析如下，为简单起见，二极管用理想模型来处理，即正向导通电阻为零，反向电阻为无穷大。在U的正半周，电流从正端经过二极管D1流向RL，再由二极管D3流回负端，所以D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止。在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。其电流通路可用图3-2中实线箭头表示。在U的负半周，其极性与图示相反，电流负端经过二极管D2流向RL，再由二极管D4流向正端，所以D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通。电流流过RL时产生的电 压极性仍是上正下负，与正半周时相同，其电流通路如图3-2中虚线箭头所示。

滤波电路是通过C1滤波使纹波大为减小，这样流过二极管的电流将很大，能很好的带动负载，其两端的电压为16V。

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图3-2 桥式整流电路

稳压是通过D5二极管来实现的，稳压二极管是一种齐纳二极管，它是利用二极管反相击穿时，其两端电压固定在某一数值，基本上不随流过二极管的电流大小变化的特性而设计的，测得稳压二极管的电压为9V，最后输出给后一级电路。

3.2 声控电路的设计

声控电路的组成主要由声控传感器、声音信号放大器、控制电路、驱动电路及执行电路等组成。

声传感器是声控电路的重要器件，它的作用是用来接受声控信号，把声控信号转换成电信号，声控电路中的放大器是用于放大声传感器输出的信号的，驻极体话筒的工作原理可以用图3-3来表示：

话筒的基本结构由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背称为背电极）构成。驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器，电容的两极之间有输出电极。由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极版之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：Q=CU， 所以当C变化时，必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声—电的变换。

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声控电路的设计原理图如图3-4所示，话筒将声音信号转化为负极性的电信号，但接收到的信号很微弱,只有通过由三极管V1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经C3耦合到下一级的光敏电阻。若是在白天由于光照强度大，经C3耦合的电信号来时，由于阻值小使得光敏电阻两端的电压很低，无法使后一级电路正常工作。夜晚由于阻值大使得光敏电阻两端的电压高，所以能够使下一级正常工作，R4是负载电阻，R2起分压的作用，R3作的基极偏置电阻。

图3-4 声控电路的原理图

3.3光控电路设计

在电子电路中，常用光敏器件构成光控电路。所谓光敏器件通常是指能将光能转变成为电信号的半导体传感器。

光敏电阻器是根据半导体的光敏导电效应制成的，使用时给它施加以直流或交流偏压，其结构特征是把条状的光敏材料封装在圆形管壳内，有的还用玻璃透明材料制成防护罩，和普通电阻器一样，它也有两根引线。

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—空穴对增加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逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，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，也可以加交流电压。

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在本设计中光敏电阻是R5，正如原理所说，在白天由于光照强度大，R5光敏电阻的阻值很小，前一级电信号来时，由于阻值小使得R5两端的电压很低，无法使后一级电路V2及V3正常工作，从而使灯炮在白天不会亮；在而夜晚光敏电阻R5的阻值很大，前一级来信号时，由于阻值大使得R5两端的电压高，所以能够使下一级电路V2及V3正常工作，光控电路的设计原理图如3-5所示：

图3-5 光控电路原理图

3.4 延时电路的设计

1.晶闸管的定义及用途

晶闸管是晶体闸流管的简称即可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示。

晶闸管具有整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。

2.晶闸管的工作原理

晶闸管在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。

晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结如图3-6，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管如图3-7，当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导通，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图3-6中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流，因

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此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通。

图3-6 晶闸管结构图 图3-7 晶闸管内部原理图

在本设计中延时时间τ的计算：

τ=R9C4=2×106×30×10-6=60s （3-1）

根据以上所述，本设计适合选用小功率晶闸管，下面是发光延时电路的设计，如图3-9所示：发光延时电路的设计主要由C4和R9组成。当夜晚有响声（如脚步声、说话声等），前级电路就能正常工作，V2、V3导通，由供电电源提供的9V电源电压经V3的e、c极，开关二极管D6、V4导通使得V5也导通，灯泡此时正常点亮。同时通过D6对C4快速充电，充电电流大，充电时间很短，快速将C4上电压充满，C4上所得的电压经R9、V4的发射结、V5的G、K慢慢放电，此时就算没有响声灯泡仍然点亮，直到C4上的电放完，可控硅V5截止灯泡熄灭，等待下一次触发。

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第4章 整机电路工作原理

附录2声光控台灯电路的整机原理图,它的工作原理是：由220V的交流电经D1～D4整流、R1降压、D5稳压、C1滤波获得9V的稳定直流电压供给控制电路。 白天：由于光照强度大，R5光敏电阻的阻值很小，话筒将声音信号转化为负极性的电信号经V1放大，其集电极输出正极性的电信号，经C3耦合到R5，由于R5阻值很小使R5两端的电压低，所以V2、V3、V4截止，V5关断，灯泡H不发光。 夜间：由于光照强度小，R5光敏电阻的阻值很大，当话筒将声音信号转化为负极性的电信号经V1放大后，其集电极输出正极性的电信号，经C3耦合到R5，因R5阻值很大，故R5两端的电压高，所以V2、V3、V4依次导通，V5也导通，灯泡H发光，经过延时发光后灯泡自动熄灭。

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第5章 电路制作及调试

5.1电路制作

这里我采用万用印制电路板对电路进行安装制作，首先在万用板上进行电路排版，然后按照元器件的安装原理进行元器件安装，元器件的安装要从上到下，从左到右，先特殊再一般，先装低矮、耐热的元件，最后装话筒及光敏电阻。应按如下步骤进行焊接与安装：

1．清查元器件的数量及质量，并及时更换不合格的元件。

2．由孔距确定元件的安装方式，电阻器采用卧式安装，电解电容器采用立式安装，并都要求紧贴电路板。

3．插装时务必小心，引脚全部插进后再焊接，各焊点加热时间及用锡量要适当，防止虚焊、漏焊及短路，焊后剪去多余引脚，并检查所有焊点，确认无误后方可通电测试。

5.2单元电路测试

做实物要求与设计内容一致，并且能正常工作，因此要进行电路调试。以下就是各单元电路的调试。

1．整流电路的检测

经过检测整流电路的电压符合经电网电压整流后的电压，该值与理论值符合，所以可以进行下一单元的调试。

2．滤波电路的检测

经整流电路感应出的9V交流电压经过全波整流滤波电路被整流滤波，测出整流滤波后的电压能过给电路提供正常的电压，供电路正常工作。

5.3整机电路的测试

单元电路测试完毕，且一切正常，最后检测整个电路工作的能否正常工作，插上电源，此时灯泡不会亮，当遮着发光二极管且有声音发出的时候，灯泡就会自动的发亮。经过测试此电路符合声光控台灯电路的原理及电路要求。

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结 论

本声光控制开关的设计节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好,方便了人们的日常生活。随着科学技术的发展，公共场所照明控制手段也在日新月异地更新，除了声光控开关外，还有微波感应开关和热释远红外感应开关.但就目前而言，微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关在性能上较为理想，但安装复杂，价格也偏高，比较适合在一些管理完善的场所如宾馆、大饭店楼道及家庭走廊应用，在普通住宅楼、办公楼道等场所的照明控制考虑到价格、管理及安装方便等因素，根据我国情,可以预计在相当一段时期内，声光控延时开关将是首选的主流产品。

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致 谢

在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识。在整个项目开发过程中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦，相信会对今后的学习、工作、生活有非常重要的影响。在此，要感谢王志强老师对我悉心的指导，感谢老师们给了我这样的机会。虽然这个项目还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。

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参考文献

[1] 郭继忠，黄继昌编著.控制专用集成电路及其应用.人民邮电出版社,2006 [2] 郑应光编著.模拟电子线路(一).东南大学出版社,2000

[3] 孙余凯 项绮明等编著.精选实用电子电路260例.电子工业出版社,2007 [4] 张洪润 吕泉编著.电子线路及应用.清华大学出版社,2005 [5] 张洪润主编.电子线路与电子技术.清华大学出版社,2005 [6] 张玉莲主编.传感器与自动检测技术.机械工业出版社,2007

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附录1 元器件清单

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