声光控制开关电路的设计（毕业设计）

毕业设计（论文）

题 目 系 （院） 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 职 称

声光控制开关电路的设计

物理与电子科学系 电子信息科学与技术

2007级3班

讲师

二〇一一年六月十八日

独 创 声 明

本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名: 二〇一一年六月一十八日

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作者签名:

二〇一一年六月一十八日

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声光控制开关电路的设计

摘 要

生活用照明灯大多数都是由普通开关控制，但在现实生活中普通开关控制不仅在晚上使用不方便，而且由于没有及时关闭造成大量能源浪费，尤其是在教室等公共场所长明灯现象更为严重。随着电子技术的快速发展,尤其是数字电子技术的发展,用数字电路技术实现灯的自动点亮、节能节电、延长灯的使用寿命已变得越来越成熟,而且也贴近我们的实际生活。

本文设计的声光控制开关电路是一种利用声音信号和光信号双重控制且具有定时功能的电子开关，它主要有电源电路、声控电路、光控电路、延时电路及开关电路等部分组成，实质上就是一个替代传统手动开关的受声、光双重控制的电子开关。白天或光线较亮时，光控电路通过光敏电阻对外界光照强度进行检测，将外界光强信号转化为电信号，此时开关电路输入端为低电平，开关不导通，无论外界有没有声音信号灯都不亮，从而实现控制灯白天不亮的功能；晚上或光线较暗时，光控电路通过光敏电阻将光照强度信号转化为电信号，外界有声音信号时，声控电路将检测到的声音信号转化为电信号，并与光控电路转化来的电信号经与非门一起送入后续电路，此时开关电路输入端为高电平，开关导通，灯点亮，并延时一段时间后自动熄灭，从而实现控制灯晚上受声音信号控制的功能。而且对于声音信号感应的灵敏度和对光信号感应的灵敏度能够调节，还可以人为设定延时时间。

本系统使用的是分离元器件，电路明了，结构简单，克服了现有声光控制开关成本高、体积大等缺点，同时还大大减少了维修量，不仅节约了资金，更节约了能源，是家庭及公共场所理想的照明开关，特别适用于楼梯、走廊、仓库、厕所等公共场所的照明自动控制。 关键词：自动控制；声控电路；光控电路 ；放大电路；延时电路

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Acousto-optic control switch circuit design

Abstract

Most floodlight in life are controlled by ordinary switch,but the common switch is inconvenient in the dark and it is easy to waste power because of not being shut down in time,especially the lamps that were kept alight widely in the classrooms and other public places,which costs lots of power unnecessarily.With the development of electronic technology, especially the development of digital technology,a digital circuit techniques to realize the automatic light,energy-saving and electricity-saving,extend the life of lamp have become more mature and also close to our actual life.

This paper is about a kind of both sound and light controlled swich that has timing function.It mainly consist of amplifying circuit,Sonic circuit;Optical circuit, delay switch circuit and the power circuit and so on. In essence it is an electronic switch that controlled by sound and light to replace the traditional mechanical switch.In the day,the light controlled circuit through the photoresistance detects the brightness outsideand and outputs the corresponding electrical signal.Regardless of external have voice signal,the lamp can’t light up this moment,so the lamp can’t light up in the day;at night or on a cloudy day, the photoresistance detects the light insensity and outputs the corresponding voltage signal,when sound appears,the sound controlled circuit lights the lamp,and it will go out in a period of time,so the lamp can be controlled automatically.Also the photo and sound sensitivity can be adjusted. And the delay time can also be setted by people.

The system uses the separation components and the circuit is simply, also it overcoming the shortcomings of the high cost and the big volume in the existing acousto-optic control switch.It is an ideal lighting switch in a family and a public place,which especially applys to the autocontrol of the

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lighting in public places,such as residential building,corridor,storehouse, toliet and so on.It is a kind of sound and light controlled and timing automatic switch which is convenient and saves the power.

Keyword：Automatic control;amplifying circuit;Sonic circuit;Optical circuit;delay circuit

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目 录

引 言 ............................................................... 1 第一章 绪论 ........................................................... 2 1.1开关电路综述 ...................................................... 2 1.2自动控制原理 ...................................................... 3 第二章 声光控制原理分析及信号放大 ..................................... 4 2.1声音控制原理分析 .................................................. 4 2.2光强控制原理分析 .................................................. 4 2.3声光自动控制系统稳定性 ............................................ 4 2.4 信号放大 .......................................................... 5 2.4.1三极管放大工作原理 .............................................. 5 第三章 声光控制开关电路的设计及其性能分析 ............................. 6 3.1声光控制系统 ...................................................... 6 3.2声光控制系统结构 .................................................. 6 3.2.1整流电路 ........................................................ 7 3.2.2声控电路 ........................................................ 9 3.2.3光控电路 ....................................................... 10 3.2.4延时电路 ....................................................... 12 3.2.5开关电路 ....................................................... 13 3.2.6系统整体电路 ................................................... 14 3.2.7电路仿真图及结果分析 ........................................... 16 3.3元器件的选择 ..................................................... 17 3.4元器件清单 ....................................................... 18 3.5系统安装工艺 ..................................................... 19 3.6系统测试与调试 ................................................... 19 第四章 总结与展望 .................................................... 20 4.1全文总结 ......................................................... 20

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4.2工作展望 ......................................................... 20 参考文献 ............................................................. 21 谢 辞 ............................................................... 22

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引 言

随着电子科学技术的发展，公共场所照明控制技术也得到逐步更新，除现在已有的空气开关、光电开关、声光控延时开关外，还有红外电子开关和无线电波电子开关。然而，目前红外电子开关性能虽然较为理想，但安装复杂，成本较高，还不适合在日常家庭生活及普通公共场所使用；无线电波电子开关的综合性能尚不理想，该开关的作用范围较小 ,本身耗电也比声光开关大，若要增大作用范围 ,势必要加大发射功率,耗电量也随之增大。而对于普通日常生活考虑到价格、管理及安装方便等因素，声光控延时开关将是首选的主流产品，所以，对于这一课题的研究是十分必要的。

声光控延时开关是集声、光和延时技术为一体的自动照明开关,广泛应用于楼道、走廊、仓库，厕所等公共场所,是现代极理想的绿色照明开关,而且能延长灯的使用寿命,从而大大减少维修量,不仅节约资金，更节约能源。白天或光线较强时,开关电路为关闭状态,灯不亮；晚上或光线较暗时，光敏电阻感受光强度并输出相对应的电压信号，此时,当来人有说话声、脚步声、拍手声等声源时,开关自动打开,灯亮,延时一段时间后自动熄灭,从而实现了“人来灯亮,人走灯熄”,杜绝了长明灯现象,不仅达到了节能、节电的目的,而且免去了在黑暗中寻找开关的麻烦，并且声光控延时开关安装方式灵活,可以安装在所选择的任何位置,给路人提供了极大的方便。

总之，声光控延时开关具有很多现实意义，从节约能源层面来说，灯泡大部分时间不工作，节电效率很高，达75%左右，是相当理想的节能用具；从安装、使用层面来说，开关接线简单、安装方便，不用接触，全自动智能控制，使用起来十分方便，是现代公共场所理想的照明开关。世界的发展离不开能源，声光控延时开关能较好的为解决世界能源危机提供一点帮助，有利于我国实现可持续发展，构建节约型社会，造福子孙后代，造福全人类。

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第一章 绪论

1.1开关电路综述

从19世纪80年代爱迪生发明灯具以来，开关已经历了好几代变化，现在已经发展到第四代了。

第一代：从灯具发明以来一直到上世纪80年代中后期，这个时期是以拉线开关为代表的机械时代，这种开关价格便宜、安装简便，但绳子很容易被拉断。

第二代：1990年奇胜电器率先在国内引入面板开关，由此国内开关进入了按钮开关时代，按钮开关以其优良的耐用性在国内盛行了10年，虽然目前这类产品在市场仍有一定的需求，但由于这种开关安装方法即不安全也不科学，逐渐被其它开关所取代。

第三代：2000年国际电工率先引入‘86型‘翘板开关，至此造型时尚美观的翘板开关开始盛行，且一直流行至今，但它的开关方式同样是极其不方便，按键较小，容易坏不说，在开关灯时还会出现火花，即不方便也不安全。

第四代：2009年以来以声光延时开关、红外电子开关、触摸开关为代表的智能开关逐渐为人们所看好，它不仅使用安全、方便，而且还节约了大量能源，延长了灯的使用寿命。

现今居民公共生活中一直普遍使用的就是普通的86型翘板开关，这种开关完全由人手动去控制,在家庭用户中使用一直很普遍,但在公共场所(比如楼梯、走廊等)使用,受外界各种因素的影响,存在着严重的长明灯现象,不仅使灯的使用寿命大大缩短,而且还浪费了大量的电能，不利于能源的节约。定时开关也能达到使灯自动关闭的目的,结构简单、明了,价格低廉，但由于它比较死板,不能适应各种临时情况的该变，比如阴天、下雨等特殊情况，因此不能得以推广；遥控开关使用起来灵活、方便,特别适合在家庭使用，但由于遥控器本身携带不便，用在酒店、学校等一些大型建筑的公用部分,遥控开关的使用就不太方便，因此也变得难以推广。声光控开关无论是从性能还是价格上与其他开关相比,目前都显示出了巨大的优越性，是最能为用户所接受的电子开关，目前它正朝着更智能化的方向发展。

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1.2自动控制原理

自动控制原理源于实践，服务于实践，并在实践中得到升华，从远古的计时容器到公元前的水利枢纽工程，从中世纪的天文望远镜到工业革命的蒸气机和蒸汽轮船，从百年前的飞机、汽车和电话通讯到半个世纪前的电子放大器和模拟计算机，从六十年代的登月飞船到现代的航天飞机和星球探测器，这些著名的人类科技发明直接催生和发展了自动控制技术。经过千百年来的提炼，尤其是近半个世纪工业实践的普遍应用，自动控制技术已经成为人类科技文明的重要组成部分，随着新型制造业的兴起和网络信息技术的进步，自动控制技术的发展和应用也将进入一个全新的时代，本文的声光控制开关则是自动控制原理的最基本应用。

自动控制原理是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使机器，设备或生产过程（统称被控对象）的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行。为了实现各种复杂的控制任务，首先要将被控制装置和控制对象按照一定的方式连接起来，组成一个有机的统一体，这就是自动控制系统，在自动控制系统中，被控对象的输出量即被控量是需要严格加以控制的物理量，它可以要求是随其它限定条件实时变化的物理量，例如本系统中的声音信号、光强信号等就是实时变化的物理量。而控制装置则是对被控对象实时施加控制作用的机构总体，它可以采用不同的原理和方式控制被控对象，但最基本的是一种反馈控制系统，在反馈控制系统中，控制装置对被控装置施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量和控制量之间的偏差从而实现对被控量进行实时控制的任务，这就是反馈控制的基本原理。目前，自动化控制正向着成套化、系列化、多品种方向发展，以自动控制技术、数据通信技术、图象显示技术为一体的综合性系统装置成为国外控制技术的主导产品，现场总线则成为自动化控制技术发展的第一热点，相信未来自动控制技术的发展会越来越广阔。

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第二章 声光控制原理分析及信号放大

2.1声音控制原理分析

声音控制系统就是通过线性元件将采集到的外界声音信号转化为能够检测的电信号，再通过放大电路将微弱的声音电信号放大，对放大信号进行处理从而控制其它装置实现声音控制的功能。本系统中，利用驻极话筒将声音信号转化为电信号，然后通过三极管放大电路将电信号放大，与光控电路转化来的电信号一起，通过开关电路控制开关的开启或关闭的目的。 2.2光强控制原理分析

光强控制系统就是通过线性元件将采集到的外界光强信号转化为能够检测的电信号，再通过放大电路将微弱的光强电信号放大，对放大信号进行处理从而控制其它装置实现光强控制的功能。本系统中，利用光敏电阻将外界光强信号转化为电信号，然后与声控电路转化来的电信号一起送入后续开关电路，通过开关电路达到控制开关的开启或关闭的目的。 2.3声光自动控制系统稳定性

1.单纯的只有声音信号控制的灯价格较低，但其控制电路故障率较高，尤其是在外界噪声较大的环境使用，频繁让开关开启或关闭很容易烧坏元器件，使用寿命一般都不长，故单个的声控系统性能较差。而声光双控系统在白天或光线较亮的情况下，无论外界声音有多大开关都始终处于关闭状态，大大减少了开关通断的次数，延长了灯的使用寿命，性能得到极大改善。

2.传感器使用一段时间以后，其本身性能保持不变的能力称为传感器的稳定性，影响传感器长期稳定性的因素除传感器自身的封装、外形结构外，主要还是传感器的使用环境，尤其外界干扰噪声极大的环境，因此，传感器必须对外界环境有很强的适应能力，这样传感器才会具有良好的稳定性能。另外，传感器的稳定性也有定量指标，超过使用期后，在使用前应该对其性能进行重新标定，以确定传感器的性能是否发生变化，在某些要求传感器必须能长期使用而又不能轻易更换或标定的场所，对所选用传感器的稳定性要求更加严格，它必须能够经受性能稳定性的考验。

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2.4 信号放大

信号放大的实质就是实现能量的转换，即用一个能量较小的输入信号来控制另一个能源，使其输出端的负载上能够得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真，如果放大过程中信号发生了失真，信号放大也就变得毫无意义，放大电路是通过增加电信号幅度或功率来实现放大的电子电路，应用放大电路实现放大的装置称为放大器，它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等4。为了实现放大，必须给放大器提供能量，常用的能源是直流电源，放大作用就是通过把电源的能量转移给输出信号，输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。 2.4.1三极管放大工作原理

要了解半导体三极管放大原理，就要分析其内部载流子的运动情况，首先必须要使半导体三极管有一个合理的偏置。半导体三极管内部两个PN结的4种偏置方式中，为体现放大作用，首先必须保证有足够多的多子运动，所以发射结要正偏，这样发射区能不断向基区发射载流子；其次，集电极电流必须由非集电极本身的多子运动形成，才能体现其电流控制作用，因此，集电结要反偏。不管半导体三极管组成的放大电路形式如何变化，要使其具有放大作用，都必须满足发射结正偏，集电结反偏。

三极管最基本的作用就是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的电信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。三极管有一个重要参数就是电流放大系数，当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流几十倍的电流，即集电极电流，集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用，不过放大过程中要特别注意信号不能失真，因为只有不失真的信号放大才有意义。本系统就是利用三极管的这种放大作用，将声音信号转化来的电信号进行放大，以达到能够控制后续电路正常工作的目的。

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第三章 声光控制开关电路的设计及其性能分析

3.1声光控制系统

声光控制开关电路就是通过声音信号与光信号共同控制灯的亮或灭，白天或光线较亮时，声光控制开关呈关闭状态，无论外界有没有声音信号，灯都不亮；夜间或光线较暗时，当有人经过该开关附近，驻极体话筒将采集到的说话声、脚步声、拍手声等声源传来的声音信号转化为电信号，然后与光控电路转化来的电信号一起送入开关电路，开关电路得到触发信号把控制开关打开，灯亮，延时约一分钟后控制开关自动关闭，灯灭。

系统设计任务：

（1）白天或光线较亮时，无论外界有没有声音信号，开关都关闭，灯不亮； （2）夜晚或光线较暗时，无声音信号，开关断开，灯不亮；有声音信号触发，开关开启，灯亮；

（3）灯亮一段时间后自动熄灭，且延时时间可以设定； 系统设计要求：

（1）电路可靠性和稳定性要高。这是对控制电路性能最基本的要求，否则对灯的自动控制能力会变弱，严重时可能还会失去自动控制功能。

（2）功耗要小。控制电路一直都接于交流220伏电路上，若功耗比较大，则不利于节约能源，而且还会大大缩短控制电路的使用寿命。

（3）灵敏度要能调节。这是控制电路正常工作时，对声光控制信号的基本要求，对于声音信号感知的灵敏度和对光信号感知的灵敏度应能满足不同的环境要求。

（4）触发延时时间要能按要求调节。延时时间至少在1分钟内可调。 3.2声光控制系统结构

声光控制开关电路系统总体结构框图如图1所示，整个系统的工作原理是：全波整流电路将交流220V市电变成约为200V直流电压，再经降压滤波后输出12V直流电压，为其后的声控电路、光控电路及整个电路提供所需的直流工作电压。声控

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电路通过驻极体话筒采集声音信号，将采集到的声音信号转化为电信号，光控电路通过光敏电阻采集光强信号，将采集到的光强信号转化为电信号，然后与驻极体话筒采集到的声音信号转化而来的电信号一起送到三极管放大电路，经放大电路放大以后触发开关电路工作，从而控制受控开关的闭合，以达到控制灯亮或灯灭以及灯亮时间长短的目的，实现对灯的声光自动控制功能。

整流电路 开关电路 声控电路 光控电路 延时电路 放大电路 图1 系统总体结构框图

3.2.1整流电路

所谓桥式整流电路，就是用二极管组成的一个整流电桥，整流电路如图2所示，它是由图中的极管D1、D2、D3、D4、组成，其功能是将220V的交流市电转换为直流电压以提供后续声控电路、光控电路延时电路及开关电路等电路所需的工作电压。

整流电路的工作原理：桥式整流电路是最基本的将交流电转换为直流电的电路，整流电路中的二极管作为开关使用，具有单向导电性，根据图2中的桥式二极管整流电路以及图3中的整流波形图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到的是正弦波的正半周；当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到的是正弦波的负半周；在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压，再经降压滤波后就可为后续电路提供所需的工作电压。

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图2 桥式二极管整流电路

图3 桥式二极管整流电路波形

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3.2.2声控电路

设计声控电路时，我们首先需要知道怎样才能把声音信号转化为电信号，而且对声音信号感应的灵敏度也有很高要求，即不能太低，也不能太高，太高或太低都难以对声控电路实现较好的控制，对声音信号感应的灵敏度应能接收到像人的说话声、拍手声、脚步声等比较常见的声音信号为准。我们可以使用常见的声音传感器将这类声音信号转化为电信号，其中比较常用的声音传感器有电容式和磁电式两类。电容式声音传感器是通过声音的振动，从而引起电容量的改变，来得到声音信号到电信号的转化，目前常见的有驻极体话筒；磁电式声音传感器是通过用声音的振动，带动导线切割磁力线产生电流，以达到声音信号向电信号的转化，目前常见的就是动圈式话筒。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，考虑到元器件本身成本及使用方便等问题，这里使用驻极体话筒，利用驻极体话筒采集外界声音信号并转换成电信号，实现声音信号到电信号的转换。驻极体话筒的基本结构是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的一个平行板电容器，电容的两极之间有输出电极，高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久自由电荷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，因此驻极体和背极的距离也跟着变化，即改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量C发生变化，而驻极体上的自由电荷数Q始终保持不变，根据公式：

Q?CU[6]

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，实现声音信号到电信号的变换。由于所形成的电容器的电容量很小，使得驻极体话筒转化来的电信号相对较弱，转换的电信号必须经过一定放大才能起到良好的控制作用，可作为放大用的电路有功率放大电路、运算放大电路等，通常都选用运算放大电路，运放电路不仅可以提高信号的输出电压，而且还可以抑制零点漂移，但是使用运放电路会大大增加电路的体积和成本；而采用晶体三极管组成的放大电路来放大驻极体话筒产生的电信号，不仅简化了声控电路的结构设计，而且对声音信号的控制作用也

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更荣易实现，因此本文使用由三极管组成的放大电路来实现对微弱信号的放大。由于电路的设计对元器件的要求较高，因此电路设计中所用到的元器件特别是半导体器件必须要保证较高的灵敏度，各元器件的性能参数也要精确稳定，只有这样电路才能高效工作，正常发挥电路应有的功能。

声控电路如图4所示,由Q1、R1 、R2 、R3 、C2 、MIC组成。其中MIC为驻极体话筒,它把采集到的声音信号转化为电信号,经电容C2耦合至三极管Q1的基极，然后通过与门电路与光敏电阻转化来的电信号一起送入后续电路。外界有声音信号时,如果环境的声音信号很弱,三极管Q1仍处于饱和状态,集电极输出为低电平；当外界声音信号达到一定强度时,驻极体话筒将转化来的电信号经C2耦合到Q1的基极,三极管由饱和进入放大状态,集电极电位随着声音信号的强弱而高低变化,当声音信号达到一定强度时,其集电极由低电平转变成高电平，声控电路导通，并将信号传递至开关电路，控制灯的亮或灭。

图4 声控电路 图5 光控电路

3.2.3光控电路

光控电路一般可由光电传感器和电子元器件构成，电路有很多设计方案，由于光控电路对电路元器件本身有很高的要求，设计电路时必须充分考虑各个方案的经济性、稳定性以及每个元器件的各项性能等问题。光控电路控制功能实现的核心是光电传感器，因此选择光电传感器时必须选择可靠、稳定、灵敏度高的光电传感器，

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以保证电路各项参数的可靠、精确和稳定，正常发挥电路应有的功能和作用，为此在设计光控电路时，不仅要尽量简化电路结构、降低成本，而且要使电路功能能够长期稳定可靠。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，此处可以选用光敏电阻作为光信号采集元件，光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件，用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物和碲化物等半导体，通常采用涂敷、喷涂等方法在绝缘衬底上制做很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度，半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少，当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小，光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低，当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照强度增大而增大，入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流逐渐减小。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，电流就会随光照强度的增加而变大，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。利用光敏电阻的阻值随光照强度变化的特点，将光敏电阻与电阻等元器件一起构成光电压采样控制电路，光信号的强弱由光敏电阻转化成电信号的强弱，然后与声控电路采集到的电信号一起送到延时开关电路，只要转化来的电信号强度能够达到一定程度就能触发开关电路，使其导通或截止，从而达到光信号自动控制声控信号的目的。

光控电路如图5所示，由R4和RG组成，设计所用的光敏电阻亮电阻为20K-30K,暗电阻约为10M，在光敏电阻上串接的电阻R4的阻值应该大于30K,小于10M，具体阻值在调试时依据对光信号感应灵敏度而定。电路的工作原理是：光信号的强弱经光敏电阻RG转换为高、低电平后送入集成电路CD4011的1脚，由降压滤波电路知，光敏电阻RG和R4的总电压U为12V,白天光线照射到光敏电阻RG上时，其阻值变得很小，约为20K,则光敏电阻两端的电压U1为：

U1?U?RG/(R4?RG)?12V?20/(180?20)?1.2V

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根据CD4011的参数即第13页的表1可得，CD4011的1脚为低电平，则3脚被

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锁定为高电平，与2脚的输入高低电平无关，此时声音信号通道电路被封锁，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音信号的控制，这时，门U1A的3脚输出的高电平经过门U2B、U3C、U4D三次反相后变成低电平，可控硅D7无触发信号不导通，灯不亮。晚上或光线较暗时，RG因没有光线照射电阻比较大，约为10M，则光敏电阻两端的电压U2为：

U2?U?RG/(R3?RG)?12V?10000000/(180?20)?12V

则与非门U1A的输入端1脚变成高电平，门U1A的3脚输出状态受2脚输入电平的控制，为声音通道的开通创造了条件，当有声音信号时，可控硅就会导通，灯亮。 3.2.4延时电路

延时电路如图6所示,由二极管D1，电阻R6和电容C3组成。夜晚或光线较暗且有声音信号时，声控电路和光控电路转化来的电信号经三极管放大以及CD4011与非门反相后输出高电平送入延时电路，经反相后输出低电平，然后送入开关电路使与非门U4D输出高电平，通过R5触发可控硅D7导通，灯亮；声音信号消失后，前级声控电路和光控电路转化来的电信号经三极管放大以及CD4011与非门反相后输出低电平送入延时电路，因D1的阻断作用，电容C3只能通过R5缓慢放电，经过大约1分钟后下降到与非门U3C的阈值电压以下，经反相后输出高电平，然后送入开关电路使与非门U4D输出低电平，可控硅自动关断，灯熄灭。延时时间理论值为：

t?2??RC?2??10uF?1M?62.8s

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图6 延时电路 图7 开关电路

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3.2.5开关电路

开关电路如图7所示，由集成电路CD4011、电阻R5和可控硅D7组成，可控硅的作用就是控制开关的通断。整个电子开关的核心器件是集成电路CD4011，其内部结构如图8所示，它是一个四-二输入与非门集成电路，其中1、2脚和3脚分别为与非门1的输入和输出端；5、6和4脚分别为与非门2的输入与输出端；8、9脚和10脚分别为与非门3的输入和输出端；12、13脚和11脚分别为与非门4的输入和输出端；7脚接地；14脚接电源。在该电路中与非门1和与非门2组成声音信号和光信号与逻辑电路；与非门3、与非门4和电阻R7组成可控硅触发电路。

设计中开关电路采用单向可控硅MCR100-6，其导通条件：一是可控硅阳极与阴极间必须加正向电压，二是控制极也要加正向电压，以上两个条件必须同时具备，可控硅才会处于导通状态，另外，可控硅一旦导通，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通，起到开关的开通作用，从而控制灯点亮。可控硅关断条件：降低或去掉加在可控硅阳极至阴极之间的正向电压，使阳极电流小于最小维持电流以下，开关电路就是通过控制可控硅的导通与断开来控制灯泡的亮和灭的。白天或光线较亮时，光敏电阻RG的阻值较小，可控硅控制极输入端的电位很低，控制极得不到触发电压，可控硅不导通，灯不亮；晚上或光线较暗时，光敏电阻RG的阻值较大，然后与由MIC送来的声音电信号一起送入延时开关电路，使可控硅控制极输入端得到高电平,可控硅导通，灯亮

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图8 CD4011的内部结构

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本设计用到的CD4011的参数如表1所示。

标志 参数 条件 -55°C 最小值 VDD=5V VDD=10V (IO<1uA) VDD=15V VDD=5V VDD=10V (IO<1uA) VDD=15V VDD=5V,VO=4.5V VDD=10V,VO=9.0V VDD=15V,VO=13.5V VDD=5V,VO=0.5V VDD=5V,VO=0.5V VDD=10V,VO=1.0V VDD=15V,VO=1.5V 最大值 0.05 0.05 0.05 +25°C 最小值 标准值 0 0 0 5 10 15 2 4 6 3 6 9 最大值 0.05 0.05 0.05 +125°C 最小值 最大值 0.05 0.05 0,05 单位 VOL 低电压输出 VOH 高电压输出 VIL 低电压输入 高电压输入 V V V V V V V V V V V V 4.95 9.95 14.95 4.95 9.95 14.95 4.95 9.95 14.95 1.5 3.0 4.0 1.5 3.0 4.0 1.5 3.0 4.0 VIH 3.5 7.0 11.0 3.5 7.0 11.0 3.5 7.0 11.0 表1 CD4011的静态参数

3.2.6系统整体电路

整体电路系统原理图如图9所示，系统采用CD4011为核心控制晶闸管的导通与断开，二极管D2-D5组成桥式整流电路将220V交流电变成直流电压，再经过R7限流，D6稳压，C2滤波输出12V直流电压，为集成块CD4011及三极管Q1提供所需的直流电压。驻极体话筒MIC检测到的声音信号和光敏电阻RG感应到的光信号以“与”的关系来控制CD4011输出高低电平，然后CD4011输出的高低电平控制可控硅的导通和断开，从而控制灯泡的亮或灭。白天或光线较亮时，与非门U1A的1脚输入端为低电平，此时3脚被锁定为高电平，与2脚声控电路的输入高低电平无关，声音信号电路通道被封锁，灯亮或灭不受声音信号控制，这时，门U1A的3脚输出的高电平经过门U2B、U3C、U4D三次反相后变成低电平从UD4输出端输出，可控硅D7无触发信号，开关电路不导通，灯不亮；夜晚或光线较暗且有声音信号时，与非门U1A的输入端1脚和2脚都为高电平，则其3脚输出低电平，再经与非门U2B反相后输出高电平，与非门U3C反相后输出低电平，与非门U4D反相后输出高电平，可控硅

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D7获得触发信号，开关电路导通，灯亮；声音信号消失后，与非门U1A的输入端的2脚变为低电平，则其3脚输出端为高电平，从而使与非门U2B输出为低电平，因D1的阻断作用，电容C3只能通过后续电路缓慢放电，经过大约1分钟下降到与非门U3C的阈值电压以下，输出低电平，从而使与非门U4D输出低电平，当交流电过零点时，可控硅自动关断，灯熄灭

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图9 整体电路系统原理图

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3.2.7电路仿真图及结果分析

用Multisim仿真的电路如图10和图11所示，图10为白天时的仿真图，图11为晚上时的仿真图，仿真时，由于Multisim仿真软件中没有光敏电阻，因此就用普通电阻来代替光敏电阻，当然也可以用一个滑动变阻器来代替光敏电阻。白天，光敏电阻阻值较小，用阻值为20K的电阻代替；夜晚，光敏电阻阻值很大，用阻值为10M的电阻代替，这也正是光敏电阻与普通电阻的区别之处。驻极体话筒Multisim仿真软件中也没有，用信号源V1和开关JI代替，开关断开时，表示没有声音信号输入，开关闭合时，表示有声音信号输入。

图10白天时的仿真图

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图11 夜晚时的仿真图

仿真结果:白天，即光敏电阻RG阻值较小为20K时，无论外界有没有声音信号（图中的开关无论闭合与断开），灯泡都不亮；晚上，即光敏电阻RG阻值较大为10M时，当有声音信号时（开关闭合），灯泡亮；声音消失后（开关断开），灯泡继续亮60s左右后自动熄灭。仿真结果表明该设计电路已基本达到了本系统的设计任务要求。

3.3元器件的选择

1.可控硅:这里使用单向可控硅,它有阴极(K)、阳极(A)和控制极(G)三个极。可控硅使用时应注意:1）极性的判别:先任测两个极,若正、反测指针均不动(R×1档),可能是A,K或G,A极；若其中有一次测量指示为几十至几百欧,则红笔所接为K极,

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黑笔接的为G极,剩下即为A极。②性能的判别:将旋钮拨至R×1挡,红笔接K极,黑笔同时接通G,A极,在保持黑笔不脱离A极状态下断开G极,指针应指示几十欧至一百欧,此时可控硅已被触发,且触发电压低;然后瞬时断开A极再接通,指针应退回∞位置,则表明可控硅良好。

2.三极管:电子制作中常用的三极管有90××系列,这里使用9013或9014(NPN)。注意电流放大倍数(β)用万用表可以测量,将量程开关拨到hFE位置,并使两表笔分开,把被测三极管插入测试插座,即可读出管子的放大倍数。

3.驻极体选用的是一般收录音机的小话筒，它的测量方法：用RX100档将红表笔接外壳的S，黑表笔接D，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高。

4.光敏电阻选用的是RG，有光照时电阻为20K以下，无光照时电阻值大于10M,说明该元件是完好的。总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定的范围内选用。 3.4元器件清单

序号 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 RG C1 C2 C3 Q1 D1 D2~D5 D6 D7 MIC U1 器件名称 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 光敏电阻 瓷片电容 电解电容 电解电容 三极管 二极管 二极管 可控硅 集成芯片 灯泡 主要参数及型号 27K 1/4W 2.2M 1/4W 33K 1/4W 180K 1/4W 51K 1/4W 1M 1/4W 270K 1/4W 104 100uF/25V 10uF/50V 9014 1N4148 1N4007 MCR100-6 CD4011BP 40W 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4 1 1 1 1 1 备注 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 AXIAL0.4 RB0.5 RB0.5 TO92 DIODE DIODE DIODE TO92k DIP-14 稳压二极管 12V 驻极体话筒

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3.5系统安装工艺 1.电路元件的安装工艺

（1）功率不大的电阻、二极管等两脚元件，尽量平卧插入印刷板上后焊接，空间面积不够时，再竖起插入印刷板后焊接；

（2）电容尽量插到底后焊接三极管、可控硅等三脚元件也尽量插到底后焊接； （3）本电路中光敏电阻及驻极体话筒的脚插入印刷板的深度要视安装情况确定，不能任意剪短脚的长短；

2.光敏电阻要尽量伸出来采光，但要和盒盖表面齐平；

3.驻极体话筒与采声孔的距离要合适，使驻极体话筒感应声音信号的灵敏度最高；

对照元器件清单买到电子元器件后，首先对照材料清单将各材料认真清点一遍，并用万用表粗略地测量一下各元件，看是否有损坏，做到心中有数，焊接时注意先焊接无极性的电阻、电容元件，电阻采用卧装，电容采用直立装，紧贴电路板，焊接有极性的元件如电解电容、驻极体话筒、二极管、三极管、单向可控硅等元件时一定要注意各自极性的正负，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。 3.6系统测试与调试

调试时用万用表直流电压档测试集成电路CD4011的14脚应有12V左右的直流电压，在有光照射条件下，无论外界有没有声音信号，测量三极管Q1的集电极C应为低电平，集成电路U1A的1脚为低电平，3脚输出高电平，4脚输出低电平，则二极管D1把电流隔离，可控硅没有得到高电平触发信号，开关不导通，灯不亮；外界无光照条件下，有声音时，集成电路U1的1脚和2脚都为高电平，3脚输出低电平，11脚为高电平，可控硅获得高电平触发信号，开关导通，灯亮，延时一段时间后能自动熄灭，达到以上要求，说明电路已调试成功。

经测试驻极话筒对声音信号的采集比较灵敏，光敏电阻对光信号的接收也很灵敏，可控硅也起到了很好的开关控制作用。本设计基本实现了灯泡在白天或光线较亮的情况下，无论外界有没有声音信号灯都不亮，而在晚上或光线较暗情况下外界有讲话声、口哨声、拍手声等声音信号时才亮的功能，并且可以自动延时一段时间，总体达到了系统设计要求。

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第四章 总结与展望

4.1全文总结

本文研究的声光控制开关是一种集声控、光控、延时于一体的自动控制开关，主要是通过对声光控制开关的各部分电路（如声控电路、光控电路、延时电路、开关电路等）做出详细、简单、明了的设计，介绍有关元器件的使用方法，系统安装和测试方法等方面，试图以最简单的表述对声光控制开关从最基本的电路设计，到系统的焊接、调试、安装工艺等整个声光控制开关电路的制作工艺给予详细介绍，有助于初学者能够快速掌握声光控制开关电路的整个设计过程，让每个电子爱好者都能亲自动手设计出自己的声光控制开关，增加对电子设计的兴趣。

本文通过对各部分电路的具体设计实现了声光控制开关在白天或光线较亮时，光控电路自动将开关关断，此时声控电路不起作用，无论外界有没有声音信号灯都不会亮；夜晚或阴雨天时，光控电路自动将开关打开，此时灯泡的亮或灭受声控电路的控制，电路是否导通，取决于声音信号的强弱，当声音信号达到一定强度时，开关电路自动接通，灯点亮，延时一段时间后，开关自动关断，灯灭，而且可以人为设定灯亮的时间，从而满足不同用户的需要。该声光控制延时开关结构简单，原理明了,性能稳定，功耗也很小,使用灵活方便,在节约大量的能源同时,也为生活提供了方便，它实现了灯的自动点亮、节能节电、延长了灯的使用寿命,贴近我们的实际生活，是现代极理想的绿色照明自动控制开关。 4.2工作展望

声光控电子开关以其优良的性能和低廉的价格深受广大用户的欢迎，现在它的使用已普及到生活的许多方面，然而它任然还有许多不尽如人意的地方，比如抗干扰误动作问题、延时时间准确性问题、声光感应灵敏度问题、应急长明等问题。其中应急长明问题可以通过在原有电路的基础上增加开关触摸电路来实现，当急需用灯时，如遇到火灾等紧急情况，用手触摸一下触摸开关的触摸部位，人的开灯意图就会传达到内部控制电路，转变为触发开关执行部件的信号后，开关执行部件就会导通，灯便开始工作，能够有效解决灯的应急长明问题；干扰误动作问题则可以通过在原有电路的基础上增加人体红外线感应电路来实现，夜晚开关在检测到外界声

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音信号后，再通过红外传感器检测是不是人发出的信号，如果是人发出的声音信号，红外传感器就通过内部控制电路将人的开灯意图传递到开关执行部件，开关执行部件就会导通，灯便开始工作，如果红外传感器没有检测到人体红外信号，开关就不导通，灯也就不亮，能够有效解决灯的误动作问题，增强了系统的抗干扰能力；而解决感应外界信号灵敏度的问题可以通过选用灵敏度更高的传感器等方面入手，本文的声光控制开关光控电路是通过光敏电阻来实现的，如果使用其它性能更加优良的传感器就可以大幅提升系统的灵敏度。只是目前来说光电传感器的成本相对于光敏电阻来说价格比较高，本文使用光敏电阻只是为了能够最大限度的减少制造成本，如果以后能够制造出成本相对较低而性能优良的其它传感器，我们就完全可以使用它来代替光敏电阻，而且性能一定会比使用光敏电阻要优良许多，例如，现在市场上出现不少识别气体的传感器,即气体传感器,如果某一天出现性能价格比很好的人体气味传感器,那么生产出光与人体气味共同控制的电子开关肯定会受到用户的普遍欢迎，市场前景也将会更加广阔。

本次毕业设计鉴于实验条件、个人水平的限制以及时间的紧迫就没有对该部分内容做过多详细的介绍，只是从大体思路上做了一些简单的说明，不过我相信文中所提到的一些问题及解决方法一定会是未来电子开关的发展方向，在此就不再做过多陈述，只能留待以后研究。

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参考文献

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谢 辞

通过本次毕业设计，我的实践能力增强了许多，而且在理论上也有了更深的认识，实践的过程实际是能力提高的过程，在调试电路，分析故障，性能测试的过程中，我学到了许多课本上无法获得的经验。刚开始设计时，觉得无从下手，在图书馆经过一番资料查找后，我发现它其实很简单，只是还不会灵活运用，这次毕业设计让我学会了一种设计电路的思想，就是分成多个模块，逐一解决问题。

本次论文的顺利完成，得益于我的各位大学老师传授的知识，使我有了完成本次论文设计所需要的知识积累，更得益于指导教师胡春华老师的精心指导，从论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿，胡老师都倾注了大量心血，每一部分都给予了详细指导，在此对胡春华老师表示衷心的感谢！

同时，我能够顺利完成本次毕业设计还要特别感谢大学四年学习期间给予我诸多教诲和帮助的物理与电子科学系的各位老师，感谢滨州学院电工电子实验教学中心为我本次毕业设计提供的良好学习环境，尤其是李卫兵老师，从论文的撰写到硬件的制作都给予了我无私的帮助，你们给予我的帮助、指导和教诲我将铭记于心！

回首本人的求学生涯，父母的支持和鼓励是本人最大的动力。父母不仅承受着巨大的经济负担，在心里上更承受着思子之情的煎熬与望子成龙的期待，忆往昔，每次回到家时父母的欣喜之情，每次离开家时父母的依依不舍之眼神，电话和信件中的殷殷期待和思念之语，皆使本人刻苦铭心，目前除了学习成绩尚可外无以为报，希望以后的学习、工作和生活能使父母宽慰，以此报答父母的无私恩情！

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