聲光雙控節(jié)能電子開關(guān)設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計(jì)報(bào)告書摘要 聲光雙控延時(shí)開光不僅適用于住宅區(qū)的樓道，而且也適用于工廠、辦公室、教學(xué)樓等公共場(chǎng)所，它具有體積小，外形美觀，制作容易，工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，而且降低能耗，節(jié)約能源，注重環(huán)保是當(dāng)今世界的主潮流。此外，它在一定的場(chǎng)所使用還可起防盜作用。它是公共場(chǎng)所照明開關(guān)的理想選擇，被人們譽(yù)為“長(zhǎng)明燈的克星”。 本文闡述了簡(jiǎn)單的聲、光同時(shí)控制的路燈電路的制作。該電路能自動(dòng)控制白天開關(guān)、夜晚亮燈、人走燈滅。具有靈敏、低耗、性能穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、節(jié)能等特點(diǎn)。選擇聲敏傳感器、光敏傳感器作為基本元件。綜合了聲、光和延時(shí)控制、工作穩(wěn)定、節(jié)電并可延長(zhǎng)燈泡壽命。光敏傳感器,聲控傳感器兩種傳感器

2、形成了聲控、光控兩種控制的電路。利用布局和布線規(guī)則完成了電路板的制作。實(shí)現(xiàn)了電子開關(guān)的兩種控制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了燈的控制。關(guān)鍵詞：聲光雙控 延時(shí) 節(jié)電 目錄摘要.1總體電路設(shè)計(jì)12各模塊設(shè)計(jì)12.1電源模塊12.2信號(hào)收集模塊32.2.1光信號(hào)收集電路的設(shè)計(jì)32.2.2光信號(hào)電路的工作原理32.3.1聲音信號(hào)收集電路的設(shè)計(jì)524信號(hào)處理模塊62、4、1 芯片TC4081BP的介紹62、4、2 芯片TC4081BP的工作原理62.5 延時(shí)模塊82.5.1延時(shí)控制電路82.5.2 RC電路的放電過(guò)程92.5.3 RC電路的時(shí)間常數(shù)102.6被控制電路112.6.1 電路工作原理113電路仿真及PCB

3、圖124總結(jié)體會(huì)145參考文獻(xiàn)15聲光雙控節(jié)能電子開關(guān)設(shè)計(jì)1總體電路設(shè)計(jì) 所設(shè)計(jì)的電路分為五個(gè)模塊：電源模塊，信號(hào)收集模塊，信號(hào)處理模塊，延時(shí)模塊和被控制模塊。(模塊圖如1-2)電源模塊為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的直流電源，使驅(qū)動(dòng)三極管，芯片TC4081BP和小燈。信號(hào)收集模塊分為聲音信號(hào)收集模塊和光信號(hào)收集模塊。聲音信號(hào)收集模塊將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l電信號(hào)從而能夠輸入電路，起到控制開關(guān)的作用。光信號(hào)收集模塊將光強(qiáng)度的改變轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱母淖?，與聲音信號(hào)一起控制芯片的輸入。信號(hào)處理模塊即是芯片TC4081BP對(duì)聲音，光信號(hào)導(dǎo)致的電信號(hào)的改變進(jìn)行處理，從而驅(qū)動(dòng)被控制電路，并作用于延時(shí)模塊。延時(shí)模塊是在信號(hào)處理

4、模塊的作用下工作，起到延時(shí)的作用。圖1-1 聲光雙控電路框圖2各模塊設(shè)計(jì) 2.1電源模塊電源電路采用降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓的組合電路，將220V的交流電壓變?yōu)?V和12V的直流電壓。模塊圖如圖2-1 電源變壓器整流電路 濾波電路 穩(wěn)壓電路圖 2-1降壓過(guò)程是將220V單相交流電壓直接輸入有一定匝數(shù)比的變壓器，得到降壓后的電壓。然后將變壓器副邊的交流電壓通過(guò)單相橋式整流電路，得到脈動(dòng)系數(shù)較大的直流電壓。為了減小電壓的脈動(dòng)，將經(jīng)過(guò)整流橋整流后的直流電壓通入由濾波電容構(gòu)成的濾波電路，使輸出較為平滑的電壓。要得到穩(wěn)定的直流電源需將濾波后的電壓輸入穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路有電阻個(gè)穩(wěn)壓二極管構(gòu)成，利用二極管的穩(wěn)

5、壓特性，使得到不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)和負(fù)載電阻變化影響的穩(wěn)定性較高的直流電壓1、 整流橋簡(jiǎn)介圖2-2 橋式二極管整流電路整流橋就是將整流管封在一個(gè)殼內(nèi)了.分全橋和半橋.全橋是將連接好的橋式整流電路的四個(gè)二極管封在一起.半橋是將兩個(gè)二極管橋式整流的一半封在一起,用兩個(gè)半橋可組成一個(gè)橋式整流電路,一個(gè)半橋也可以組成變壓器帶中心抽頭的全波整流電路, 選擇整流橋要考慮整流電路和工作電壓.整流橋堆一般用在全波整流電路中，它又分為全橋與半橋。全橋是由4只整流二極管按橋式全波整流電路的形式連接并封裝為一體構(gòu)成的，圖是其外形。 全橋的正向電流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、3

6、5A、50A等多種規(guī)格，耐壓值（最高反向電壓）有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多種規(guī)格。2降壓濾波電路 圖2-3 降壓濾波電路由圖2-3中的電阻R7、電容C2和穩(wěn)壓管D6組成。電路中燈泡也起到了很重要的降壓作用。橋式整流電路輸出的脈動(dòng)直流電壓經(jīng)過(guò)R7限流降壓，電容C2濾波，從而得到比較小的直流電壓加到穩(wěn)壓管D6上，獲得12V的直流電壓，作為控制電路的直流電源。2.2信號(hào)收集模塊2.2.1光信號(hào)收集電路的設(shè)計(jì)對(duì)于光信號(hào)的設(shè)計(jì)，我們要求在白天與晚上R5與RG間的電壓輸出有很大的反差，在白天要求輸出低電平，而在晚上要求輸出高電平，所

7、以必須要用光敏電阻RG。將光敏電阻RG與R5串聯(lián)起來(lái)圖2-42.2.2光信號(hào)電路的工作原理 在白天光較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻RG的阻值較低（約為1.2k），在R5與光敏電阻的兩端加有12V的電壓，在白天我們要求此端輸出低電平，則不管聲控部分輸出的是高電平或低電平，芯片TC4081BP最終都輸出低電平，則使得控制電路的三極管不導(dǎo)通，繼電器上無(wú)電流，由繼電器的工作原理可知燈泡不亮。所以R5的阻值要遠(yuǎn)大于1.2k，近似使得R5短路。在晚上光線較暗時(shí)，光敏電阻RG的阻值變大（最大約為50M），R5、RG串聯(lián)對(duì)12V電壓分壓，在晚上我們要求此端輸出高電平，若此時(shí)有聲音即聲控部分輸出高電平，則芯片TC4081BP

8、最終輸出高電平，使得控制電路的三極管導(dǎo)通，繼電器上有電流，由繼電器的工作原理可知燈泡亮。若無(wú)聲音，則聲控部分輸出低電平芯片TC4081BP最終輸出高電平，燈泡不亮。所以R5的阻值要遠(yuǎn)小于50M，這樣晚上可認(rèn)為電壓全分與R5，RG短路。即控制燈泡在晚上無(wú)聲時(shí)不亮。2.2.3 光信號(hào)電路相關(guān)參數(shù)的分析 通過(guò)對(duì)光電路的工作原理分析我們要求R5阻值要遠(yuǎn)大于1.2k，同時(shí)又要遠(yuǎn)小于50M。 再由串聯(lián)分壓公式可知 (R5+RG)*I=Vcc （2.1） 所以 R5=Vcc/IRG由于在白天RG 約為1.2k，晚上RG約為50M，Vcc=12V我們綜合各種因素最終選擇R5為1M。2.3.1聲音信號(hào)收集電路的

9、設(shè)計(jì)圖2-5 仿真聲控部分原理圖顧名思義，聲光控延時(shí)開關(guān)就是用聲音來(lái)控制開關(guān)的“開啟"，若干分鐘后延時(shí)開關(guān)“自動(dòng)關(guān)閉"。因此，整個(gè)電路整個(gè)電路的功能就是將聲音信號(hào)處理后，變?yōu)殡娮娱_關(guān)的開動(dòng)作。明確了電路的信號(hào)流程方向后，即可依據(jù)主要元器件將電路劃分為若干個(gè)單元。仿真電路原理如圖1所示。在仿真當(dāng)中，由于仿真軟件的不熟，聲音輸入部分我們用開關(guān)代替，同樣電容C2具有通交流阻直流的作用，由于聲音輸入相當(dāng)于一個(gè)正弦信號(hào)輸入。所以在仿真中，我們把麥克風(fēng)用導(dǎo)線代替，電容也用開關(guān)代替。當(dāng)外界有聲音發(fā)出時(shí)，開關(guān)閉合，可使三極管VT瞬間截止，集成電路A的2腳便通過(guò)電阻器R4連接12V電壓正極，

10、又因A的一腳在晚上也是高電壓，便相繼使A的3腳輸出低電壓，5腳和6腳也為低電壓，4腳則輸出高電壓。該電壓經(jīng)二極管VD1正偏導(dǎo)通，向電容器C2充電，又使A的8腳和9腳為高電壓，繼續(xù)控制A的10腳輸出低電壓，12腳和13腳為低電壓，11腳輸出高電壓。使三極管導(dǎo)通，便使繼電器工作，開關(guān)閉合，從而驅(qū)動(dòng)燈泡H放光。注：在仿真中燈泡我們用的是發(fā)光二極管（LED）。 當(dāng)外界沒有聲音發(fā)出時(shí)，開關(guān)斷開，三極管輸入到集成電路A的2腳一個(gè)低電平。又因A的一腳在晚上也是高電壓，便相繼使A的3腳輸出高電壓，5腳和6腳也為高電壓，4腳則輸出低電壓。該電壓經(jīng)二極管VD1正偏導(dǎo)通，又使A的8腳和9腳為低電壓，繼續(xù)控制A的10

11、腳輸出高電壓，12腳和13腳為高電壓，11腳輸出低電壓。三極管不工作，繼電器無(wú)法產(chǎn)生電流，繼而無(wú)法導(dǎo)通開關(guān)，從而燈泡H不24信號(hào)處理模塊2、4、1 芯片TC4081BP的介紹TC4081BP是一種將四個(gè)基本二輸入與非門電路集合在一起制成的集成電路，因此稱為二輸入四與非門集成電路。利用該集成電路既可以設(shè)計(jì)放大器，也可以設(shè)計(jì)振蕩器，還可以設(shè)計(jì)控制開關(guān)，因此被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。另外，TC4081BP內(nèi)部四個(gè)二輸入與非門電路各自獨(dú)立，實(shí)際中可選用其中一個(gè)，也可以四個(gè)全用，還可進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)應(yīng)用，這又給我們的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便。2、4、2 芯片TC4081BP的工作原理TC4081BP的外形如

12、圖2-6所示，它是采用晶體管制造工藝在硅晶片上生產(chǎn)四個(gè)各自獨(dú)立的二輸入與非門電路，然后采用DIP-14標(biāo)準(zhǔn)封裝而成的雙列14腳直插式結(jié)構(gòu)。 圖2-6 圖2-7TC4081BP的14個(gè)引腳的排列、引腳名稱及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-6所示，可以很清楚的看到四個(gè)二輸入與非門相互獨(dú)立，每個(gè)單獨(dú)的與非門有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。四個(gè)與非門被集成后，TC4081BP的1腳、2腳、3腳屬于第一個(gè)與非門電路，其中1腳的1IN1端為該與非門的輸入端，2腳的1IN2端為該與非門的另一個(gè)輸入端，3腳的1OUT端為該與非門的輸出端；4腳、5腳、6腳屬于第二個(gè)與非門電路，其中4腳的2IN1端為該與非門的輸入端，5腳的2IN2端

13、為該與非門的另一個(gè)輸入端，6腳的2OUT端為該與非門的一個(gè)輸出端；8腳、9腳、10腳屬于第三個(gè)與非門電路，其中8腳的3IN1端為該與非門的輸入端，9腳的3IN2端為該與非門的另一個(gè)輸入端，10腳的3OUT端為該與非門的一個(gè)輸出端；11腳、12腳、13腳屬于第四個(gè)與非門電路，其中11腳的4IN1端為該與非門的輸入端，12腳的4IN2端為該與非門的另一個(gè)輸入端，13腳的4OUT端為該與非門的一個(gè)輸出端；7腳、14腳為TC4081BP的工作電源輸入端，7腳位電源的負(fù)極Vss，14腳為電源的正極Vdd。在TC4081BP中，每個(gè)與非門的兩個(gè)輸入端與一個(gè)輸出端之間所呈現(xiàn)的關(guān)系見表1。第一個(gè)輸入端（1腳）

14、第二個(gè)輸入端（2腳）輸出端（3腳）011101001110表中以TC4081BP的第一個(gè)與非門為例，“0”表示低電壓，“1”表示高電壓與非門集成電路是一種價(jià)格最低廉的集成電路，而且工作損耗小，適應(yīng)電壓范圍寬，可在318V的范圍內(nèi)正常工作，因此得到廣泛應(yīng)用。圖 2-8 信號(hào)處理2.5 延時(shí)模塊2.5.1延時(shí)控制電路圖2-9 延時(shí)控制電路延時(shí)控制電路的工作原理：見圖2-9的電路圖，在白天時(shí)，與非門U1A的輸入端1腳為低電平，則3腳被鎖定為高電平，與2腳的輸入高低電平無(wú)關(guān)，所以電路封鎖了聲音通道，使聲音信號(hào)不能通過(guò)，即燈泡亮滅不受聲音控制。這時(shí)，門U1A的3腳輸出的高電平經(jīng)過(guò)門U1B、U1C、U1D

15、三次反相后成低電平，晶閘管D7無(wú)觸發(fā)信號(hào)不導(dǎo)通，燈不亮。當(dāng)在夜晚同時(shí)有聲音信號(hào)時(shí)，與非門U1A的輸入端1腳和2腳都為高電平，則其輸出為低電平，再經(jīng)與非門U1B反相輸出高電平，通過(guò)隔離二極管D1給電容C3充電，當(dāng)C3充電電壓達(dá)到與非門U1C的閾值電平時(shí)，使與非門U1D輸出高電平，通過(guò)R5觸發(fā)可控硅D7使其導(dǎo)通，主回路便有較大的電流通過(guò)白熾燈使其發(fā)光。當(dāng)聲音消失后，與非門U1A的輸入端的2腳變?yōu)榈碗娖?，則其輸出端為高電平，從而使與非門U1B輸出為低電平，因D1的阻斷作用，電容C2只能通過(guò)R5緩慢放電，經(jīng)過(guò)大約1分鐘下降到與非門U1C的閾值電壓以下，使與非門U1D輸出低電平，當(dāng)交流電過(guò)零點(diǎn)時(shí)，可控硅

16、自動(dòng)關(guān)斷，白熾燈熄滅。延時(shí)時(shí)間理論值為：t=2RC=2×10uF×1M62.8S2.5.2 RC電路的放電過(guò)程當(dāng)電容C2已有電壓U0時(shí)，且二極管無(wú)正偏截止時(shí)，電容器立即對(duì)電阻R6驚醒放電，放點(diǎn)開始時(shí)的電流為,放電電流的實(shí)際方向與充電時(shí)相反，放電時(shí)的電流與電容電壓隨時(shí)間均按指數(shù)規(guī)律衰減為零，電流與電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為: （2.5.1） （2.5.2） 式中為電容器的初始電壓。放電時(shí)和的變化曲線如圖2-10所示。 圖2-10 RC放電時(shí)電壓和電流的而變化曲線2.5.3 RC電路的時(shí)間常數(shù)RC電路的時(shí)間常數(shù)用表示， ,的大小決定了電路充放電時(shí)間的快慢。對(duì)于充電而言，時(shí)間常數(shù)時(shí)電容電

17、壓從零增長(zhǎng)到63.2%所需而當(dāng)時(shí)間；對(duì)放電而言，是電容電壓從下降到36.8%所需的時(shí)間。R6的阻值為250K，C2為100,則有=250K*100=25 所以延遲時(shí)間為252.6被控制電路2.6.1 電路工作原理 圖2-11 被控制電路 被控制電路三極管T2、繼電器H、LED燈D3、電阻R8、R9，二極管D2組成，在這部分電路中，繼電器和三極管相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，可開通或關(guān)斷燈泡連接的5伏直流電源，。 當(dāng)三極管T2處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，集電極電流驅(qū)動(dòng)繼電器H動(dòng)作，開關(guān)閉合，燈泡回路導(dǎo)通，此時(shí)在燈泡回路中，電流從直流電源沿電阻R8繼電器中的開關(guān)LED燈D3，最后流回直流電源，就這樣燈泡亮也。 當(dāng)三極管

18、T2處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，繼電器H中無(wú)電流通過(guò)，故而繼電器開關(guān)無(wú)法動(dòng)作，導(dǎo)致燈泡回路開路，無(wú)電流通過(guò)，LED燈D3不亮。 繼電器H中開關(guān)動(dòng)作受三極管T2控制，當(dāng)三極管T2處于飽和狀態(tài)時(shí)，其集電極有電流通過(guò)，從而驅(qū)動(dòng)繼電器H中的開關(guān)動(dòng)作，燈泡回路導(dǎo)通；而當(dāng)三極管T2處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，其集電極無(wú)電流通過(guò)，繼電器中無(wú)電流通過(guò)，其開關(guān)無(wú)法動(dòng)作，燈泡回路關(guān)斷。三極管H是處于飽和導(dǎo)通還是處于截止斷開，則由其基極B控制。當(dāng)B極電壓處于高電平時(shí)，其值高于集電極C的電壓，而且大于三極管T2的開啟電壓Uon,三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，集電極上的繼電器中有電流通過(guò)；當(dāng)基極B處于低電平狀態(tài)時(shí)，其值小于三極管開啟電壓Uon，三極

19、管處于截止?fàn)顟B(tài),其集電極中無(wú)電流，三極管這個(gè)“開關(guān)處于斷開狀態(tài)。二極管D2的作用是保護(hù)繼電器。當(dāng)三極管T2飽和導(dǎo)通時(shí)，繼電器中有電流通過(guò)，此時(shí)是二極管D2相當(dāng)于開路，對(duì)電路無(wú)影響，；當(dāng)三極管在轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的瞬間，由于繼電器中含有電感元件，那么必然會(huì)在此刻產(chǎn)生極大的電流，如果不加二極管D2，電路可能會(huì)因電流過(guò)大而損壞，而加上二極管后，電流改變流向，通過(guò)二極管D2和繼電器中的電感組成的回路完成放電過(guò)程，不會(huì)損壞電路。3電路仿真及PCB圖電源模塊為整個(gè)電路提供穩(wěn)定的直流電源，使驅(qū)動(dòng)三極管，芯片TC4081BP和小燈。信號(hào)收集模塊分為聲音信號(hào)收集模塊和光信號(hào)收集模塊。聲音信號(hào)收集模塊將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

20、音頻電信號(hào)從而能夠輸入電路，起到控制開關(guān)的作用。光信號(hào)收集模塊將光強(qiáng)度的改變轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱母淖?，與聲音信號(hào)一起控制芯片的輸入。信號(hào)處理模塊即是芯片TC4081BP對(duì)聲音，光信號(hào)導(dǎo)致的電信號(hào)的改變進(jìn)行處理，從而驅(qū)動(dòng)被控制電路，并作用于延時(shí)模塊。延時(shí)模塊是在信號(hào)處理模塊的作用下工作，起到延時(shí)的作用。被控制模塊在信號(hào)處理模塊及延時(shí)模塊的共同作用下工作，達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。 圖3-1 聲光控制樓道開關(guān)電路原理圖 圖3-2 PCB圖4總結(jié)體會(huì)在這段時(shí)間里的設(shè)計(jì)中，我做的課題是“聲光控制樓道開關(guān)”。這是一種聲音和光照雙控制的照明燈，它可以用于樓梯，過(guò)道，庫(kù)房的場(chǎng)合。白天光照好，不管過(guò)路者發(fā)出多大聲音，都不會(huì)使燈泡發(fā)亮。夜晚光暗，電路的拾音器只要檢測(cè)到有碎發(fā)聲音，就會(huì)自動(dòng)為行人照明，過(guò)一會(huì)兒后有自動(dòng)熄滅，節(jié)能節(jié)電。這次的聲光控延時(shí)開關(guān)的設(shè)計(jì)實(shí)踐將我們學(xué)到的只是應(yīng)用到了實(shí)踐，深化了對(duì)數(shù)字電路設(shè)計(jì)和模擬電子設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，使我們?cè)谠O(shè)計(jì)的實(shí)踐中獲得新知。學(xué)習(xí)了一年