聲光雙控照明燈

1、第1章 緒論1.1 設(shè)計(jì)背景由于近年來我國的照明器材行業(yè)的迅速崛起，中國已經(jīng)成為電光源產(chǎn)品的主要輸出國之一。照明器材行業(yè)屬一般性競爭行業(yè)，是我國輕工業(yè)對外開放較早的行業(yè)之一。自從我國加入WTO后，國際上一些知名品牌大企業(yè)相繼進(jìn)入國內(nèi)產(chǎn)銷領(lǐng)域，使得國內(nèi)競爭國際化。努力增加節(jié)能光源和不同檔次、花樣、不同用途的照明器具的開發(fā)，加快綠色、節(jié)能光源產(chǎn)品的開發(fā)推廣和應(yīng)用是我國目前照明器材行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重點(diǎn)。我國照明器材行業(yè)將面臨著前未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，而由此帶來的巨大商業(yè)利益也成為一些企業(yè)矚目的焦點(diǎn)。生產(chǎn)企業(yè)適應(yīng)新標(biāo)準(zhǔn)的要求，為各類照明場所提供相應(yīng)的產(chǎn)品。從國際市場分析，雖然我們的出口逐年大幅度增長，但我國

2、大部分產(chǎn)品在國際市場仍屬中低檔水平，去過法蘭克福的人都有體會(huì)，我們的產(chǎn)品與國際先進(jìn)水平相比還存在較  大差距。另外，如果大量劣質(zhì)低價(jià)產(chǎn)品出口，還會(huì)遭遇反傾銷訴訟，從而影響全行業(yè)出口，因此我們?nèi)砸舐暭埠簦|(zhì)量是企業(yè)的生命。我國目前已成為世界照明電器產(chǎn)品生產(chǎn)大國，我們的目標(biāo)是要成為照明電器產(chǎn)品生產(chǎn)強(qiáng)國，我們與發(fā)達(dá)國家在照明電器產(chǎn)品的質(zhì)量、檔次、生產(chǎn)工藝、設(shè)備、材料以及新產(chǎn)品開發(fā)能力等方面均存在明顯差距?？吹轿覀?nèi)〉贸煽兊耐瑫r(shí)，也能清醒地認(rèn)識(shí)我們存在的差距，才能不斷地進(jìn)步。據(jù)中國照明學(xué)會(huì)調(diào)查資料表示：中國目前使用節(jié)能燈的家庭有一億戶，使用節(jié)能燈的酒店及公共場所更是多得難以統(tǒng)計(jì)；全國每年單

3、節(jié)能燈市場的總額在120億以上，同時(shí)每年城市化的進(jìn)程在以6%的速度增長。據(jù)國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心介紹，我國已成為世界最大的節(jié)能燈生產(chǎn)國和出口國，生產(chǎn)的節(jié)能燈質(zhì)量逐年穩(wěn)步提高。2005年以來節(jié)能燈質(zhì)量抽查產(chǎn)量合格率達(dá)到80以上。消費(fèi)者使用節(jié)能燈既節(jié)能又省錢。1.2 設(shè)計(jì)目的隨著社會(huì)不斷進(jìn)步，科技發(fā)展，聲光雙控照明燈逐步走進(jìn)社會(huì)各個(gè)公共角落，聲光雙控照明燈不僅適用于住宅區(qū)的樓道，而且也適用于工廠、辦公樓、教學(xué)樓等公共場所，它具有體積小、外形美觀、制作容易、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，適合于各種樓房走廊的照明設(shè)備。用聲光控延時(shí)開關(guān)代替住宅小區(qū)的樓道上的開關(guān)，在天黑以后，當(dāng)有人走過樓梯通道，發(fā)出腳步聲或其它聲

4、音時(shí)，樓道燈會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，提供照明，當(dāng)人們進(jìn)入家門或走出公寓，樓道燈延時(shí)幾分鐘后會(huì)自動(dòng)熄滅。在白天，即使有聲音，樓道燈也不會(huì)亮，它解決了“長明燈”浪費(fèi)電能的問題，延長燈泡的使用壽命，安全性好，可靠性高。該裝置省去了能耗大、笨重、極易產(chǎn)生熱量的電源變壓器，具有結(jié)構(gòu)簡單、自耗電輕微、性能穩(wěn)定、靈敏度高、通用性強(qiáng)，降低能耗、節(jié)約能源的目的。1.3 設(shè)計(jì)意義通過這次的設(shè)計(jì)我們希望在理清它的發(fā)展脈絡(luò)上進(jìn)一步了解它的發(fā)明原理，將平時(shí)所學(xué)習(xí)的知識(shí)運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)探索上，這對提高我們的動(dòng)手能力，創(chuàng)新意識(shí)，及鍛煉思維活動(dòng)無疑是一個(gè)莫大的幫助。同時(shí)我們也希望這次的設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步地了解照明燈，而不是僅局限與課本知識(shí)以內(nèi)。從

5、小的突破點(diǎn)入手，掌握又一項(xiàng)科技知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)課堂外的又一次提高,為現(xiàn)代教育科學(xué)盡一份力量！第2章 基本原理2.1 工作原理本電路系統(tǒng)對220V交流電壓進(jìn)行整流，輸出DC9V電壓提供給聲控、光控及延時(shí)電路，由這三部分電路控制燈泡自動(dòng)亮滅。如圖2-1所示：圖2- 1 系統(tǒng)框圖聲光控開關(guān)的電路原理圖如圖2-2所示。電路中的主要元器件是使用數(shù)字集成電路CD4011，其內(nèi)部含有4個(gè)獨(dú)立的與非門D1D4，使電路結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高。當(dāng)聲音信號(hào)(腳步聲、掌聲等)由駐極體話筒BM接收并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)C1耦合到VT的基極進(jìn)行電壓放大，放大的信號(hào)送到CD4011中的與非門D2的2腳，R4、R7是VT的偏置電阻

6、，C2是電源濾波電容。   為了使聲光控開關(guān)在白天開關(guān)斷開，即燈不亮，由光敏電阻RG等元件組成 光控電路，R5和RG組成串聯(lián)分壓電路，夜晚環(huán)境無光時(shí)，光敏電阻的阻值很大，RG兩端的電壓高，即為高電平期間t=2R8C3，改變R8或C3的值，可改變延時(shí)時(shí)間，滿足不同目的。CD4011中的D3和D4構(gòu)成兩級(jí)整形電路，將方波信號(hào)進(jìn)行整形。當(dāng)C3充電到一定電平時(shí)，信號(hào)經(jīng)與非門D3、D4后輸出為高電平，使單向可控硅導(dǎo)通，電子開關(guān)閉合；C3充滿電后只向R8放電，當(dāng)放電到一定電平時(shí)，經(jīng)與非門D3、D4輸出為低電平，使單向可控硅截止，電子開關(guān)斷開，完成一次完整的電子開關(guān)由開到關(guān)的過

7、程。二極管VD1VD4將220V交流進(jìn)行橋式整流，變成脈動(dòng)直流電，又經(jīng)R1降壓，C2濾波后即為電路的直流電源，為BM、VT、IC芯片等供電。圖2-2 原理圖第3章 單元電路設(shè)計(jì)圖3-1是聲光雙控節(jié)能燈開關(guān)電路原理方框，在設(shè)計(jì)過程中我們可以分析設(shè)計(jì)部分電路。圖3-1 原理框圖3.1 聲控電路當(dāng)BM獲取到聲音信號(hào)后，其會(huì)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，如圖3-2所示聲控電路由傳聲器BM，電阻器R2、R4，晶體管VT、電容C1和CD4011中的D1組成。此部分電路圖如圖3-2所示：圖3-2 聲控部分電路圖 工作原理：聲控照明電路的主要原理是利用了聲學(xué)和電子學(xué)的原理即用聲音傳感器將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)從而推動(dòng)觸發(fā)器觸發(fā)

8、使電路導(dǎo)通工作。作為一個(gè)智能化聲控照明電路應(yīng)具有能在聲音的控制下實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通與截止，聲音的發(fā)出應(yīng)是多方面的如腳步聲物體打擊聲等，響應(yīng)時(shí)間越短越好等功能。為此在選擇電路元器件時(shí)應(yīng)選擇靈敏度較高的聲音傳感器組成聲控照明電路控制電路的前端，同時(shí)我們還要為該傳感器設(shè)置傳感條件如聲音響度必須在20DB以上才能響應(yīng)等。中間端采用觸發(fā)器構(gòu)成，利用觸發(fā)器不觸不發(fā)，一觸即發(fā)的特點(diǎn)去推動(dòng)照明電路工作，觸發(fā)器的選擇也應(yīng)選擇靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間短的觸發(fā)器如D觸發(fā)器，JK觸發(fā)器等。 3.2 整流電路整流電路把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路。大多數(shù)整流電路由變壓器、整 流主電路和濾波器等組成。本次所用為

9、單向橋式整流電路，是由電源變壓器T，4只整流二極管VD1VD4等組成。此部分電路圖如圖3-3所示：圖3-3 整流部分電路圖工作原理：利用4個(gè)二極管接成電橋使在Ul的正負(fù)半周的電壓經(jīng)過兩只二極管交替導(dǎo)通，即在負(fù)載上形成了單方向的全波脈沖電壓。其中單向橋式整流電路對電壓的利用率高。 在橋式整流電路中，交流電在一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)半波電流以相同方向通過負(fù)載所以該整流電路輸出的直流電壓比半波整流電路增加一倍，即=0.93.3光控電路光控電路的核心元件為光敏電阻，光敏電阻器又叫光感電阻，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏

10、電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。在光線較暗時(shí)，光敏電阻呈高阻態(tài)；在光線較亮?xí)r，光敏電阻呈低阻態(tài)，光敏電阻通常都工作于直流或低頻狀態(tài)下。光控電路由光敏電阻器RG，電阻器R5和CD4011中的D1組成。此部分電路圖如圖3-4所示：圖3-4 光控部分電路圖工作原理：利用光敏元件隨光照強(qiáng)度的變化而阻抗發(fā)生變化的特點(diǎn)，去控制電信號(hào)的強(qiáng)弱，再由傳感器將變化的電信號(hào)傳遞給觸發(fā)器，只要電信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到一定程度將觸發(fā)觸發(fā)器使其導(dǎo)通工作。光控照明電路其主要功能是實(shí)現(xiàn)當(dāng)外界光照強(qiáng)度降低到一定程度時(shí)，使照明電路導(dǎo)通工作。就其方案而言多種多樣，但我們在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮方案的可行性，

11、穩(wěn)定性以及元器件的靈敏度，尤其是光敏元件必須選擇靈敏度高的這樣電路功能才能較容易實(shí)現(xiàn)，為此我們在設(shè)計(jì)光控電路時(shí)，不但要盡量使電路結(jié)構(gòu)簡化，而且要使電路功能強(qiáng)，功能的實(shí)現(xiàn)要可靠穩(wěn)定。 3-4延時(shí)電子開關(guān)電路延時(shí)電子開關(guān)電路它是用電路中送入的信號(hào)進(jìn)行控制電路的設(shè)備。其作用是用送進(jìn)來的信號(hào)去控制電路，使電路達(dá)到延時(shí)的效果。聲光雙控電路是聲、光控開關(guān)的組合。它是利用駐極體話筒是否采集到聲音信號(hào)，光敏電阻感應(yīng)光線的明暗來改變信號(hào)的高低電平，以達(dá)到控制電路輸出高低電平的目的，再利用穩(wěn)壓管高電平導(dǎo)通的原理來控制燈泡的亮滅。如圖2-3所示延時(shí)電子開關(guān)電路由二極管 VD5、電容C3、電阻R8、晶閘管VT和集成芯

12、片CD4011組成。此部分電路圖如圖3-5所示：圖3-5 延時(shí)部分電路圖工作原理：延時(shí)電路的設(shè)計(jì)主要由C3和R8組成。當(dāng)夜晚有響聲（如腳步聲、說話聲等），駐極話筒會(huì)接收到信號(hào)并通過三極管VT對其進(jìn)行放大之后送到CD4011的1腳，同時(shí)光敏電阻這時(shí)也呈高阻態(tài)并送入CD4011的2腳，經(jīng)與非關(guān)系后3腳輸出低電平，（集成芯片引腳的連接方式如圖4-3所示）芯片4腳輸出高電平使二極管VD5導(dǎo)通對C3充電。最終芯片11腳輸出高電平去控制晶閘管導(dǎo)通點(diǎn)亮燈泡L。在此期間同時(shí)通過VD5對C3快速充電，充電電流大，充電時(shí)間很短，快速將C3上電壓充滿，C3上所得的電壓經(jīng)R8對晶閘管VT的T、K級(jí)慢慢放電，此時(shí)就算沒

13、有響聲燈泡仍然點(diǎn)亮，直到C3上的電放完，可控硅截止燈泡熄滅等待下一次觸發(fā)。   第4章 元器件的選擇4.1元件選擇4.1.1 CD4011芯片結(jié)構(gòu)與原理CD4011BC是一個(gè)集四個(gè)2輸入與非門電路為一體的芯片，CD4001BC和CD4011BC四門是整體的補(bǔ)充MOS(CMOS)集成電路以N-和P-channel增強(qiáng)模式晶體管。他們有同樣的源與匯電流能力和符合標(biāo)準(zhǔn)系列輸出驅(qū)動(dòng)。這個(gè)裝置也有緩沖輸出大大提高傳遞特性提供非常高的增益。所有的輸入是防靜電放電和二極管對VDD和說明。這個(gè)系列的邏輯門用磷和氮頻道增強(qiáng)模式在一個(gè)單一的整體結(jié)構(gòu)的裝置。使用他們主要是為了節(jié)省功率耗散和有較高

14、的抗噪能力。CD4011芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。圖4-1 CD4011內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖CD4011的功能：四個(gè)2為輸入與非門CMOS芯片。電源電壓范圍：3V15V  功耗：700mW（普通封裝）；500mW（小外形封裝）工作溫度范圍：CD4011BM -55 +125、  CD4011BC -40 +85 邏輯表達(dá)式為：Y=AB4.1.2 光敏電阻光敏電阻（photoresistor or light-dependent resistor，后者縮寫為ldr）又稱光導(dǎo)管（photoconductor），常用的制作材料為硫化鎘，另

15、外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導(dǎo)電，在外加電場的作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負(fù)極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。其外形圖如圖4-2所示圖4- 2 光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的

16、密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時(shí)，電流就會(huì)隨光強(qiáng)的增大而變大，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。光敏電阻對光線十分敏感，其在無光照時(shí)，呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達(dá)1.5M。當(dāng)有光照時(shí)，材料中激發(fā)出自由電子和空穴，其電阻值減小，隨著光照強(qiáng)度的升高，電阻值迅速降低，亮電阻值可小至1K以下。光敏電阻器的光照特性在大多數(shù)情況下是非線性的，只有在

17、微小的范圍內(nèi)呈線性，光敏電阻器的電阻值有較大的離散性（電阻變化、范圍大無規(guī)律）。光敏電阻器的靈敏度是指光敏電阻器不受到光照是的電阻值（暗阻）和受到光照時(shí)電阻值（亮阻）的相對變化值。光敏電阻的暗阻和亮阻間阻值之比約為1500：1，暗阻值越大越好，使用時(shí)給其施加直流或交流偏壓，MG型光敏電阻器適用于可見光。其主要用于各種自動(dòng)控制電路、光電計(jì)數(shù)、光電跟蹤、光控電燈、照相機(jī)的自動(dòng)暴光及彩色電視機(jī)的亮度自動(dòng)控制電路等場合。4.1.3 駐極體話筒駐極體話筒具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、電聲性能好、價(jià)格低的特點(diǎn)，廣泛用于盒式錄音機(jī)、無線話筒及聲控等電路中。如圖4-3所示。屬于最常用的電容話筒。由于輸入和輸出阻抗很高

18、，所以要在這種話筒外殼內(nèi)設(shè)置一個(gè)場效應(yīng)管作為阻抗轉(zhuǎn)換器，為此駐極體電容式話筒在工作時(shí)需要直流工作電壓。圖4-3 駐極體話筒高分子極化膜上生產(chǎn)時(shí)就注入了一定的永久電荷(Q)，由于沒有放電回路，這個(gè)電荷量是不變的，在聲波的作用下，極化膜隨著聲音震動(dòng)，因此和背極的距離也跟著變化，也就是說極化膜和背極間的電容是隨聲波變化。我們知道電容上電荷的公式是Q=C·U，反之U=Q/C也是成立的。駐極體總的電荷量是不變，當(dāng)極板在聲波壓力下后退時(shí)，電容量減小，電容兩極間的電壓就會(huì)成反比的升高，反之電容量增加時(shí)電容兩極間的電壓就會(huì)成反比的降低。最后再通過阻抗非常高的場效應(yīng)將電容兩端的電壓取出來，同時(shí)進(jìn)行放大

19、，我們就可以得到和聲音對應(yīng)的電壓了。由于場效應(yīng)管是有源器件，需要一定的偏置和電流才可以工作在放大狀態(tài)，因此，駐極體話筒都要加一個(gè)直流偏置才能工作。駐極體話筒由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分組成。聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動(dòng)膜。它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜。然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷。膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通。膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開。這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個(gè)電容。當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動(dòng)時(shí)，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓。駐極體膜片與金屬極板之間的電容量比較小，一般為幾十pF。

20、因而它的輸出阻抗值很高(Xc=1/2tfc)，約幾十兆歐以上。這樣高的阻抗是不能直接與音頻放大器相匹配的。所以在話筒內(nèi)接入一只結(jié)型場效應(yīng)晶體三極管來進(jìn)行阻抗變換。場效應(yīng)管的特點(diǎn)是輸入阻抗極高、噪聲系數(shù)低。普通場效應(yīng)管有源極(S)、柵極(G)和漏極(D)三個(gè)極。這里使用的是在內(nèi)部源極和柵極間再復(fù)合一只二極管的專用場效應(yīng)管。接二極管的目的是在場效應(yīng)管受強(qiáng)信號(hào)沖擊時(shí)起保護(hù)作用。場效應(yīng)管的柵極接金屬極板。這樣，駐極體話筒的輸出線便有兩根。即源極S，一般用藍(lán)色塑線，漏極D，一般用紅色塑料線和連接金屬外殼的編織屏蔽線。駐極體話筒與電路的接法有兩種：源極輸出與漏極輸出。源極輸出類似晶體三極管的射極輸出。需用

21、三根引出線。漏極D接電源正極。源極S與地之間接一電阻Rs來提供源極電壓，信號(hào)由源極經(jīng)電容C輸出。編織線接地起屏蔽作用。源極輸出的輸出阻抗小于2k，電路比較穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)范圍大。但輸出信號(hào)比漏極輸出小。漏極輸出類似晶體三極管的共發(fā)射極放入。只需兩根引出線。漏極D與電源正極間接一漏極電阻RD，信號(hào)由漏極D經(jīng)電容C輸出。源極S與編織線一起接地。漏極輸出有電壓增益，因而話筒靈敏度比源極輸出時(shí)要高，但電路動(dòng)態(tài)范圍略小。Rs和RD的大小要根據(jù)電源電壓大小來決定。一般可在2251k間選用。例如電源電壓為6V時(shí)，Rs為47k，RD為2。2k。圖3輸出電路中，若電源為正極接地時(shí)，只須將D、S對換一下，仍可成為源、漏

22、極輸出。一聲控電路前置放大級(jí)中駐極體話筒的源極輸出和漏極輸出的兩種不同的接法，最后要說明一點(diǎn)，不管是源極輸出或漏極輸出，駐極體話筒必須提供直流電壓才能工作，因?yàn)樗鼉?nèi)部裝有場效應(yīng)管4.2 元件清單表4-1第5章 調(diào)試與檢測5.1 調(diào)試打開電源，給系統(tǒng)加上激勵(lì)信號(hào)源（如系統(tǒng)的啪手聲、打擊聲），用眼睛直接觀察燈泡是否亮和按時(shí)熄滅。強(qiáng)光下，用手在麥克風(fēng)附近拍打，看發(fā)光二極管是否發(fā)光。若燈亮了，則應(yīng)該用2中的方法來判斷故障部位，并加以改正。用手遮住光敏電阻，還是用手在麥克風(fēng)附近拍打，看等是否亮，若亮了，再觀察它到底能夠亮多久，若不能夠準(zhǔn)確定時(shí)40秒鐘，要及時(shí)修改元件參數(shù)，讓其準(zhǔn)確定時(shí)。在有光照射條件下，無論外界有沒有聲音信號(hào)，測量三極管Q1的集電極C應(yīng)為低電平，集成電路U1A的1腳為低電平，3腳輸出高電平，4腳輸出低電平，則二極管D1把電流隔離，可控硅沒有得到高電平觸發(fā)信號(hào)，開關(guān)不導(dǎo)通，燈不亮；外界無光照條件下，有聲音時(shí)，集成電路U1的1腳和2腳都為高電平，3腳輸出低電平，11腳為高電平，可控硅獲得高電平觸發(fā)信號(hào)，開關(guān)導(dǎo)通，燈亮，延時(shí)一段時(shí)間后能自動(dòng)熄滅，達(dá)到以上要求，說明電路已調(diào)試成功。5.2 故障檢測直觀檢查