楼道声光控灯及开关课程设计

课程设计

楼道声光控制灯

系别：电子工程系

班级：电信13-2

组员：杨芹周超周正霖

黄永杰格绒次里

唐兢杰湛清华

指导老师：蒋雪琴

目录

摘要 (3)

引言 (4)

第1章设计流程 (5)

第2章电源模块 (7)

电源电路的设计 (7)

电源电路的工作原理及相关参数的分析 (7)

电源电路的其他设计 (9)

第3章信号收集模块 (9)

光信号收集电路 (11)

光信号电路的设计 (11)

3.1.2 光信号电路的工作原理相关参数的分析 (11)

3.1.3 光信号电路相关参数的分析 (12)

声音信号收集电路 (12)

第4章信号处理模块 (14)

芯片TC4081BP的介绍 (14)

芯片TC4081BP的工作原理…………………………………………..14.

第5章延时模块 (16)

延时电路的设计 (16)

延时电路的工作原理 (16)

RC电路的放电过程 (17)

RC电路的时间常数 (17)

延时时间的可优化性 (18)

第6章被控制模块 (19)

被控制电路的设计 (19)

被控制电路相关参数的分析 (20)

6.2.1 相关元件介绍 (20)

总结 (24)

参考文献 (25)

摘要

声光双控延时开光不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公室、教学楼等公共场所，它具有体积小，外形美观，制作容易，工作可靠等优点，而且降低能耗，节约能源，注重环保是当今世界的主潮流。此外，它在一定的场所使用还可起防盗作用。它是公共场所照明开关的理想选择，被人们誉为“长明灯的克星”。

本次课程设计的是一个灵敏度较高的声光控制开关，行人只要拍个巴掌就能电路触发。本电路仅使用一只CMOS门电路TC4081BP、一个CRZ2-113F型小型驻极体式电容话筒、一个CdS型光敏电阻器以及若干电阻、电容配合就能将电路触发，使其导通，将电灯打开。它不需要发送关闭信号，由电路自身的延时电路将灯关闭。当灯被打开后，延时电路延时约25s 后将灯自动关闭。该电路还具有自动光控作用，在白天由光敏电阻器控制着电路。即使受到声音信号的触发，开关也不会打开。

在此电路的设计中，要注意三点，第一是要合理设计三极管的静态工作点，使之处于饱和或截止两状态；第二要调节好电位器，从而使声控开关和光敏电阻具有良好的灵敏度；第三要合理设定延时RC，实际和理论延时时间总会有差距的。

关键词：声光双控延时节电开光

引言

近年来，城市居民住宅越来越趋向高层化。高层建筑的一个不可忽略的问题是楼道等公用部分的照明问题。楼道照明灯如果能做到随手关灯，将是一个极大的能源消耗，以一栋六单元十二层楼房为例：每层安装一只15瓦的灯泡，就是72只灯泡，每小时耗电度。如果这些灯彻夜通明，一晚耗电10多度，一年就是4000多度。一般住户在开灯后往往忘了或不愿意再费事去专门关灯。感应式楼道照明开关是解决这个问题的一种简单方法。它可以在开灯后一定时间内自动熄灭。在白天，即使有人走过，楼道等也不会亮，可以达到节能的目的。声光双控延时开关体积小，外形美光，制作容易，且节能环保，是当今世界的主潮流。由于近年我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品的主要输出国之一。随着全球经济一体化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般照明电器产品生产大量向发展中国家转移，而中国又是一个比较适合的国家，一是中国具备生产这些产品的条件，而是劳动力成本比较低，从而使中国逐步成为照明电器产品出口大国。展望未来的国内市场，需求仍会呈逐年增长趋势。

所以我们小组设计一个声光双控延时开关来解决此浪费问题。夜晚，行人经过楼道出入口时，照明灯点亮25s后熄灭；白天，照明灯自动停止工作。

第 1 章设计流程

此设计是为了实现声控光控延时开关的功能。在白天时无论是否有声音，灯都不能被点亮，即白天时不需要光照，在夜晚当有声音产生时，灯被点亮，且在声音消失后，灯能够维持一段时间亮度，即在夜晚有人经过的时候，灯被点亮，并有足够的时间让人通过。

所设计的电路分为五个模块：电源模块，信号收集模块，信号处理模块，延时模块和被控制模块。(模块图如1-2)电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动三极管，芯片TC4081BP和灯。信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。声音信号收集模块将声音信号转变为音频电信号从而能够输入电路，起到控制开关的作用。光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起控制芯片的输入。信号处理模块即是芯片TC4081BP 对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用

于延时模块。延时模块是在信号处理模块的作用下工作，起到延时的作用。被控制模块在信号处理模块及延时模块的共同作用下工作，达到设计目的。

图 1-2

第2章电源模块

这一章详细介绍电源模块的电路设计，电路中各个器件参数确定的相关分析，其工作原理及其他类似的设计。为整个电路提供5V、12V的直流电源，是电路的动力来源。

2.1电源电路的设计

电源电路采用降压、整流、滤波和稳压的组合电路，将220V的交流电压变为5V和12V的直流电压。模块图如图 2-1

图 2-1

降压过程是将220V单相交流电压直接输入有一定匝数比的变压器，得到降压后的电压。然后将变压器副边的交流电压通过单相桥式整流电路，得到脉动系数较大的直流电压。为了减小电压的脉动，将经过整流桥整流后的直流电压通入由滤波电容构成的滤波电路，使输出较为平滑的电压。要得到稳定的直流电源需将滤波后的电压输入稳压电路。稳压电路由电阻稳压二极管构成，利用二极管的稳压特性，使得到不受电网电压波动和负载电阻变化影响的稳定性较高的直流电压。

2.2电源电路的工作原理及相关参数的分析

电源电路原理图：

图 2-2

为了得到5V 和12V 的直流电源，将220V 频率为50Hz 的单项正弦波交流电输入变压器，其原边与副边的比为12n n ，经过变压器得到2u = 2220u =1

2n n （2.2.1） 得到12n n =15

交流电2u 通入单项桥式整流电路经过全波整流得到平均值为()1O AV U =2u 的直流电压，其脉冲系数很大。单相桥式电路中的整流桥的二极管选用IN4007。然后将()1O AV U 的直流电压通入滤波进行滤波，可以得到平均值为()2O AV U =2u =18V 的直流电压。滤波电路中的电容为1C ，与1C 并联的负载为L R ，1C 的取值满足 L R 1C =（3~5）2

T (2.2.2) 得到1C =（3~5）2T 1L R ?

理想情况下可将交流分量全部滤掉，使输出电压仅为直流电压，然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后必会影响其滤波效果，要得到稳定的直流电源需将滤波后的电压输入稳压电路。

稳压电路中的稳压管Dz1选用稳压值为12V 的稳压二极管，其型号为2CW19；Dz2选用稳压值为5V 的稳压器二极管，其型号为2CW12

经过查阅电子元器件的手册，Dz2的最小工作电流为2min Z I =10mA 最打工作电流为2max Z I =45mA 内阻为2r ≦50Ω。R2和Dz2对Dz1的电压1Z U 进行分压，Dz2上

电压为2Z U ，则2R 上的电压为2R U

212R Z Z U U U =- (2.2.3)

221222R R Z Z U U U I R R -== (2.2.4)

2min 2max Z RZ Z I I I ≤≤

(2.2.5)

则得到2R 的阻值范围为 2222max 2min R R Z Z U U R I I ≤≤

（2.2.6）

所以Ω≦2R ≦700Ω，所以去2R =500Ω

查阅手册得到稳压管1Z D 的最小工作电流为1min Z I =5mA ，最大工作电流为1max Z I =17mA ，内阻为1r ≦35Ω.所以

1min 11max Z Z Z I I I ≤≤ （2.2.7）

()2111O AV Z R U U I R -= （2.2.8）

11212Z R R R Z I I I I I =-=- （2.2.9）

()21

2max 1min 1O AV Z Z Z U U I I R --≥ (2.2.10) ()21

2min 1max 1O AV Z Z Z U U I I R --≤ (2.2.11) ()21()2111max 2min 1min 2max O AV Z O AV Z Z Z Z Z U U U U R I I I I --≤≤++ (2.2.12) 所以120Ω≦1R ≦222Ω, 所以取1R =200Ω

根据电路图得到

1122//()L R R r r R =++ (2.2.13)

因此得到≦1C ≦，取1C =1uF

2.3电源电路的其他设计

此电源电路还有其他方式的设计。如图2-3

图 2-3

由于该电路所要求的电压值可以在一定的范围内波动，可以将220V交流电源通过整流桥后用两个阻值较大的电阻R1、R2进行分压，并用电容C在电阻R2上并联，对R2的电压进行滤波，最后在电容C形成上正下负的直流电压。R1、R2的取值应该较大，使得电路上的电流较小，其中R2上的电压值要考虑与R2并联的负载大小，在此次电路设计中，后面连接的被控制电路、芯片、声控、光控电路上的电阻连接起来大约为20K，所以取R2为20K，R1为150K,,则R2上分得的电压为U=×220(R2∥RL) ／(R2∥RL+R1) （）

第3章信号收集模块

光信号收集电路

3.1.1光信号收集电路的设计

对于光信号的设计，我们要求在白天与晚上R5与RG间的电压输出有很大的反差，在白天要求输出低电平，而在晚上要求输出高电平，所以必须要用光敏电阻RG。将光敏电阻RG与R5串联起来，所构成的电路图如下：

图 3-1

3.1.2 光信号电路的工作原理

表3-1 光敏电阻

型号最大电压

（VDC）最大功耗

（mw）

环境温

度

光谱峰

值

(nm)

亮电

阻

（K）

暗电阻

（M）

MJ20516250500-30~+7056051

表3-1

在白天光较强时，光敏电阻RG的阻值较低（约为Ω），在R5与光敏电阻的两端加有12V的电压，在白天我们要求此端输出低电平，则不管声控部分输出的是高电平或低电平，芯片TC4081BP最终都输出低电平，则使得控制电路的三极管不导通，继电器上无电流，由继电器的工作原理可知灯泡不亮。所以R5的阻值要远大于Ω，近似使得R5短路。

在晚上光线较暗时，光敏电阻RG的阻值变大（最大约为50MΩ），R5、RG串联对12V电压分压，在晚上我们要求此端输出高电平，若此时有声音即声控部分输出高电平，则芯片TC4081BP最终输出高电平，使得控制电路的三极管导通，继电器上有电流，由继电器的工作原理可知灯泡亮。若无声音，则声控部分输出低电平芯片TC4081BP最终输出高电平，灯泡不亮。所以R5的阻值要远小于50MΩ，这样晚上可认为电压全分与R5，RG短路。即控制灯泡在晚上无声时不亮。

3.1.3 光信号电路相关参数的分析

通过对光电路的工作原理分析我们要求R5阻值要远大于Ω，同时又要远小于50MΩ。

再由串联分压公式可知

(R5+RG)*I=Vcc （）所以

R5=Vcc/I—RG

由于在白天RG 约为Ω，晚上RG约为50MΩ，Vcc=12V

我们综合各种因素最终选择R5为1MΩ。

声音信号收集电路

声音信号收集电路的设计

图1 仿真声控部分原理图

顾名思义，声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启"，若干分钟后延时开关“自动关闭"。因此，整个电路整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元。

仿真电路原理如图1所示。在仿真当中，由于仿真软件的不熟，声音输入部分我们用开关代替，同样电容C2具有通交流阻直流的作用，由于声音输入相当于一个正弦信号输入。所以在仿真中，我们把麦克风用导线代替，电容也用开关代替。当外界有声音发出时，开关闭合，可使三极管VT瞬间截止，集成电路A 的2脚便通过电阻器R4连接12V电压正极，又因A的一脚在晚上也是高电压，便相继使A的3脚输出低电压，5脚和6脚也为低电压，4脚则输出高电压。该电压经二极管VD1正偏导通，向电容器C2充电，又使A的8脚和9脚为高电压，继续控制A的10脚输出低电压，12脚和13脚为低电压，11脚输出高电压。使三极管导通，便使继电器工作，开关闭合，从而驱动灯泡H放光。注：在仿真中灯泡我们用的是发光二极管（LED）。

当外界没有声音发出时，开关断开，三极管输入到集成电路A的2脚一个

低电平。又因A的一脚在晚上也是高电压，便相继使A的3脚输出高电压，5脚和6脚也为高电压，4脚则输出低电压。该电压经二极管VD1正偏导通，，又使A 的8脚和9脚为低电压，继续控制A的10脚输出高电压，12脚和13脚为高电压，11脚输出低电压。三极管不工作，继电器无法产生电流，继而无法导通开关，从而灯泡H不

第四章信号处理模块

4、1 芯片TC4081BP的介绍

TC4081BP是一种将四个基本二输入与非门电路集合在一起制成的集成电路，因此称为二输入四与非门集成电路。利用该集成电路既可以设计放大器，也可以设计振荡器，还可以设计控制开关，因此被广泛应用于各种电子设备中。另外，TC4081BP内部四个二输入与非门电路各自独立，实际中可选用其中一个，也可以四个全用，还可进行并联、串联应用，这又给我们的设计带来了极大的方便。

4、2 芯片TC4081BP的工作原理

TC4081BP的外形如图4-1所示，它是采用晶体管制造工艺在硅晶片上生产四个各自独立的二输入与非门电路，然后采用DIP-14标准封装而成的双列14脚直插式结构。

图4-1 图4-2 TC4081BP的14个引脚的排列、引脚名称及内部结构如图4-2所示，可以很清楚的看到四个二输入与非门相互独立，每个单独的与非门有两个输入端和一个输出端。四个与非门被集成后，TC4081BP的1脚、2脚、3脚属于第一个与非门电路，其中1脚的1IN1端为该与非门的输入端，2脚的1IN2端为该与非门的另一个输入端，3脚的1OUT端为该与非门的输出端；4脚、5脚、6脚属于第二个

与非门电路，其中4脚的2IN1端为该与非门的输入端，5脚的2IN2端为该与非门的另一个输入端，6脚的2OUT端为该与非门的一个输出端；8脚、9脚、10脚属于第三个与非门电路，其中8脚的3IN1端为该与非门的输入端，9脚的3IN2端为该与非门的另一个输入端，10脚的3OUT端为该与非门的一个输出端；11脚、12脚、13脚属于第四个与非门电路，其中11脚的4IN1端为该与非门的输入端，12脚的4IN2端为该与非门的另一个输入端，13脚的4OUT端为该与非门的一个输出端；7脚、14脚为TC4081BP的工作电源输入端，7脚位电源的负极Vss，14脚为电源的正极Vdd。

在TC4081BP中，每个与非门的两个输入端与一个输出端之间所呈现的关系

与非门集成电路是一种价格最低廉的集成电路，而且工作损耗小，适应电压范围宽，可在3~18V的范围内正常工作，因此得到广泛应用。

图 4-3 信号处理

第五章延时模块

延时电路的设计

根据电容的特性，电容两端的电压时缓慢变化的，譬如说：灯泡要通电，它的电压在通电一刻有0变为另一个值，如1V。但是由于其时缓慢变化的，即0~1V 中间的每一个值灯泡都经历过，突然的变化不会到时突变，时存在电容缓冲的。根据这一特性，将电容两端并联一个电阻，从而可以一个延时电路，即图中的由延时电阻器R6和延时电容器C2组成的延时电路。如图

5-1所示。

图 5-1 延时电路的原理图

延时电路的工作原理

灯泡H在晚上受声音控制发光后，若不再有响声输入到话筒B，三极管VT 又受R2、R3分压正偏导通，使A得3脚输出高电压，A的4脚输出低电压，二极管VD1无正偏截止。但是电容器C2正极电压不会很快降低，它通过电阻器R6放电。由于电阻器R6的阻值较大，电容器C2上所充的电需要一定时间才能放完。这样就使A的10脚保持为低电平，11脚保持为高电平，灯泡保持发光。只有等到电容器C2放点结束，使A的8脚，9脚将为低电平，10脚输出高电平，12脚、

13脚位高电压，11脚输出低电压后，通过三极管控制继电器的工作状态，以切断灯泡H 的电流回路，实现灯泡H 在延时亮一段时间后又自动熄灭，从而实现了延时功能。

RC 电路的放电过程

当电容C2已有电压U 0时，且二极管无正偏截止时，电容器立即对电阻R6

惊醒放电，放点开始时的电流为0U R ,放电电流的实际方向与充电时相反，放电时的电流i 与电容电压c u 随时间均按指数规律衰减为零，电流与电压的数学表达式为: 01t RC c u U e -??=- ??? （5.3.1）

0t RC U i e R

-= （5.3.2） 式中0U 为电容器的初始电压。放电时i 和c u 的变化曲线如图5-2所示。

图 5-2 RC 放电时电压和电流的而变化曲线

RC 电路的时间常数

RC 电路的时间常数用t 表示， t RC =,t 的大小决定了电路充放电时间的快