声光双控延时开关电路的设计与制作

电工电子技能训练

总结报告

项目名称：声光双控延时开关电路的设计与制作所在学院：矿业技术学院

姓名：杜奕飞

同组成员：郭恩博杜奕飞王界骄王鹏刘毅

指导教师：宋绍楼毛姣姣施泽勇

训练地点：静远218

完成时间：2017年7月2日

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。

关键词：变压；整流；滤波；稳压；检音、感光；放大；整形；延时可调。

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目录

1 市场同类产品综述 (3)

2 设计方案及原理分析 (3)

主要电子元器件清单 (3)

CD4011构成的声光控延时开关参考电路 (4)

工作原理 (4)

3 电路制作及调试、试验 (9)

灯一直不亮 (9)

灯常亮不熄 (9)

实际操作 (9)

4 技术经济分析 (9)

5 总结 (10)

6 参考文献 (10)

1 市场同类产品综述

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。

2 设计方案比较，电气原理图绘制，电路工作原理简要分析

主要电子元器件清单

续表

CD4011构成的声光控延时开关参考电路

工作原理

光敏电阻器是利用半导体光电效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光照强弱变化而变化。在无光照射时，它呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。常见的光敏电阻的外形，光敏电阻器通常由光敏层、玻璃基片(或树脂防潮膜)和电极等组成。光敏电阻广泛应用于各种自动控制电路（如自动照明灯控制电路、自动报警电路等）、家用电器（如电视机中的亮度自图1动调节，照相机中的自动曝光控

制等）及各种测量仪器中。声光控延时开关的电路原理图。电路中的主要元器件是使用了数字集成电路cd4011，其内部含有4个独立的与非门vd1～vd4，使电路结构简单，工作可靠性高。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，由此可画出图2所示的方框图。声音信号(脚步声、掌声等)由驻极体话筒b1接收并转换成电信号，经c1耦合到Q1的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门(U1A)的1脚，R2、R6是Q1偏置电阻，c2是电源滤波电容。为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻RL1等元件组成光控电路，R7和RL1组成交流24V声光双控延时开关电路串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，RL1两端的电压高，即为高电平s时t=2πr8c3，改变R3或C5的值，可改变延时时间，满足不同目的。U1C和U1D构成两级整形电路，将方波信号进行整形。当C5充电到一定电平时，信号经与非门U1C和U1D后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；C5充满电后只向R3放电，当放电到一定电平时，经与非门U1C和U1D输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。二极管d1～d4将交流24v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R9降压，c2滤波后即为电路的直流电源，为B1、Q1、IC等电路供电。为安全起见，当学生第一次调试该电路时，请使用交流24V的安全电压。当电路的功能调试完成并符合要求之后，只需把电阻R9换为83K，该电路就可用来控制交流220V电路中100W 以内的白炽灯，即可直接取代普通墙壁手动开关而不必更改原有照明线路。改造后的电路图如下图3所示。交流220V声光双控延时开关电路。

为此在选择电路元器件时应选择灵敏度较高的声音传感器组成声控电路控制电路的

前端，同时还要为该传感器设置传感条件如声音响度必须在20DB以上才能响应等。中间端采用触发器构成，利用触发器不触不发，一触即发的特点去推动照明电路工作，触发器的选择也应选择灵敏度高，响应时间短的触发器如D触发器，JK触发器等。光控电路光控电路的主要原理：利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定程度将触发触发器使其导通工作。

在这样的电路设计中，对电路元器件的要求也极为高，尤其是光敏元件。光敏元件是光控电路功能实现的核心，必须保证其各项参数的精确、稳定。

半导体光敏元件是基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光电敏感器。采用光、电技术能实现无接触、远距离、快速和精确测量，因此半导体光敏元件还常用来间接测量能转换成光量的其他物理或化学量。半导体光敏元件按光电效应的不同而分为光导型和光生伏打型（见光电式传感器）。光导型即光敏电阻，是一种半导体均质结构。光生伏打型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。半导体光敏元件的主要参数和特性有灵敏度、探测率、光照率、光照特性、伏安特性、光谱特性、时间和频率响应特性以及温度特性等，它们主要由材料、结构和工艺决定。半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通信、计算技术、摄像、夜视、遥感、制导、机器人、质量检查、安全报警以及其他测量和控制装置中。常见光敏元件有：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。

延时电路基本原理：从20世纪中后期数字电路的飞速发展到今天技术已越来越成熟。自从电子计数器的出现之后各式各样，功能万千的定时/计数器层出不穷。然而正是电子计数器的出现才使得电子技术的发展上了一个新的台阶。定时/计数这一功能在电子电路中的应用，使智能化电路的设计更加名副其实。我们常见的交通红绿灯，公园里的娃娃车等都是采用了定时计数技术的典型示例。我们大家都看过智力竞赛，都有知道抢答器，然而抢答器更是电子定时/计数

器的典型应用。虽然我们可以花几元钱就可以从街上买一个不错的抢答器，但要让我们自己动手做一个出来就不是一件容易的事的，它不仅只是我们所看到的结果能够抢答更为重要的是其功能的实现是集成了很多技术。如定时，锁存，显示等等，由此可见定时/计数器的应用不仅广泛，而且意义深远。

延时电路原理是利用了电子计数器的原理实现定时功能。延时电路其构成方案一般有三种，即硬件构成，软件构成和软硬相结合构成。

对于由硬件构成的定时器，一般是用改变R、C元件值控制定时的，其效率较高，但灵活性，通用性较差如555定时器；而由软件构成的定时器是用执行一段程序来实现定时的，其灵活性通用性较高，但效率较差；故现在设计定时器一般都是采用软硬相结合的方法集两者之长通过编程设定不同的延时常数，而由硬件控制定时过程，其效率和灵活性都得到了较大的提高。如大规模集成电路可编程计数器8253，51单片机通过编程构成计数器等。在一个实际的电路中延时不是主要目的，而主要目的是为了完善电路功能。故作

为一个延时电路，在整个电路中其应在延时结束后能发出一个结束信号，控制电路是否继续工作下去。

所以前述声控，光控电路尽管也能实现控制电路的功能，但其功能是不完善的，为此应对其进行改进有三种方案可行：①声控延时；②光控延时；③声光联控延时；此三种方案可用于不同的场合，现就第三种方案加以事例进行分析。

电路设计分析：该电路由电源电路、声电转换及放大电路、单稳态延时电路和光控电路组成。为

了确保用电安全，220V交流市首先经过1：1 隔离变压器，隔离变压器的初、次绕组级之间没有电的联系，次级任一线与大地之间没有电位差，所以人接触任一线不会触电。但如果同时接触两线也会触电。电路总体框架：

电源电路

电源电路由C1、Rl、VD、VS及C2组成。交流市电经C1电容降压，VD整流，VS稳压，再由C2滤波后供给整个电路工作。电路采用电容降压，与使用变压器相比，不但缩小了体积，杜绝了噪声，而且也减小了电路能耗。

声控电路

在本次试验设计中我重点做了声控方面的实验和研究，在选择器材的时候我经过研究比较最终选用了HTD烟点陶瓷片作为声电转换器材。

压电陶瓷片是一种结构简单、轻巧的电声器件，因具有灵敏度高、无磁场散播外溢、不用铜线和磁铁、成本低，耗电少、修理方便、便于大量生产等优点而获得了广泛应用。适合超声波和次声波的发射和接收，比较大面积的压电陶瓷片还可以运用检测压力和振动，工作原理是利用压电效应的可逆性，在其上施加音频电压，就可产生机械振动，从而发出声音。如果不断对压电陶瓷片施加压力它还会产生电压和电流。

压点陶瓷片有两种检测方法，第一种方法是将万用表的量程开关拨到直流电

压挡，左手拇指与食指轻轻捏住压电陶瓷片的两面，右手持万用表的表笔，红表笔接金属片，黑表笔横放陶瓷表面上，然后左手稍用力压一下，随后又松一下，这样在压电陶瓷片上产生两个极性相反的电压信号，使万用表的指针先向右摆，接着回零，随后向左摆一下，摆幅约为一，摆幅越大，说明灵敏度越高。若万用表指针静止不动，说明内部漏电或破损。切记不可用湿手捏压电片，测试时万用表不可用交流电压挡，否则观察不到指

针摆动，且测试之前最好用R×l0k挡，测其绝缘电阻应为无穷大。第二种方法是用R×10k 挡测两极电阻，正常时应为∞,然后轻轻敲击陶瓷片，指针应略微摆动。

根据换能器的功能压电陶瓷片大体上按照发射型,接收型,收发型来选用陶瓷,分别

对应pzt8,pzt5,pzt4，参数主要包括：d33,Fr,Fp,D,Cp0。陶瓷片的用量根据功率极限来算，一般为kHz/cm^3，厚度要根据响应或者灵明度来选取。

我们设计的声电转换及放大电路由HTD、V1、V2等组成。声控元件采用压电陶瓷片HTD，它对猝发声响极为敏感，作为声--电换能元件。它将声响信号转换为相应的电信号后，通过C3耦合至V1、V2组成的直耦式双管放大器进行放大。该放大器由R2、RPl提供偏流，调节RP1，可改变放大器的增益，用以控制声控灵敏度。R4为直流负反馈电阻，用来稳定工作点。C4为交流旁路电容，用以补偿放大器的交流增益，R3为放大器的输出直流负载电阻，放大后的负脉冲信号经C5去触发单稳态延时电路，达到控制负载的目的。

单稳态延时电路

单稳态延时电路由555时基集成电路、R6与C6组成延时回路。稳态时，555集成块3 输出端为低电平，当其2脚触发端得到一负脉冲触发信号时，电路即进入暂态，输出端3脚立刻翻转为高电平、触发双向晶闸管VT导通，灯泡EL发光。此后，电源经R6向C6充电，当C6端电位升至约2/3VCC电路又自动回复到初始稳定状态，3脚恢复低电平。此时，可控硅因失去触发电路而关断，灯泡熄灭，控制电路暂态结束，进入稳态，等待下一次触发脉冲。图中R5和RP2组成分压电路，为集成块的触发端提供一个开门阈值电平，调节RP2，使触发端2脚的电压略大于 1/3Vcc，迫使3脚输出低电平。当2脚一旦出现负脉冲信号时，单稳态电路即动作，适当调节RP2，也可改变控制灵敏度。

光控电路

光控电路由555时基集成电路、V4、晶闸管等组成。在白天，由于光照度较强，V4的e-c间呈低阻态，为V3提供了一个较大的偏置电流，使其饱和导通。此时，V3的集电极即555集成块的强制复位端4脚被强制为低电平，555集成块处于复位状态，使其输出端3脚恒为低电平，双向晶闸管因无触发电流而关断，灯泡EL不亮。因此，白天不管声控信号如何增强，555集成块的3脚始终为低电平，VTH关断，达到白天停止照明的目的。晚间，由于光线明显减弱，V4因无光照而使e-c间呈高阻状态，使V3截止，555集成块强制复位端4脚为高电平，555集成块退出复位状态，电路可受控制。改变R9的值，可以控制光控灵敏度。

因此，在设计时不仅须考虑方案的可行性、稳定性，还必须充分考虑元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的，这样电路的功能才能较容易实现。

3 电路制作及调试、试验

按照电路路来进行相对的焊接工作，并将其进行测试和调试，期间注意电解电容器的极性和三极管的管脚排列。压电陶瓷片要通过导线与电路板连接,注意在焊接压电陶瓷片时,时间不能太长以免烫坏压电陶瓷片的镀银层。

灯一直不亮

可能是灯泡坏掉，也可能是电源或控制电路出现故障。在确认灯泡正常下先检查C2

两端是否有10V以下直流电压，若没有就说明整流二极管出现故障，需对整流电路进行排障；若C2两端电压正常，在检查光敏电阻正常否，光敏电阻在无光照下阻值应在1M以上，有光照下只有数百欧姆，若不满足上述条件应更换光敏电阻；让光敏电阻无光照下对

CD4011四个与非门输入端依次加入触发信号，并用万用表监测期输出端电平是否改变，若不变，在其他元件正常下则说明芯片损坏；若芯片正常，就检查R3和可控硅是否异常；若对CD4011各输入端加入触发电平，CD4011能正常翻转且能点亮灯泡，则应检查话筒、C1、VT。

灯常亮不熄

首先应该想到这种情况主要是控制电路出现了问题，先检查可控硅是否损坏，若正常再检查VT有没有开路、R7阻值是否增大、VT5是否开路；若未发现异常，则可能CD4011内部损坏，用以上方法确认后予以更换；若芯片正常则检查电路有没有短路。

实际操作

1、在焊接R2时拿错了R6，幸好在焊接R6是发现并及时排除故障；

2、在焊接BM时导线裸露部分过长，并且导线也过长，导致安装不上，而后将BM下压缩短与板的距离时出现了裸露部分导线短路现象，不过有早观察到并更换导线；

3、缺乏焊接锻炼，为此在焊接过程比较生疏，焊点也不是焊得太好；

4 技术经济分析

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。

5 总结

在这段时间里的设计中，我做的课题是“声光双控延时开关电路”。这是一种声音和光照双控制的照明灯，它可以用于楼梯，过道，库房的场合。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会使灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声音，就会自动为行人照明，过一会儿后有自动熄灭，节能节电。

这次的声光控延时开关的设计实践将我们学到的只是应用到了实践，深化了对数字电路设计和模拟电子设计的认识，使我们在设计的实践中获得新知。学习了一年的理论知识和实践操作，我不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是我通过自己的独立动手，老师和同学的耐心知道下，我学会了分析电路、设计电路的步骤等。在此设计中利用到了三极管的特性，光敏效应，压电效应特别是芯片的一些功能，让我们进一步巩固和掌握了前面所学的基础知识，加深了对模拟电路，数字电路的理解，对元器件的使用更加深刻。

6 参考文献

[1] 龚华生. 实用电路创意制作自学通. 电子工业出版社，2006年

[2] 何小艇. 电子系统设计. 浙江大学出版社，2001年6月

[3] 韩振振. 数字电路逻辑设计. 大连理工大学出版社，2000年

[4]刘树林，高卫斌，低频电子线路，北京：电子工业出版社，2003。

[5]王成安，电子技术基本技能综合训练，北京：人民邮电出版社，2005。