声光控灯设计..

学号2011301716

毕业设计说明书

设计题目声光控灯设计

系部机械电子系

专业机电一体化

班级 1107

姓名杨政伟

指导教师白金柯

2013年 11 月 04 日

摘要

光控灯和声光控灯是居家照明的重要组成部分（如楼道、卫生间、小巷等），它们的出现使我们的生活方便许多，既可避免摸黑找开关造成的摔伤碰伤，又可杜绝楼道灯有人开、没人关浪费能源的现象。

介绍了用三极管和与非门芯片实现光控灯和声控灯的原理，重点介绍了二者的实现方法和具体细节，及制作过程中遇到的问题和相应的解决方案。

关键词：光控灯、声控灯、光敏电阻、麦克风、导通、截至、

Abstract

Optically controlled lamp and acoustic control lamp play an important role in our daily life(like in corridor,toilet,alleyway and so on).They make our life more covenient.By use of them,we can not only protect ourselves from the hurt that maybe caused in looking for the switches of lights in the dark,but also eliminate the phenomenon that someone turn on the light but nobody turn off to avoid the waste of resources.

It introduces the principle of how to use dynatrons and a nand gate chip to achieve the purpose that control the lights by light and sound,and specially stresses the ways and concrete details about how to use them to achieve the purpose and the solutions of the problems that will be met in the process of making it.

Key words: Optically controlled, acoustic control, mircphone, light dependent resistor breakover, cutoff

目录

引言 (5)

第一章声光控灯基本元件介绍 (6)

1.1电容 (6)

1.2光敏电阻 (7)

1.3晶闸管 (8)

1.4与非门 (9)

第二章光控的基本概述 (10)

2.1光控基本原理 (10)

2.2光控的总体实现 (11)

2.3光控的总结 (11)

第三章声控的基本概述 (12)

3.1声控的基本原理 (12)

3.1.1实际电路 (12)

3.1.2光控电路 (13)

3.1.3声控电路 (14)

3.1.4延时电路 (15)

3.2声控的的总体实现 (16)

3.3电路调试 (16)

3.4声控的总结 (17)

谢辞 (1)

参考文献 (2)

引言

随着现代科学技术的发展，越来越多的高科技节能产品出现在我们生活的方方面面，声控灯、光控灯是居家照明的重要组成部分，光控灯是由光控开关和LED灯组合而成。声控灯由麦克风，放大电路和LED灯组成。在地球资源日渐衰竭的今日，环保、节能是当今各产业发展的重心，尤其是需要消耗大量电力的照明产业，基于此目的的研发工作更是趋向环保、节能的特性上著眼。因此，开发新型高效、节能、寿命长、环保的电路对居家照明节能具有十分重要的意义。由此声控、光控LED灯的诸多优点在现在正逐渐取代传统的照明设备，是照明产品的新兴光源，有「绿色照明」光源之称，未来将光芒耀眼，发展潜力无限。声控、光控LED具有节能、体积小、发热量低、寿命长、耗电量小、反应速度快、易控制等众多优点，极大的满足了人们日常生活的需要，因此十分被灯饰业者看好。

光控灯，安装方便，使用寿命长。集光学、材料和电路技术为一体组成的自动照明开关，白天或光线较强时，开关电路为自锁状态，LED灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，开关自动打开，LED灯亮，从而实现了白天自动熄灭夜间自动打开的目的，节省了人为的控制。

声光控集声控、光控、延时自动控制技术为一体,内置声音感应元件,光效感应元件,白天光线较强时，受光控自锁，有声响也不通电开灯；当傍晚环境光线变暗后，开关自动进入待机状态，遇有说话声、脚步声等声响时，会立即通电,亮灯，延时半分钟后自动断电；能延长灯泡寿命6倍以上，节电率达90％。

二者都为人们的日常生活提供诸多方便。

第一章声光控灯基本元件介绍

设计之前，先来熟悉下以前学过的基本电路器元件以及作用和使用场合和它们的一些基本用途。

1.1电容

(1)以uF為單位：電容容量1uF以上者，直接以數值標示容量，例如10000uF，3300uF。

(2)以pF為單位：第一位數與第二位數代表電容數值，第三個數字代表10的次方，亦即數值後面0的個數。例如電容容量標示為104者，代表10後面有四個0，亦即100000pF。

(3)以nF為單位：電容容量標示為100n代表100x10-9=10-7法拉，亦等於0.1x10-6法拉，所以等於0.1uF。

以上關係可以表示為1uF=103nF=106pF

其中：1法拉=103毫法=106微法=109纳法=1012皮法

字母表示法：1m=1000 uF 1P2=1.2PF 1n=1000PF

数字表示法：一般用三位数字表示容量大小，前两位表示有效数字，第三位数字是倍率。

如：102表示10×102PF=1000PF 224表示22×104PF=0.22 uF

作用

要说电容的作用，狭义的讲只有一个作用——储存和释放电荷。要说电容在电路中起的作用就多了，有：储能、滤波、谐振、移相（含无功补偿）、耦合（隔直）、积分和微分等等。

1、滤波电容

它并接在电路正负极之间，把电路中无用的交流电流去掉，一般采用大容量电解电容器，

也有采用其他固定电容器的。

2、退耦电容

并接于电路正负极之间，可防止电路通过电源内阻形成的正反馈通路而引起的寄生振荡。

3 、耦合电容

连接于信号源和信号处理电路或两级放大器之间，用以隔断直流电，让交流电或脉动信

号通过，使相信的放大器直流工作点互不影响。

4、旁路电容

并接在电阻两端或由某点直接跨接至共用电信为交直流信号中的交流或脉动信号设置一条通路，避免交流成分在通过电阻时产生压降。

5、中和电容

连接于三极管基极与集电极之间，用于克服三极管极间电容而引起的自激振荡。

6、槽路电容（调谐电容）

连接于谐振电路或振荡电路线圈两端的电容。

7、垫整电容

在电路在能使振荡信号的频率范围减小，而且显著提高低频端振荡频率的电容，它是与

槽路主电容串联的。

8、补偿电容

在振荡电路中，能使振荡信号的频率范围得到扩大的电容，它与主电容并联起辅助作用。

9、逆程电容

并接在行输出管集电极与发射极之间，用来产生行扫描锯齿波逆程的电容。

10、自举升压电容

利用其储能来提升电路由某的电位，使其电位值高于为该点供电的电源电压。

11、“S”校正电容

串接于偏转线圈回路中，用于校正两边延伸失真。

12、稳频电容

在振荡电路中，用来稳定振荡频率的电容。

13、定时电容

在 RC 定时电路中与电阻R 串联共同决定时间长短的电容。

14、降压限流电容

串接于交流电路中用于它对交流电的容抗进行分压限流。

15、缩短电容

这种电容是在UHF 高频头中为了缩短振荡电感的长度而串接的电容。

16、克拉泼电容

在电容三点式振荡电路中，串接在振荡电感线圈的电容，为了水运晶体管结电容的影响，

提高频率稳定性。

17、锡拉电容

在电容三点式振荡电路中，并接在振荡电感线圈两端的电容，为了消除晶体管结电容的

影响，使其振荡频率越就越容易起振。

18、加速电容

接在振荡反馈电路中，使正反馈过程加速，提高振荡幅度。

1.2光敏电阻

文字符号：“RL”、“ RG”或“R”结构——通常由光敏层、玻璃基片（或树枝防潮膜）和电极等组成的。

特性——光敏电阻器是利用半导体光电导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（明暗）变化而变化。它在无光照射时，呈高

阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。

作用与应用——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动调节,照相机的自动曝光控制等）及各种测量仪器中。

光敏电阻器种类：

1）按制作材料分类：多晶和单晶光敏电阻器，还可分为硫化镉（CdS）、硒化镉(CdSe) 、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb) 光敏电阻器等。

2）按光谱特性分类：

● 可见光光敏电阻器：主要用于各种光电自动控制系统、电子照相机、光报警等地。

● 紫外光光敏电阻器：主要用于紫外线探测仪器。

● 红外光光敏电阻器：主要用于天文、军事等领域的有关自动控制系统。

光敏电阻器的主要参数

1）亮电阻（kΩ）：指光敏电阻器受到光照射时的电阻值。

2）暗电阻(MΩ)：指光敏电阻器在无光照射（黑暗环境）时的电阻值。

3）最高工作电压(V)：指光敏电阻器在额定功率下所允许承受的最高电压

4）亮电流：指光敏电阻器在规定的外加电压下受到光照射时所通过的电流。

5）暗电流(mA)：指在无光照射时，光敏电阻器在规定的外加电压下通过的电流。 6）时间常数（s）：指光敏电阻器从光照跃变开始到稳定亮电流的63％时所需的时间。

7）电阻温度系数：指光敏电阻器在环境温度改变1℃时，其电阻值的相对变化。

8）灵敏度：指光敏电阻器在有光照射和无光照射时电阻值的相对变化。

1.3晶闸管

1,变流/整流.

2,调压.

3,变频.

4,开关（无触点开关）.

普通可控硅最基本的用途就是可控整流。大家熟悉的二极管整流电路属于不可控整流电路。如果把二极管换成晶闸管，就可以构成可控整流电路、逆变、电机调速、电机励磁、无触点开关及自动控制等方面。在电工技术中，常把交流电的半个周期定为180°，称为电角度。这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发

脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α；在每个正半周内可控硅导通的电角度叫导通角θ。很明显，α和θ都是用来表示可控硅在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。通过改变控制角α或导通角θ，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，实现了可控整流。可控硅的功用不仅是整流，它还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电，等等。

可能设备配置比较低端，没有励磁保护。

晶闸管也就可控硅。它是一种大功率的变流新器件，主要用于大功率的交、直流电之间的互相转换。

将交流变为直流，其输出的直流电压具有可控性。将直流变为交流则是电压的逆变，例如车载的逆变器将直流电变为交流供手机充电。

1.4与非门

三态门，是指逻辑门的输出除有高、低电平两种状态外，还有第三种状态——高阻状态的门电路高阻态相当于隔断状态。三态门都有一个EN控制使能端，来控制门电路的通断。可以具备这三种状态的器件就叫做三态(门,总线,......).

举例来说：

内存里面的一个存储单元，读写控制线处于低电位时，存储单元被打开，可以向里面写入；当处于高电位时，可以读出，但是不读不写，就要用高电阻态，既不是＋5v，也不是0v

计算机里面用 1和0表示是，非两种逻辑，但是，有时候，这是不够的，

比如说，他不够富有但是他也不一定穷啊，她不漂亮，但也不一定丑啊，处于这两个极端的中间，就用那个既不是＋也不是―的中间态表示，叫做高阻态。

高电平,低电平可以由内部电路拉高和拉低。而高阻态时引脚对地电阻无穷,此时读引脚电平时可以读到真实的电平值.

高阻态的重要作用就是I/O(输入/输出)口在输入时读入外部电平

第二章光控的基本概述

光控灯，即在有光或光照比较强的时候，发光二极管不发光，在无光照或者光照弱的情况下，发光二极管发光。

2.1 光控基本原理

要设计光控灯，首先要掌握光敏电阻的特性，光敏电阻又称光导管，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器,常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下（光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化），其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。经测量随着外部环境的改变，本次所用光敏电阻阻值的变化范围为2K-3M,即在有光照射时电阻阻值下降，无光照时阻值上升，根据这一特性可以控制三极管工作状态进而控制灯的亮灭的电路。

三极管工作状态分为放大、截止和饱和。当工作在放大区时，发射极正偏，集电极反偏；当工作在截止区时，发射极和集电极均反偏；当工作在饱和状态时，发射极和集电极均正偏。同时三级管有两种材料做成，一种为硅管，其正偏发射结导通电压为0.7V；一种为锗管，其正偏发射结导通电压为0.3V。三极管种类有NPN和PNP两种，本次课设用到的三极管为NPN型硅管9014和PNP型硅管9012。

将光敏电阻用做三极管9014的下偏置电阻，利用光敏电阻随外部光照的变化来控制三级管9014的工作状态，可以是三级管工作在截止和导通两种不同的状态，9012基极接至9014的发射极输出处，发射极接电源，集电极接输出LED灯，9012的工作状态受9014的控制，当有光照时，光敏电阻阻值降低，9014基极电压被拉低而截止，9012基极电压升高9012截止，LED灭；反之光敏电阻没有光照时，其阻值增大，9014基极电压升高并使其导通，9012基极电压降低，9012饱和导通。

2.2 光控的总体实现

经实测光敏电阻的阻值在有光照射

时大约在2K左右，无光照射时阻值大

约在3M左右，所以用R3、R4和一个开

关来代替光敏电阻，当开关拨向阻值在

R3时（无光照射时），发光二极管发光

（图中发光二极管三角形成红色），仿

真图如图1.3所示：仿真成功后，画出

PCB图，如图然后印制电路板、打孔、

插器件，完成实际电路，如图，之后对

电路进行调试。调试时用两节干电池作

为3V电源，检查电路焊接无误后接通

电源，灯不亮，将光

2.3光控的总结

以上光控电路主要是利用三极管的开关作用完成。由于刚开始没有计算好电源电压，在调试初期，接上了3节干电池导致了LED灯烧坏。在实际电路中灯的电压远远高于三极管的控制电压，如果还这样设计势必要烧坏三极管，在实际实现中可以采用耐压值比较高的晶闸管，或者用继电器间接实现对灯的亮灭控制。调试时发现电路的感光灵敏度不高，在很暗的时候灯才能亮，可以在光敏电阻哪里串联一个阻值适当的滑动变阻器，这样的话就可以调节光敏电阻的灵敏度了。声控灯很容易实现，这一部分设计为第二章的声控灯的实现提供了理论依据。

第三章声控的基本概述

实际生活中的声控灯是在光线很暗和有声音时候灯亮起来，延时一段时间后自动熄灭，在光线充足或没有声音的时则不会亮起，要达到这个效果，需要用到光控和声控两部分电路。

3.1 声控的基本原理

电路原理图如图2.1所示，电路由光控部分，声控部分，放大电路，CD4011与非门，延时部分和晶闸管（可控硅）组成。白天或夜晚光线较亮时光控部分将开关（晶闸管）自动关断，声控部分不起作用。当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分，电路能否接通取决于声音信号的强弱，当声强达到一定强度（不小于CD4011的开门电压）电路自动接通，点亮LED灯，并开始延时，延时时间到，开关自动断开，等待下一次声音信号触发。这样，该电路通过对环境声光信号的监测和处理，完成电路开断的自动开关控制。

3.1.1实际电路

电路中三极管在声音信号的触发下起着放大开关作用，电路也可以用运放或构成，运放的输出直接接到555芯片，由555芯片构成单稳态电路延时，但是这样不容易将光控功能加到其中，而且用到两个芯片，增加了成本。所以选择了一下电路。可以将本电路分为光控电路，声控电路，逻辑电平翻转及触发电路和延时电路几个基本电路：

3.1.2光控电路

如图2.2所示，由R4和R9组成，其中R9为光敏电阻，电路中晶闸管的通断，取决于控制信号的有无。光敏电阻R9的阻值随着光照强度的变化而变化，当光照达到一定强度时，其电阻值变小到与R4分压后使IC(a)2脚处于逻辑低电平，2脚所在的与非门被封死，这时不管有无声音信号输入，IC(d)11脚都是低电平，晶闸管正向阻断。随着光照强度的减弱，R9的阻值逐渐增大，2脚的电平逐渐上升，当2脚的电位上升到逻辑高电平后，即满足了开门条件，此时的声控开始起作用，3脚是否翻转只取决于IC(a)1脚电位（声控电路输入端）是否达到了逻辑高电平。

3.1.3声控电路

R1、R2、R3等组成，其中MK为声检测元件，当环境声音很弱时，三极管VT处于饱和状态，IC(a)1脚为低电平11亦为低电平，晶闸管阻断，当环境声音信号达到一定强度时，通过MK1拾音输出经C1耦合到VT的基极，使集电极即IC(a)1脚电位随声强而高低变化，当1脚处于高电平时，由于2脚早已处于高电平而满足了与非门翻转条件，3脚跳变为低电平。

麦克风的接收声音信号并将信号转化为电流信号（交流信号），使三极管VT由饱和状态转为截止状态，电阻很大，基本上为VCC电压值。所以在声音信号来到时会有三极管C极电压的跳变现象，如图2.3（a）。也正是由于这一现象使得声控功能得以实现。

如图2.4所示，由四二输入与非门IC(CD4011)及R7、R8等组成。图中看出白天或光线很亮时，与非门IC(a)的1脚为低电平,3脚输出为高电平，经过IC(b)、IC(c)、IC(d)的电平翻转，IC(d)11脚输出为低电平,晶闸管不被触发,灯不亮；当环境光线较暗使IC(a)的2脚为逻辑高电平时，为IC(a)的翻转提供了必要条件，IC(a)翻转与否受控于IC(a)1脚电平的高低（声控输入端）。当有声音信号输入使IC(a)的1脚为高电平时，输出3脚跳变为低电平，4脚跳变为高电平并经D1向C1充电，C3上的电压不断升高，当C3上的电压上升到IC逻辑高电平时,10脚变为低电平,11脚输出高电平，经R7加到晶闸管ｑ控制极，晶闸管ｑ被触发导通。

3.1.4延时电路

如图2.5所示，由R5、R6、C2、D1等元件组成。结合声控电路光控电路分析，当晶闸管q被触发导通时C1上的电压降低，MK1拾音器的灵敏度降低，VT重新饱和，3脚为高电平，4脚变为低电平，由于D1的隔离作用，C2上的电压仍维持8、9脚高电平，11脚也为高电平，C2上的电压通过R5、R6放电，直至C3上的电压降低至IC逻辑低电平时，11脚变为低电平，晶闸管q在正负极间的电压过零时被正向阻断，C2上的电压重新升高，MK1恢复拾音灵敏度，等待下一次声控信号的输入，IC 8、9脚电位从高电平降低为低电平的时间，即为开关接通的维持时间，由C2和R5、R6的数值确定.

3.2 声控的的总体实现

图2.1为声控灯的仿真图，其中用5mv的交流信号源作为声音信号，将其与开关J1一同串接进声控电路，开关闭合表示有声音信号；在光敏电阻下并接两个阻值不同的电阻，开关J2与大电阻的串接模拟光线较暗时候，开关J3与小电阻串接模拟光线亮的时候，当开关J1与开关J2均闭合时，表示光线较暗且有声音，此时灯亮。

3.3 电路调试

在板子完成后，对其进行功能测试，步骤如下：

1.断开光敏电阻，电容C1，与非门IC（a）的2脚为高电平，1脚为低电平，3脚输出为高电平，经IC（b）、IC（d）逻辑电平转换，IC 11脚输出为低电平，晶闸管q不被触发，灯不亮。

2.断开三极管VT的集电极或发射极，同时断开光敏电阻，与非门IC（a）1,2脚为高电平，3脚输出为低电平，经IC（b）、IC（d）逻辑电平转换，

IC 11脚输出为高电平，晶闸管q被触发，灯亮。综上两步调试，图2.4工作正常。

3.断开光敏电阻，接通电源，这时灯不亮。击掌触发声控电路，灯亮。经过一段时间延时，灯灭，说明图2.3和2.5工作正常。

4.最后检查光控电路，电路全部复位，接通电源，灯不亮。用深色物品将光敏电阻遮住，击掌触发声控电路，灯亮。至此电路调试完毕。

3.4 声控的总结

声控的制作过程花的时间较长，刚开始研究原理图时参看了好多资料，包括模电课本，数电课本，查阅了一些器件的用法，如晶闸管，之后对原理图进行了仿真，仿真过程中对麦克风和光敏电阻进行模拟，仿真成功后开始制作电路板，然后进行调试，在调试过程中发现了好多问题:电路没有焊好，有好几处虚焊的地方，芯片没有插好，晶闸管接反了，这些都导致电路没能完全工作，刚开始没有成功。本次课设中R为2M 固定电阻和1M的滑变，C为22uF的极性电容，延时时间理论上为44秒，而实际中为35秒左右，是因为开门晶闸管有一定的开门电压，同时与非门也有低电平限制，两者都限制了晶闸管的实际导通时间。

谢辞

这次课是我第一次完完全全自己做的，无论是原理图的研究，板子的布线还是最后的调试，都很用心，我想为自己喝彩。非常感谢我的指导老师白金柯，在我做板子最艰难的时候，白老师给了我及时的教导和亲切的鼓励，白老师的谆谆教诲让我可以毫无压力的遨游在知识的海洋里，再次感谢白老师。

非常感谢同学给我提供了很多方便，很感谢他们。长途跋涉，为的是到达终点的甘甜和芳香。论文写到这里，大学生活也要慢慢划上句号。从开学初的资料查找，论题选择，到中间的思索和写作，再到最后的修改和润色，这篇拙文就这样静静的躺在您的手里，只怪自己知识积淀的还不够深厚，但是还有很多人需要感谢，我真的心存感激。

感谢我的毕业设计指导教师---白金柯老师的谆谆教诲，感谢您在忙碌的教学工作和生活中抽出时间来给我们解答各种问题，悉心指导。

感谢所有教过、或者没有教过我们的全学院的老师，因为你们课堂上的指导和课外的交流，我们才可以学习到很多知识和做人的道理，为论文的写作做准备，为今后的人生做准备。

参考文献

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