聲光雙控照明燈

1、第1章 緒論1.1 設計背景由于近年來我國的照明器材行業(yè)的迅速崛起，中國已經成為電光源產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)相繼進入國內產銷領域，使得國內競爭國際化。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)能光源產品的開發(fā)推廣和應用是我國目前照明器材行業(yè)結構調整的重點。我國照明器材行業(yè)將面臨著前未有的機遇和挑戰(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。生產企業(yè)適應新標準的要求，為各類照明場所提供相應的產品。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，我們的產品與國際先進水平相比還存在較 大差距。另外，如果大量劣質低價產品出口，還會遭遇反傾銷訴訟，從而影響全行業(yè)出口，因此我們仍要大聲疾呼，質量是企業(yè)的生命。我國目前已成為世界照明電器產品生產大國，我們的目標是要成為照明電器產品生產強國，我們與發(fā)達國家在照明電器產品的質量、檔次、生產工藝、設備、材料以及新產品開發(fā)能力等方面均存在明顯差距。看到我們取得成績的同時，也能清醒地認識我們存在的差距，才能不斷地進步。據中國照明學會調查資料表示：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計；全國每年單節(jié)能燈市場的

3、總額在120億以上，同時每年城市化的進程在以6%的速度增長。據國家電光源質量監(jiān)督檢驗中心介紹，我國已成為世界最大的節(jié)能燈生產國和出口國，生產的節(jié)能燈質量逐年穩(wěn)步提高。2005年以來節(jié)能燈質量抽查產量合格率達到80以上。消費者使用節(jié)能燈既節(jié)能又省錢。1.2 設計目的隨著社會不斷進步，科技發(fā)展，聲光雙控照明燈逐步走進社會各個公共角落，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，適合于各種樓房走廊的照明設備。用聲光控延時開關代替住宅小區(qū)的樓道上的開關，在天黑以后，當有人走過樓梯通道，發(fā)出腳步聲或其它聲音時，樓道燈

4、會自動點亮，提供照明，當人們進入家門或走出公寓，樓道燈延時幾分鐘后會自動熄滅。在白天，即使有聲音，樓道燈也不會亮，它解決了“長明燈”浪費電能的問題，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、極易產生熱量的電源變壓器，具有結構簡單、自耗電輕微、性能穩(wěn)定、靈敏度高、通用性強，降低能耗、節(jié)約能源的目的。1.3 設計意義通過這次的設計我們希望在理清它的發(fā)展脈絡上進一步了解它的發(fā)明原理，將平時所學習的知識運用到實驗探索上，這對提高我們的動手能力，創(chuàng)新意識，及鍛煉思維活動無疑是一個莫大的幫助。同時我們也希望這次的設計能夠進一步地了解照明燈，而不是僅局限與課本知識以內。從小的突破點入

5、手，掌握又一項科技知識，從而實現課堂外的又一次提高,為現代教育科學盡一份力量！第2章 基本原理2.1 工作原理本電路系統對220V交流電壓進行整流，輸出DC9V電壓提供給聲控、光控及延時電路，由這三部分電路控制燈泡自動亮滅。如圖2-1所示：圖2- 1 系統框圖聲光控開關的電路原理圖如圖2-2所示。電路中的主要元器件是使用數字集成電路CD4011，其內部含有4個獨立的與非門D1D4，使電路結構簡單，工作可靠性高。當聲音信號(腳步聲、掌聲等)由駐極體話筒BM接收并轉換成電信號，經C1耦合到VT的基極進行電壓放大，放大的信號送到CD4011中的與非門D2的2腳，R4、R7是VT的偏置電阻，C2是電源

6、濾波電容。 為了使聲光控開關在白天開關斷開，即燈不亮，由光敏電阻RG等元件組成光控電路，R5和RG組成串聯分壓電路，夜晚環(huán)境無光時，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，可改變延時時間，滿足不同目的。CD4011中的D3和D4構成兩級整形電路，將方波信號進行整形。當C3充電到一定電平時，信號經與非門D3、D4后輸出為高電平，使單向可控硅導通，電子開關閉合；C3充滿電后只向R8放電，當放電到一定電平時，經與非門D3、D4輸出為低電平，使單向可控硅截止，電子開關斷開，完成一次完整的電子開關由開到關的過程。二極管VD1VD4將220V交流進行橋式整流

7、，變成脈動直流電，又經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 單元電路設計圖3-1是聲光雙控節(jié)能燈開關電路原理方框，在設計過程中我們可以分析設計部分電路。圖3-1 原理框圖3.1 聲控電路當BM獲取到聲音信號后，其會轉換成電信號，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和電子學的原理即用聲音傳感器將聲音信號轉換成電信號從而推動觸發(fā)器觸發(fā)使電路導通工作。作為一個智能化聲控照明電路應具有

8、能在聲音的控制下實現電路的導通與截止，聲音的發(fā)出應是多方面的如腳步聲物體打擊聲等，響應時間越短越好等功能。為此在選擇電路元器件時應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，同時我們還要為該傳感器設置傳感條件如聲音響度必須在20DB以上才能響應等。中間端采用觸發(fā)器構成，利用觸發(fā)器不觸不發(fā)，一觸即發(fā)的特點去推動照明電路工作，觸發(fā)器的選擇也應選擇靈敏度高，響應時間短的觸發(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換為直流電能的電路。大多數整流電路由變壓器、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

9、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個二極管接成電橋使在Ul的正負半周的電壓經過兩只二極管交替導通，即在負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，交流電在一個周期內有兩個半波電流以相同方向通過負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，是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）。在光線較暗時

10、，光敏電阻呈高阻態(tài)；在光線較亮時，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度的變化而阻抗發(fā)生變化的特點，去控制電信號的強弱，再由傳感器將變化的電信號傳遞給觸發(fā)器，只要電信號強度達到一定程度將觸發(fā)觸發(fā)器使其導通工作。光控照明電路其主要功能是實現當外界光照強度降低到一定程度時，使照明電路導通工作。就其方案而言多種多樣，但我們在設計時必須要考慮方案的可行性，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現

11、，為此我們在設計光控電路時，不但要盡量使電路結構簡化，而且要使電路功能強，功能的實現要可靠穩(wěn)定。 3-4延時電子開關電路延時電子開關電路它是用電路中送入的信號進行控制電路的設備。其作用是用送進來的信號去控制電路，使電路達到延時的效果。聲光雙控電路是聲、光控開關的組合。它是利用駐極體話筒是否采集到聲音信號，光敏電阻感應光線的明暗來改變信號的高低電平，以達到控制電路輸出高低電平的目的，再利用穩(wěn)壓管高電平導通的原理來控制燈泡的亮滅。如圖2-3所示延時電子開關電路由二極管 VD5、電容C3、電阻R8、晶閘管VT和集成芯片CD4011組成。此部分電路圖如圖3-5所示：圖3-5 延時部分電路圖工作原理：延

12、時電路的設計主要由C3和R8組成。當夜晚有響聲（如腳步聲、說話聲等），駐極話筒會接收到信號并通過三極管VT對其進行放大之后送到CD4011的1腳，同時光敏電阻這時也呈高阻態(tài)并送入CD4011的2腳，經與非關系后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導通對C3充電。最終芯片11腳輸出高電平去控制晶閘管導通點亮燈泡L。在此期間同時通過VD5對C3快速充電，充電電流大，充電時間很短，快速將C3上電壓充滿，C3上所得的電壓經R8對晶閘管VT的T、K級慢慢放電，此時就算沒有響聲燈泡仍然點亮，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

13、元器件的選擇4.1元件選擇4.1.1 CD4011芯片結構與原理CD4011BC是一個集四個2輸入與非門電路為一體的芯片，CD4001BC和CD4011BC四門是整體的補充MOS(CMOS)集成電路以N-和P-channel增強模式晶體管。他們有同樣的源與匯電流能力和符合標準系列輸出驅動。這個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。這個系列的邏輯門用磷和氮頻道增強模式在一個單一的整體結構的裝置。使用他們主要是為了節(jié)省功率耗散和有較高的抗噪能力。CD4011芯片內部結構如圖4-1所示。圖4-1 CD4011內部結構圖CD4011的功能：四個

14、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）又稱光導管（photoconductor），常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、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。這是由于光照產生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔

15、向電源的負極，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光電效應。在半導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體。通常采用涂敷、噴涂、燒結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密封殼體內，以免受潮影響其靈敏度。入射光消失后，由光子激發(fā)產生的電子空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。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，電流

16、就會隨光強的增大而變大，從而實現光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數目的多少。光敏電阻對光線十分敏感，其在無光照時，呈高阻狀態(tài)，暗電阻一般可達1.5M。當有光照時，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情況下是非線性的，只有在微小的范圍內呈線性，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）和受到光照時電阻值（亮阻）的相對變化值。光敏電阻的暗

17、阻和亮阻間阻值之比約為1500：1，暗阻值越大越好，使用時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控制電路、光電計數、光電跟蹤、光控電燈、照相機的自動暴光及彩色電視機的亮度自動控制電路等場合。4.1.3 駐極體話筒駐極體話筒具有體積小、結構簡單、電聲性能好、價格低的特點，廣泛用于盒式錄音機、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，所以要在這種話筒外殼內設置一個場效應管作為阻抗轉換器，為此駐極體電容式話筒在工作時需要直流工作電壓。圖4-3 駐極體話筒高分子極化膜上生產時就注入了一定的永久電荷(Q)，由于沒有放電回路，這

18、個電荷量是不變的，在聲波的作用下，極化膜隨著聲音震動，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=CU，反之U=Q/C也是成立的。駐極體總的電荷量是不變，當極板在聲波壓力下后退時，電容量減小，電容兩極間的電壓就會成反比的升高，反之電容量增加時電容兩極間的電壓就會成反比的降低。最后再通過阻抗非常高的場效應將電容兩端的電壓取出來，同時進行放大，我們就可以得到和聲音對應的電壓了。由于場效應管是有源器件，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直流偏置才能工作。駐極體話筒由聲電轉換和阻抗變換兩部分組成。聲電轉換的關鍵元

19、件是駐極體振動膜。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電容。當駐極體膜片遇到聲波振動時，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產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。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。所以在話筒內接入一只結型場效應晶體三極管來進行阻抗變換。場效應管的特點是輸入阻抗極高、噪聲系數低。

20、普通場效應管有源極(S)、柵極(G)和漏極(D)三個極。這里使用的是在內部源極和柵極間再復合一只二極管的專用場效應管。接二極管的目的是在場效應管受強信號沖擊時起保護作用。場效應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，信號由源極經電容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，動態(tài)范圍大。但輸出信號比漏極輸出小。漏極輸出

21、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，信號由漏極D經電容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要高，但電路動態(tài)范圍略小。Rs和RD的大小要根據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，Rs為47k，RD為2。2k。圖3輸出電路中，若電源為正極接地時，只須將D、S對換一下，仍可成為源、漏極輸出。一聲控電路前置放大級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，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，因為它內部裝有場效應管4.2 元件清單表4-1第

22、5章 調試與檢測5.1 調試打開電源，給系統加上激勵信號源（如系統的啪手聲、打擊聲），用眼睛直接觀察燈泡是否亮和按時熄滅。強光下，用手在麥克風附近拍打，看發(fā)光二極管是否發(fā)光。若燈亮了，則應該用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，若不能夠準確定時40秒鐘，要及時修改元件參數，讓其準確定時。在有光照射條件下，無論外界有沒有聲音信號，測量三極管Q1的集電極C應為低電平，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，開關不導通，燈不亮；外界無光照條件下，有聲音時，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，開關導通，燈亮，延時一段時間后能自動熄滅，達到以上要求，說明電路已調試成功。5.2 故障檢測直觀檢查法 電阻法 電壓法