简易声光控照明电路设计论文.docx
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简易声光控照明电路设计论文
简易声光控延时照明电路
xxx
指导教师xxx讲师
摘要本文介绍了用光敏电阻、麦克风、三极管和555芯片实现光控、声控和延时功能的原理,重点介绍了实现方法和具体细节,及验证过程中遇到的问题和解决方法。
关键词光控灯;声控灯;导通
1设计任务及主要技术指标和要求
1.1设计任务
设计一个简易声光控延时照明电路。
该电路能够实现两级控制照明灯的亮灭,并且照明灯点亮一段时间后能够自动判断。
第一级为光控制,第二级为声控制,第一级优先于第二级。
1.2设计要求
(1)要求电路能够通过照明灯开关对光线强弱的感应,控制照明灯第一级开关。
(2)要求电路能够通过照明灯开关对声强的感应,在第一级开关开通的前提下,控制照明灯的亮灭。
(3)要求电路能够实现照明灯点亮时间T后自动关断,并且时间T可手动调节。
(4)要求电路如果在照明灯点亮期间又有新的声源出现,照明灯重新开启通电时间T。
(5)根据上述要求选定设计方案,画出系统框图,写出详细的设计过程。
(6)利用CAD软件画出一套完整的设计电路图,并列出所有的元件清单。
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,环保和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于环保和节能。
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,因此被灯饰业者十分看好。
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,开关断开,LED灯不亮,当光线黑暗时或晚上来临时,开关闭合,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,有声响也不导通;当傍晚环境光线变暗后,遇有说话声、脚步声等声响时,会立即通电亮灯,延时后自动断电;能延长灯泡寿命6倍以上,节电率达90%。
本文的主要内容包括:
通过模拟电子技术的学习,提出了一种基于晶体三极管工作状态的系统设计方法,结合光敏电阻的随着外部环境的阻值改变的特性,给出光控灯的设计方案,在此基础上结合数字电子技术的优点,引入声控电路,同时实现声控和光控,以下给出详细的设计过程。
3工作原理及电路总体说明
电路采用声光两级控制照明电路。
电路对光线强弱的感应控制照明灯的第一级开关,对声强的感应控制第二级开关。
对于声强的监测是利用MIC的特性,即当其接收到足够的声强时,产生一个脉冲波,从而把声信号变为电信号,通过对声强信号的处理可得一个电平信号,为控制电路准备。
延时控制功能通过555定时器构成的可重复触发单稳态电路来实现。
光信号的感应通过光敏二极管来实现,使得光控电路在光强时输出低电位,光弱时输出高电位。
将光控电路的输出作为555定时器的复位端输入,将声控输出端作为延时电路的输入,从而可以实现在光线强的情况下,即使有足够强的声信号,照明灯电路也不工作。
而在光线弱的情况下,可以通过声信号来控制照明。
4电路组成及设计步骤
4.1光控控制电路
电路图如图所示:
图1光控控制电路
光线强时,光敏电阻RL的阻值变小,RL导通,555定时器的复位端4至于低电平;光线弱时,光敏电阻RL的阻值变大,R8导通,555定时器的复位端4至于高电平。
光控控制电路对电路起总控制作用。
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。
4.2声控控制电路
电路图如图所示:
图2声控控制电路
MIC接收到足够的声强时,电路产生谐振并输出一个微弱脉冲,从而将声音信号转换为电信信号。
MIC输出信号是一个非常微弱的信号,为了后续电路能够对声强信号进行处理,必须加入信号放大电路。
图中所示信号放大电路是由电阻R1—R4、T1、T2和C1—C3构成,电路中采用了双三极管构成的放大电路,这样可以使电路的放大的倍数比单管当打电路的倍数增加b倍,从而得到适合的信号。
R2和R3为放大电路的集电极偏置电阻,C1和C2为放大电路的滤波电容。
R1和R4为放大电路的反馈电阻,它们的功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电压,C3的作用是减小电路中加入反馈电阻对放大倍数的影响。
电路中的延时控制电路一般采用电平信号触发,因此有必要对放大的交流信号进行整流。
上图中采用了由C4、D1和D2构成的倍压整流电路,倍压整流电路不但能够完成整流的任务,同时还可以将输出电压增大一倍,这样当MIC接受到了足够大的胜强后,声强信号处理电路通过放大和整流就输出了一个高电平信号V。
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,本次课程设计用到的三极管为NPN型硅管9013和PNP型硅管9012。
[1]
4.3延时控制电路
电路如图所示:
图3延时控制电路[2]
延时控制电路包括两部分:
第一部分是由三极管构成的触发信号产生电路;第二部分是由555定时器构成的可重复触发的单稳态电路。
首先,声强信号处理电路的输出信号接V接三极管T3的基极。
因为MIC接收到了足够大的声强后,V为高电平,则三极管T3饱和,使三极管T3的集电极和发射极之间的Vce约为0.3V,Vce接入555集成电路的TRIG端作为触发电平。
555集成电路构成的可重复触发的单稳态电路处于稳态时,Vthr<(2/3)Vcc,Vtrig>(1/3)Vcc,Q=0,放电管导通。
当Vtrig=Vce=0.3V时,电路进入暂稳态,此时Q=1,放电管截止。
同时直流电源通过可变电阻R6对电容C5充电,使得Vthr的值渐渐上升,当Vthr的值大于(2/3)Vcc时,电路重新进入稳态,Q=0,放电管导通。
电路暂稳态的持续时间,即C5的充电时间取决于可变电阻R6和电容C5的数值,其计算公式为(设可变电阻R6=1M):
t=Tw=(1.1R6*C5=1.1*1000000*50)/1000000=55S
当MIC持续接收到足够大的声强时,那么V一直为高电平,T3始终饱和导通,Vce持续为0.3V,这样使T4始终导通,电容C5就可以T4进行放电,电路将无法对电容C5进行充电。
这样电路就一直处于暂稳态,知道声强信号消失,电路才能重新进入稳态,从而可以满足设计要求。
由于照明灯通过的是大电流,直流电源一般无法提供大电流和大功率,因此照明灯需要交流供电,因此电路中开关需要采用继电器电路。
而一般555定时器的输出无法驱动继电器,因此需要加入放大电路。
图中三极管T6构成电流放大电路。
T6为共集电极电路,当输入为高电平时,三极管到通并饱和,输出电流放大B倍,当输入为低电平时,三极管截止,没有电流通过。
继电器接T6的发射极,当电流驱动时,开关吸合,照明灯通电:
当没有电流通过时,开关断开,照明灯不通电,同时在继电器两端并联二极管以利保护。
延时控制电路的核心部分是555集成电路,555集成电路是一种非常有用的,并且应用十分灵活的集成电路。
555集成电路的引脚图和功能表如下图所示,集成电路共有8个引脚,引脚1为接地端,引脚8为电源端,引脚2为触发电平端,引脚3为输出端,引脚4为清零端,引脚5为控制电平端,引脚6为阀值输入端,引脚7为放电端。
从功能表中可以看出:
555集成电路通过改变THR和TRIG端的电压值,来影响输出端和放电短的状态;同时它还具有储存信号的功能,因此555集成电路的应用十分广泛。
需注意是控制电平端CV01t,当它接入任意电压Vcv01t时,THR和TRIG端的变化分界点就不再是(1/3)Vcc和(2/3)Vcc,而是(1/2)Vcv01t和Vcv01t。
555集成电路的引脚图
阀值输入THR
触发输入TRIG
复位端
输出端Q
放电管DIS
任意值
任意值
0
0
导通
<(2/3)Vcc
<(1/3)Vcc
1
1
截止
>(2/3)Vcc
>(1/3)Vcc
1
0
导通
<(2/3)Vcc
>(1/3)Vcc
1
不变
不变
555集成电路的功能表
4.4总电路图
图4总电路图
5设计所用器材
表1元件清单表
符号
类别
数目
R1
300K
1
R2—R5
4K
4
R6
可变电阻1M
1
R7
10K
1
R8
20M
1
RL
光敏电阻1K
1
D1—D3
二极管IN4148
3
T1,T2,T3,T5
三极管9013
4
T4
三极管9012
1
C1
4.7uF
1
C2—C4
10uF
3
C5
47uF
1
C6
0.01uF
1
U1
NE555
1
MIC
麦克风
1
RELAY
继电器
1
LED
发光二极管
1
6小结
通过本次对简易声光控延时照明电路的设计,我得到很大的收获。
首先,培养了自己思考、分析、设计、制作和检查电路的能力。
从设计构思到画电路图,再到连接电路板,没有想象中的容易,设计思路和实际电路会有很大差距,设计构想简单但调试却耗时很久,可知调试的难度是很大的,考验了自己的耐心和分析能力,可见理论联系实际的重要性。
其次,掌握并巩固了知识点,查阅了许多关于电子设计方面的参考资料。
通过课程设计,我学会了充分利用图书馆资源和网络资源进行自主学习研究,对常见的集成电路器件的功能和引脚接法有了进一步的了解和认识。
这让我明白了阅读查找文献的重要性,平时多积累知识,真正到了用的时候,才会得心应手。
还学会了团结协作精神。
本次课程设计实验由我和xxx共同完成,经过大量的讨论和试验的磨合,互相吸取经验,才成功实现实验结果。
最后,最要感谢的是耐心指导我们课程设计实验的xxx老师,老师的教导使我接触并熟识了模拟电子技术基础的理论知识,老师的指导使我懂得理论与实际联系的重要性,提高了思考分析能力,得到很大的收获。
参考文献
[1]童诗白,华成英主编.模拟电子技术基础(第四版).高等教育出版社
[2]胡烨,姚鹏翼,江思敏编著.Protel99SE电路设计与仿真教程.机械工业出版社
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