1、武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書摘要聲光雙控延時開光不僅適用于住宅區(qū)的樓道，而且也適用于工廠、辦公室、教學(xué)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，而且降低能耗，節(jié)約能源，注重環(huán)保是當(dāng)今世界的主潮流。此外，它在一定的場所使用還可起防盜作用。它是公共場所照明開關(guān)的理想選擇，被人們譽為“長明燈的克星” 。本文闡述了簡單的聲、光同時控制的路燈電路的制作。該電路能自動控制白天開關(guān)、夜晚亮燈、人走燈滅。具有靈敏、低耗、性能穩(wěn)定、使用壽命長、節(jié)能等特點。選擇聲敏傳感器、光敏傳感器作為基本元件。綜合了聲、光和延時控制、工作穩(wěn)定、節(jié)電并可延長燈泡壽命。光敏傳感器,聲控傳感器兩種傳感器形

2、成了聲控、光控兩種控制的電路。利用布局和布線規(guī)則完成了電路板的制作。實現(xiàn)了電子開關(guān)的兩種控制，實驗結(jié)果實現(xiàn)了燈的控制。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：聲光雙控延時節(jié)電武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書目錄摘要.1 總體電路設(shè)計. 12 各模塊設(shè)計. 12.1 電源模塊. 12.2 信號收集模塊. 32.2.1 光信號收集電路的設(shè)計. 32.2.2 光信號電路的工作原理. 32.3.1 聲音信號收集電路的設(shè)計. 524 信號處理模塊. 62、4、1芯片 TC4081BP 的介紹. 62、4、2芯片 TC4081BP 的工作原理. 62.5 延時模塊. 82.5.1 延時控制電路. 82.5.2RC 電路的放電過

3、程. 92.5.3 RC 電路的時間常數(shù). 102.6 被控制電路. 112.6.1 電路工作原理. 113 電路仿真及 PCB 圖. 124 總結(jié)體會. 145 參考文獻. 15武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書1聲光雙控節(jié)能電子開關(guān)設(shè)計聲光雙控節(jié)能電子開關(guān)設(shè)計1 總體電路設(shè)計所設(shè)計的電路分為五個模塊：電源模塊，信號收集模塊，信號處理模塊，延時模塊和被控制模塊。 (模塊圖如1-2)電源模塊為整個電路提供穩(wěn)定的直流電源，使驅(qū)動三極管，芯片 TC4081BP 和小燈。信號收集模塊分為聲音信號收集模塊和光信號收集模塊。 聲音信號收集模塊將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l電信號從而能夠輸入電路， 起到控制開關(guān)的作

4、用。 光信號收集模塊將光強度的改變轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱母淖儯c聲音信號一起控制芯片的輸入。信號處理模塊即是芯片 TC4081BP 對聲音，光信號導(dǎo)致的電信號的改變進行處理，從而驅(qū)動被控制電路，并作用于延時模塊。延時模塊是在信號處理模塊的作用下工作，起到延時的作用。圖 1-1 聲光雙控電路框圖2 各模塊設(shè)計2.1電源模塊電源電路采用降壓、整流、濾波和穩(wěn)壓的組合電路，將 220V 的交流電壓變?yōu)?5V 和 12V 的直流電壓。模塊圖如圖 2-1電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路圖2-1武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書2降壓過程是將 220V 單相交流電壓直接輸入有一定匝數(shù)比的變壓器，得到降壓后的電壓。然

5、后將變壓器副邊的交流電壓通過單相橋式整流電路，得到脈動系數(shù)較大的直流電壓。為了減小電壓的脈動，將經(jīng)過整流橋整流后的直流電壓通入由濾波電容構(gòu)成的濾波電路，使輸出較為平滑的電壓。要得到穩(wěn)定的直流電源需將濾波后的電壓輸入穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路有電阻個穩(wěn)壓二極管構(gòu)成，利用二極管的穩(wěn)壓特性， 使得到不受電網(wǎng)電壓波動和負載電阻變化影響的穩(wěn)定性較高的直流電壓1、 整流橋簡介圖 2-2 橋式二極管整流電路整流橋就是將整流管封在一個殼內(nèi)了.分全橋和半橋.全橋是將連接好的橋式整流電路的四個二極管封在一起.半橋是將兩個二極管橋式整流的一半封在一起,用兩個半橋可組成一個橋式整流電路,一個半橋也可以組成變壓器帶中心抽頭的全

6、波整流電路, 選擇整流橋要考慮整流電路和工作電壓.整流橋堆一般用在全波整流電路中，它又分為全橋與半橋。全橋是由 4 只整流二極管按橋式全波整流電路的形式連接并封裝為一體構(gòu)成的，圖是其外形。 全橋的正向電流有 0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A、35A、50A 等多種規(guī)格，耐壓值（最高反向電壓）有 25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V 等多種規(guī)格。武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書32 降壓濾波電路圖 2-3 降壓濾波電路由圖 2-3 中的電阻 R7、電容 C2 和穩(wěn)壓管 D6 組成。電路中燈泡也起到了

7、很重要的降壓作用。橋式整流電路輸出的脈動直流電壓經(jīng)過 R7 限流降壓，電容 C2 濾波，從而得到比較小的直流電壓加到穩(wěn)壓管 D6 上，獲得 12V 的直流電壓，作為控制電路的直流電源。2.2信號收集模塊2.2.1 光信號收集電路的設(shè)計對于光信號的設(shè)計，我們要求在白天與晚上 R5 與 RG 間的電壓輸出有很大的反差，在白天要求輸出低電平，而在晚上要求輸出高電平，所以必須要用光敏電阻 RG。將光敏電阻 RG 與 R5 串聯(lián)起來圖 2-42.2.2 光信號電路的工作原理在白天光較強時，光敏電阻 RG 的阻值較低（約為 1.2k） ，在 R5 與光敏武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書4電阻的兩端加有

8、12V 的電壓，在白天我們要求此端輸出低電平，則不管聲控部分輸出的是高電平或低電平，芯片 TC4081BP 最終都輸出低電平，則使得控制電路的三極管不導(dǎo)通，繼電器上無電流，由繼電器的工作原理可知燈泡不亮。所以R5 的阻值要遠大于 1.2k，近似使得 R5 短路。在晚上光線較暗時，光敏電阻 RG 的阻值變大（最大約為 50M） ，R5、RG 串聯(lián)對 12V 電壓分壓，在晚上我們要求此端輸出高電平，若此時有聲音即聲控部分輸出高電平，則芯片 TC4081BP 最終輸出高電平，使得控制電路的三極管導(dǎo)通，繼電器上有電流，由繼電器的工作原理可知燈泡亮。若無聲音，則聲控部分輸出低電平芯片 TC4081BP

9、最終輸出高電平，燈泡不亮。所以 R5 的阻值要遠小于 50M，這樣晚上可認為電壓全分與 R5，RG 短路。即控制燈泡在晚上無聲時不亮。2.2.3 光信號電路相關(guān)參數(shù)的分析通過對光電路的工作原理分析我們要求 R5 阻值要遠大于 1.2k，同時又要遠小于 50M。再由串聯(lián)分壓公式可知(R5+RG)*I=Vcc（2.1）所以R5=Vcc/IRG由于在白天 RG 約為 1.2k，晚上 RG 約為 50M，Vcc=12V我們綜合各種因素最終選擇 R5 為 1M。武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書52.3.1 聲音信號收集電路的設(shè)計圖 2-5 仿真聲控部分原理圖顧名思義，聲光控延時開關(guān)就是用聲音來控制開關(guān)

10、的“開啟，若干分鐘后延時開關(guān)“自動關(guān)閉。因此，整個電路整個電路的功能就是將聲音信號處理后，變?yōu)殡娮娱_關(guān)的開動作。明確了電路的信號流程方向后，即可依據(jù)主要元器件將電路劃分為若干個單元。仿真電路原理如圖 1 所示。在仿真當(dāng)中，由于仿真軟件的不熟，聲音輸入部分我們用開關(guān)代替，同樣電容 C2 具有通交流阻直流的作用，由于聲音輸入相當(dāng)于一個正弦信號輸入。所以在仿真中，我們把麥克風(fēng)用導(dǎo)線代替，電容也用開關(guān)代替。當(dāng)外界有聲音發(fā)出時，開關(guān)閉合，可使三極管 VT 瞬間截止，集成電路 A的 2 腳便通過電阻器 R4 連接 12V 電壓正極，又因 A 的一腳在晚上也是高電壓，便相繼使 A 的 3 腳輸出低電壓，5

11、腳和 6 腳也為低電壓，4 腳則輸出高電壓。該電壓經(jīng)二極管 VD1 正偏導(dǎo)通，向電容器 C2 充電，又使 A 的 8 腳和 9 腳為高電壓，繼續(xù)控制 A 的 10 腳輸出低電壓，12 腳和 13 腳為低電壓，11 腳輸出高電壓。使三極管導(dǎo)通，便使繼電器工作，開關(guān)閉合，從而驅(qū)動燈泡 H 放光。注：在仿真中燈泡我們用的是發(fā)光二極管（LED） 。當(dāng)外界沒有聲音發(fā)出時，開關(guān)斷開，三極管輸入到集成電路 A 的 2 腳一個武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書6低電平。又因 A 的一腳在晚上也是高電壓，便相繼使 A 的 3 腳輸出高電壓，5 腳和 6 腳也為高電壓，4 腳則輸出低電壓。該電壓經(jīng)二極管 VD1

12、正偏導(dǎo)通， ，又使 A的 8 腳和 9 腳為低電壓，繼續(xù)控制 A 的 10 腳輸出高電壓，12 腳和 13 腳為高電壓，11 腳輸出低電壓。三極管不工作，繼電器無法產(chǎn)生電流，繼而無法導(dǎo)通開關(guān)，從而燈泡 H 不24信號處理模塊2、4、1芯片 TC4081BP 的介紹TC4081BP 是一種將四個基本二輸入與非門電路集合在一起制成的集成電路，因此稱為二輸入四與非門集成電路。利用該集成電路既可以設(shè)計放大器，也可以設(shè)計振蕩器，還可以設(shè)計控制開關(guān)，因此被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。另外，TC4081BP 內(nèi)部四個二輸入與非門電路各自獨立，實際中可選用其中一個，也可以四個全用，還可進行并聯(lián)、串聯(lián)應(yīng)用，這又給

13、我們的設(shè)計帶來了極大的方便。2、4、2芯片 TC4081BP 的工作原理TC4081BP 的外形如圖 2-6 所示，它是采用晶體管制造工藝在硅晶片上生產(chǎn)四個各自獨立的二輸入與非門電路， 然后采用 DIP-14 標(biāo)準(zhǔn)封裝而成的雙列 14 腳直插式結(jié)構(gòu)。武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書7圖 2-6圖 2-7TC4081BP 的 14 個引腳的排列、 引腳名稱及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2-6 所示， 可以很清楚的看到四個二輸入與非門相互獨立， 每個單獨的與非門有兩個輸入端和一個輸出端。四個與非門被集成后，TC4081BP 的 1 腳、2 腳、3 腳屬于第一個與非門電路，其中 1 腳的 1IN1 端為該與非門

14、的輸入端，2 腳的 1IN2 端為該與非門的另一個輸入端，3 腳的 1OUT 端為該與非門的輸出端；4 腳、5 腳、6 腳屬于第二個與非門電路，其中 4 腳的 2IN1 端為該與非門的輸入端，5 腳的 2IN2 端為該與非門的另一個輸入端，6 腳的 2OUT 端為該與非門的一個輸出端；8 腳、9 腳、10 腳屬于第三個與非門電路，其中 8 腳的 3IN1 端為該與非門的輸入端，9 腳的3IN2 端為該與非門的另一個輸入端， 10 腳的 3OUT 端為該與非門的一個輸出端；11 腳、12 腳、13 腳屬于第四個與非門電路，其中 11 腳的 4IN1 端為該與非門的輸入端， 12 腳的 4IN2

15、端為該與非門的另一個輸入端， 13 腳的 4OUT 端為該與非門的一個輸出端；7 腳、14 腳為 TC4081BP 的工作電源輸入端，7 腳位電源的負極 Vss，14 腳為電源的正極 Vdd。在 TC4081BP 中，每個與非門的兩個輸入端與一個輸出端之間所呈現(xiàn)的關(guān)系見表 1。第一個輸入端（1 腳）第二個輸入端（2 腳）輸出端（3 腳）011101001110表中以 TC4081BP 的第一個與非門為例， “0”表示低電壓， “1”表示高電壓與非門集成電路是一種價格最低廉的集成電路，而且工作損耗小，適應(yīng)電壓武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書8范圍寬，可在 318V 的范圍內(nèi)正常工作，因此得到廣

16、泛應(yīng)用。圖 2-8信號處理2.5 延時模塊2.5.1 延時控制電路圖 2-9 延時控制電路延時控制電路的工作原理：見圖 2-9 的電路圖，在白天時，與非門 U1A 的輸入端 1 腳為低電平，則 3 腳被鎖定為高電平，與 2 腳的輸入高低電平無關(guān)，所以電路封鎖了聲音通道，使聲音信號不能通過，即燈泡亮滅不受聲音控制。這時，門 U1A 的 3 腳輸出的高電平經(jīng)過門 U1B、U1C、U1D 三次反相后成低電平，晶閘管武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書9D7 無觸發(fā)信號不導(dǎo)通，燈不亮。當(dāng)在夜晚同時有聲音信號時，與非門 U1A 的輸入端 1 腳和 2 腳都為高電平，則其輸出為低電平，再經(jīng)與非門 U1B 反

17、相輸出高電平，通過隔離二極管 D1 給電容 C3 充電，當(dāng) C3 充電電壓達到與非門 U1C 的閾值電平時，使與非門 U1D 輸出高電平，通過 R5 觸發(fā)可控硅 D7 使其導(dǎo)通，主回路便有較大的電流通過白熾燈使其發(fā)光。當(dāng)聲音消失后，與非門 U1A 的輸入端的 2 腳變?yōu)榈碗娖剑瑒t其輸出端為高電平，從而使與非門 U1B 輸出為低電平，因 D1 的阻斷作用，電容 C2 只能通過 R5 緩慢放電，經(jīng)過大約 1 分鐘下降到與非門 U1C 的閾值電壓以下， 使與非門 U1D 輸出低電平， 當(dāng)交流電過零點時， 可控硅自動關(guān)斷，白熾燈熄滅。延時時間理論值為：t=2RC=210uF1M62.8S2.5.2RC

18、 電路的放電過程當(dāng)電容 C2 已有電壓 U0時，且二極管無正偏截止時，電容器立即對電阻 R6驚醒放電，放點開始時的電流為0UR,放電電流的實際方向與充電時相反，放電時的電流i與電容電壓cu隨時間均按指數(shù)規(guī)律衰減為零，電流與電壓的數(shù)學(xué)表達式為:01tRCcuUe（2.5.1）0tRCUieR（2.5.2）式中0U為電容器的初始電壓。放電時i和cu的變化曲線如圖 2-10 所示。武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書10圖 2-10RC 放電時電壓和電流的而變化曲線2.5.3 RC 電路的時間常數(shù)RC 電路的時間常數(shù)用t表示，tRC,t的大小決定了電路充放電時間的快慢。對于充電而言，時間常數(shù)t時電容電

19、壓cu從零增長到 63.2%US所需而當(dāng)時間；對放電而言，t是電容電壓cu從0U下降到 36.8%0U所需的時間。R6 的阻值為 250K，C2 為 100uF,則有6*2tRC6*2tRC=250K*100uF=25s所以延遲時間為 25s武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書112.6被控制電路2.6.1 電路工作原理圖 2-11被控制電路被控制電路三極管 T2、繼電器 H、LED 燈 D3、電阻 R8、R9，二極管 D2 組成，在這部分電路中，繼電器和三極管相當(dāng)于一個開關(guān)，可開通或關(guān)斷燈泡連接的 5伏直流電源， 。當(dāng)三極管 T2 處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)時，集電極電流驅(qū)動繼電器 H 動作，開關(guān)閉合，

20、燈泡回路導(dǎo)通，此時在燈泡回路中，電流從直流電源沿電阻 R8繼電器中的開關(guān)LED 燈 D3，最后流回直流電源，就這樣燈泡亮也。當(dāng)三極管 T2 處于截止?fàn)顟B(tài)時，繼電器 H 中無電流通過，故而繼電器開關(guān)無法動作，導(dǎo)致燈泡回路開路，無電流通過，LED 燈 D3 不亮。繼電器 H 中開關(guān)動作受三極管 T2 控制，當(dāng)三極管 T2 處于飽和狀態(tài)時，其集電極有電流通過，從而驅(qū)動繼電器 H 中的開關(guān)動作，燈泡回路導(dǎo)通；而當(dāng)三極管T2 處于截止?fàn)顟B(tài)時，其集電極無電流通過，繼電器中無電流通過，其開關(guān)無法動作，燈泡回路關(guān)斷。三極管 H 是處于飽和導(dǎo)通還是處于截止斷開，則由其基極 B 控制。當(dāng) B 極電壓處于高電平時，

21、其值高于集電極 C 的電壓，而且大于三極管 T2 的開啟電壓 Uon,武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書12三極管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，集電極上的繼電器中有電流通過；當(dāng)基極 B 處于低電平狀態(tài)時，其值小于三極管開啟電壓 Uon，三極管處于截止?fàn)顟B(tài),其集電極中無電流，三極管這個“開關(guān)處于斷開狀態(tài)。二極管 D2 的作用是保護繼電器。 當(dāng)三極管 T2 飽和導(dǎo)通時， 繼電器中有電流通過，此時是二極管 D2 相當(dāng)于開路，對電路無影響， ；當(dāng)三極管在轉(zhuǎn)換到截止?fàn)顟B(tài)的瞬間，由于繼電器中含有電感元件，那么必然會在此刻產(chǎn)生極大的電流，如果不加二極管 D2，電路可能會因電流過大而損壞，而加上二極管后，電流改變流向，通

22、過二極管 D2 和繼電器中的電感組成的回路完成放電過程，不會損壞電路。3 電路仿真及 PCB 圖電源模塊為整個電路提供穩(wěn)定的直流電源，使驅(qū)動三極管，芯片 TC4081BP 和小燈。信號收集模塊分為聲音信號收集模塊和光信號收集模塊。聲音信號收集模塊將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l電信號從而能夠輸入電路，起到控制開關(guān)的作用。光信號收集模塊將光強度的改變轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱母淖儯c聲音信號一起控制芯片的輸入。信號處理模塊即是芯片 TC4081BP 對聲音，光信號導(dǎo)致的電信號的改變進行處理，從而驅(qū)動被控制電路，并作用于延時模塊。延時模塊是在信號處理模塊的作用下工作，起到延時的作用。被控制模塊在信號處理模塊及延時模塊的共同

23、作用下工作，達到設(shè)計的目的。武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書13圖 3-1 聲光控制樓道開關(guān)電路原理圖圖 3-2PCB 圖武漢理工大學(xué)能力拓展訓(xùn)練設(shè)計報告書144 總結(jié)體會在這段時間里的設(shè)計中，我做的課題是“聲光控制樓道開關(guān)” 。這是一種聲音和光照雙控制的照明燈，它可以用于樓梯，過道，庫房的場合。白天光照好，不管過路者發(fā)出多大聲音，都不會使燈泡發(fā)亮。夜晚光暗，電路的拾音器只要檢測到有碎發(fā)聲音，就會自動為行人照明，過一會兒后有自動熄滅，節(jié)能節(jié)電。這次的聲光控延時開關(guān)的設(shè)計實踐將我們學(xué)到的只是應(yīng)用到了實踐， 深化了對數(shù)字電路設(shè)計和模擬電子設(shè)計的認識，使我們在設(shè)計的實踐中獲得新知。學(xué)習(xí)了一年的理論知識和實踐操作，