第三组楼道开关电路设计(共26页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上2011 2012 学年 第 二 学期楼道路灯开关电路设计课 程 设 计 报 告题 目： 楼道路灯开关电路设计 专 业： 电气工程系自动化 _ 班 级： _ 姓 名： 指导教师： 电气工程系2011年5月12日任务书课题名称楼道路灯开关电路设计 指导教师（职称） 执行时间20112012学年 第 二 学期 第 14 周学生姓名学号承担任务设计目的掌握楼道路灯开关电路的工作原理，掌握其设计方法。设计要求设计一个路灯开关电路1、 声音能使路灯亮2、 灯亮20秒后自动熄灭3、 白天灯不亮 专心-专注-专业摘要在本设计楼道路灯开关电路设计电路由电源电路、声电转换电路、放大电路、处理电路、光电转换电路及控制电路组成，主要介绍了声光双控路灯控制器的性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，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。用声光双控路灯代替住宅小区楼道上的开关路灯，白天光照好，不管过路者发出多大声音，楼道灯也不会亮。夜晚光暗，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其他声音时，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时20秒后会自动熄灭。用声光双控路灯代替住宅小区楼道上的开关路灯，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其他声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控制路灯不仅适用于住宅的区的楼道，而且也适用于工厂，办公楼，教学楼等公共场目录插图清单插表清单第一章 绪论1.1概述 这周我们组需要设计的电路是楼道路灯声光控制路灯电路，在此电路中，我们希望达到的目的是，使电路能根据声音和光线的作用自动发光，并且自动熄灭。在白天强光照射时，电路中灯泡不发光；而晚上无灯光或被遮光，并且有声响时灯泡发光，且延续20秒后熄灭。此电路图的设计主要是基于用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，用途非常广泛。1.1.1课题的背景和意义在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。另外，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。用声光双控路灯代替住宅小区楼道上的开关路灯，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其他声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控制路灯不仅适用于住宅的区的楼道，而且也适用于工厂，办公楼，教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、注重环保是当今世界的主流，高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不欢迎但楼道照明却限制了荧光灯的使用，因为楼道照明是非持续性的，有人经过才需要光亮，而不断地开关通断会影响荧光灯的使用寿命，所以声光控制白炽路灯在楼道照明领域得到广泛应用。 声光双控路灯控制器，近年来被普遍使用于各种公共场所，国内外专家们也在不断研究更优、更节能的路灯控制方案。国内外不断有新的研究成果，比如太阳能景观路灯声光控制器，电源由太阳能电池供电，既可以解决广大农村地区乡、镇、村路灯照明需求，又可以当作一个景观，美化环境，而且节约了日趋紧张的能源；红外光控制的楼道路灯系统，其利用红外光控制技术，利用行人通过楼道时切断红外光，使路灯点亮，这种路灯控制电路无噪音污染；还有一些是LED灯，成本比普通灯要高几倍，但LED灯低能耗，节省能源，其应用已经成熟按目前并没有普及，目前国际有一些公司正致力于LED灯的生产应用。因为设计的声光双控灯也有一定的缺点，如果这座楼处于马路旁则汽车通过时的鸣笛声、甚至汽车通过时的声响就能将整座楼楼道内的声控灯全部触发，使所有的楼道灯都亮起来。这种现象可称为误触发或干扰触发，这对于某些应用场所是不允许的。为了不使电路发生误触发，在某些声控设备中采用了另一种声控电路，即超声波遥控电路。目前国内外有不断的新成果涌现，共同的目是节省能源，为人们提供更环保、舒适、可持续、和谐的生存环境。1.1.2小组的分工与合作参与本次设计首先通过在思考、设计、调试阶段，资料的收集与整理、，并在收集资料过程中，我在学校图书馆查阅了大量的文献，并综合网上发布的一些权威电路资料，对相关知识进行整合。最后在Multism71s中进行仿真。得到我们设计的楼道声控电路。最后完成这次课题设计。1.2设计思路本设计是为了实现声控光控延时的功能。在白天的时候无论是否有声音或者声音多大，灯泡都不可以被点亮。而小灯泡被点亮的条件是：一.黑暗条件，即使光敏电阻的阻值达到很高是输入端呈现高电平的状态；二.有声音输入，经过信号放大电路使第二个输入端呈现高电平状态。这样小灯泡就满足被点亮的条件，小灯泡被点亮。而在声音信号消失后，声控输入端呈现低电平状态，而小灯泡不会立即就熄灭，而是延时一段时间被熄灭，是因为电路中加有一个延时模块。加在电路上的一个电阻与电容后发生后续放点，而电量减少到一定的值后，电路熄灭。 所设计的电路分为四个模块：电源模块，信号接接收模块，信号处理模块，延时模块。电源模块是为了向整个电路中提供一个稳定的直流电源，其中有整流，滤波，稳压等几个部分。信号收集模块分为两个部分：一个是声音信号接收模块，另外一个是光信号收集模块。而且这两各模块是需要同时起作用的，即是晚上条件加上声音信号条件。声音接收模块是将声音信号转化为电压的改变，然后传送到TC1408BP芯片。而光信号是通过光敏电阻是输入端呈现高电平状态，然后传送个芯片，从而驱动被控电路，同时会作用于延时模块，而起到延时的目的。1.3电路工作流程图检测声音光检测放大控制门整形延时环节二次整形灯泡图 1-1 电路工作流程图第二章 电路设计2.1光控电路该电路主要由R4和光敏电阻R g组成，白天因光敏电阻R g受光线照射，电阻变小，使数码管的1B脚呈低电位，1Y的输出端为高电平，2Y输出为低电平，D4管截止，后面电路阻断，这时，无论有多大声响，灯都不会亮。到夜晚，R g的电阻随环境光线的减弱而增大，使数码管1B脚呈高电位，如果有声音的话，1A管脚呈高电平，与白天相反，2Y管脚输出为高电平，D4管会导通。若出现光控时间偏早或偏晚，调节R4阻值，使R g两端电压在阈值附近变化（即天黑亮灯前后）。图2-1 光控电路 2.1.1光敏电阻表2-1 光敏电阻 型号大电压（VDC）大功耗（MW）环境温度光谱峰值（nm） 亮电阻 （k） 暗 电阻（M）MJ20516250500-30+70560 5 1简介：在白天光较强时，光敏电阻RG的阻值较低（约为1.2K），在R4与光敏电阻两端加有电压，在白天我们要求此端输出的低电平不管声控部分输出的是高电平或者是低电平，芯片始终输出为低电平，从而使得灯泡不亮。所以R4的阻值要远大于1.2K，近似使得R4短路。在晚上光线较暗时，光敏电阻RG的阻值变大（最大约为50M），R4，RG串联分压，在晚上我们要求此端输出高电平，若此时有声音即声控部分输出高电平，则芯片最终为高电平，使得灯泡亮。若无声则声控部分为低电平，使得灯泡不亮。所以R4的阻值要小于50M，这样可以认为电压全部给了R5，RG短路，即光控部分为高电平，灯泡有声控部分控制。2.2声控电路 如图2-2，该电路主要由R1，C1，麦克风MIC以及辅助的基本放大电路R2，R3，T1组成。白天，因为光控电路阻断，所以，无论多大声响，灯都不会亮。到夜晚，光控电路导通，当人走动的脚步声传到麦克风MIC时，声波转换为电信号经三极管T1放大 ，使数码管脚1A的电位由低变高，1Y管脚输出低电平，2Y管脚输出高电平，D4管导通，然后向C2迅速充电到阈值电压，4Y输出高电平，可控硅导通，灯泡被点亮。若声控灵敏度偏低，可增大R1阻值，或换较高放大倍数的三极管。图2-2 声控模块2.2.1基本共射放大电路图为基本共射放大电路，晶体管使起放大作用的核心元件。输入信号Ui为正弦电压。 图2-3 基本共射放大电路 工作原理当输入信号Ui=0时，称放大电路处于静态。输入回路中，基极电源BB使晶体管的间电压BE大于开启电压on，并与积极电阻b共同决定积极电流IB；在输出回路中，集电极电源VCC应足够高，使晶体管的集电结反向偏置，以保证晶体管工作在放大状态，因此集电极电流ICB；集电极电阻C上的电流等于C，因而其电压为cb，从而确定了间的电压c eccCCO当输入信号Ui不为0时，在输入回路中，必将在静态的基础上产生一个动态的基极电流IB；当然也会在输出电路得到动态的电流Ic；集电极电阻C将集电极电流的变化转化为电压的变化，使得换压降UCE产生变化，管压降的变化就是输出动态电压o，从而实现了电压放大。直流电源cc为输出提供所需能量。由于图所示电路的输入回路与输出回路以发射级为公共端，故称之为共射放大电路，并称公共端为“地”。直流电源单独作用时晶体管的基极电流IB，集电极电流IC，b-e间的电压UBE，管压降UCE称为放大电路的静态工作点Q,常将这四个物理量记为IBQ，ICQ，UBEQ，UCEQ；在近似估算中，常认为UBEQ为已知量，对于锗管，取UBEQ为0.2V；对于硅管，UBEQ取0.7V。对于放大电路最基本的要求，一是不失真，而是能够放大。如果输出波形严重失真，所谓放大就毫无意义。因此，设置合适的静态工作点，以保证放大电路不产生失真使非常必要的。2.2.2阻容耦合放大电路在实用放大电路中，为了防止干扰，常要求输入信号，直流电源，输出信号均有一端接在公共端，基地端，称为共地。这样，将放大电路中的基极电源与集电极电源合二为一。图示为阻容耦合共射放大电路，图中电容C1用于连接信号源与放大电路，C2用于连接放大电路与负载，称为“耦合电容”。 图2-4 基本阻容耦合放大电路由于电容对直流量的容抗无穷大，所以信号源与放大电路，放大电路与负载之间没有直流量通过。耦合电容的容量应足够大，使其在输入信号频率范围内的容抗非常小，可视为短路，所以信号几乎无损失地加在放大管的基极与发射极之间。可见，耦合电容的作用是“隔直流，通交流。”令输入端短路可以求出静态工作点。静态工作点： ； ； 2.3延时电路延时电路主要由电容C2，电阻R5组成。当夜晚人走动时，灯路导通，2Y管脚输出高电平通过二极管D4向C2迅速充电；人过声息，2Y管脚输出电平变低，由C2电压 维持门G3输入的高电平，门G4输出状态不变，灯不熄。C2维持3A，3B输入为高电平，使4Y的输出状态不变，可控硅开关仍然导通，灯泡不熄灭。这时D4管隔离C2经R5缓慢放电，大约20S后，电压降到一定程度时，,3A,3B输入为低电平，使4Y输出低电平，可控硅开关截止，灯自动熄灭。若要变动延时的长短，可改变C2的容量或R5的阻值。人走灯熄的延时照明控制作用，从而达到节约电能延长使用寿命的图2-5 延时电路2.3.1 RC电路的放电过程 当电容C2已有电压U时 ，且二极管D4无正偏截止时，电容器立即对电阻R5放电，放点开始时的电流为UR，放电的实际方向与充电的方向相反，放电时的电流i与电容电压u随时间均按指数衰减为零，电流与电压的数学表达式 放电时电流电压的变化曲线：ut0图2-6 RC电路放电过程RC电路的时间常数RC电路的时间常数用t表示，t=RC，t的大小决定了电路充放电的快慢，对于充电而言，时间常数t为电容电压为u从零增长到63.2%U所需的时间。对放电而言，t是电容电压从 U下降到36.8%所需要的时间。 R5的阻值为2M，C2为10uF，延时时间 T 所以延迟时间为20s 延迟电路的优点 在电路中，延迟电路的时间是由电阻和电容协调控制的，可以通过改变电阻和电容的值来改变延迟的时间。而延迟电路的使用可以大大的节省电量，具有人性化设计，符合当代主流思想。2.4单相桥式整流电路单相桥式整流电路由四只二极管组成，其构成原则就是保证在输入电压US的整个周期内，负载上的电压和电流方向始终不变。为了达到这一目的，就要在US的正负半周内正确引导流向负载的电流。下图为单相桥式整流电路的习惯画法。 图2-7 单向桥式整流电路当输入电压US>0时，电流流向为 AD1RLD3B当输入电压US<0时，电流流向为 BD2RLD4A其输出电压的平均值 U O(AV) 输出电流的平均值（即负载电阻中的电流平均值） IO（AV）整流电路中二极管的选择，因为每只二极管只在输出电压US的半个周期内通过电流，所以每只二极管的平均电流只有负载电阻上电流平均值的一半，即 二级管管所能承受的最大反向电压 URMAX=考虑到电网电压的波动范围为10%，所以实际选用二极管时，应该至少有10%的余量，选择最大整流电流IF和最大反向工作电压URM分别为 IF> URM> 2.5滤波电路电容滤波电路使最常见也是最简单的滤波电路，在整流电路的输出端（即负载电阻的两端）并联一个电容即构成电容滤波电路，如下图。滤波电容容量较大，因而一般均采用电解电容，在接线时要注意电解电容的正负极。电容滤波电路利用电容的充放电作用，使输出电压趋于平滑。 图2-8 电容滤波电路2.6 稳压管稳压电路整流滤波电路输出的电压会随着电网电压的波动而波动，随着负载特性的变化而变化。为了获得稳定性好的直流电压，必须采用稳压措施。由稳压二极管DZ和限流电阻R所组成的稳压电路是一种最简单的直流稳压电源。如下图所示，其输入电压UI是整流滤波后的电压，输出电压UO就是稳压管的稳定电压UZ，RL是负载电阻 图2-9 稳压二极管组成的稳压电路从电路中可得到两个基本关系式 IR = IDZ + IL2.7 集成数码管CD4001 集成电路CD4011是一个包含4个与非门的CMOSS电路，每个与非门有两个输入端和一个输出端，与非门的特点是，输入端有低电平输出高电平，输入端全部是高电平时输出低电平，逻辑表达式是： Y=（AB）图2-10 集成数码管CD40012.8可控硅开关可控硅又叫晶闸管，是晶体闸流管(Thyristor)的简称，谷称可控硅，它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示（旧标准中用字母“SCR”表示）。、图2-11 可控硅开关第三章 电路仿真3.1电路设计结构图我们通过各个模块的设计，综合组成我们的楼道路灯开关电路即声控电路。如果是我们小组在仿真软件中设计的电路。 图3-1 电路设计结构图3.2电路工作原理220V电压通过灯丝D2桥式整流管。降压整流后，经过R7限流。D2，C3为稳压虑波电路，向左侧电路提供稳定的工作电压。R4与Rg光敏电路组成分压电路，白天由于光照光敏电阻阻值变小，通过4个与非门组成的D4011使得后级电路不工作。晚上光线暗光敏电阻的阻值变大，通过4个与非门组成的D4011使得后级电路工作。此时如果有声音被接收，经过C1耦合晶体管放大后，在R3上形成音频电压，此电压如高于1/2的电源电压，通过4个与非门组成的D4011使得R6触发可控硅导通，电灯正常点亮。如此时无声被接收则可控硅截止，电灯关闭等待下次触发。电路参数整定 从电路图2-9中得到两个基本关系式 IR = IDZ + IL限流电阻R7的选择必须满足两个条件：一是稳压管流过的最小电流IDZmin应大于稳压管的最小稳定电流IZmin（即手册中的IZ）；二是稳压管流过的最大电流IDZmax应小于稳压管的最大稳定电流IZmax（即手册中的IZM）。即IZminIDZIZmax从图2-9所示的电路可以得到 由稳压管最小稳定电流和最大稳定电流可得其中，解得限流电阻的范围是 代入数据得出所需要的限流电阻R7的阻值范围为245R7294，综合考虑我们选取中间值270控制电路晶体管静态分析:晶体管管压降UCEQ，VCC通过测量的出: IBQ=(VCC-UBEQ)/R2 ICQ=IBQ UCEQ=VCC-ICQR3 得R3=(VCC-UCEQ)/ICQ无光时,要使2处于高电平 则: URLUOH URL=RL/(RL+R4)*VCCUON R4(VCC-UOH)/UOH*RL声音来时,得满足使1为高电平,即需要使晶体管处于截止区. UBEUOH设麦克风CM-18W的阻值为RCM,由仪器测得: RCM/(R+RCM)*VCCUON 得: R(VCC-UON)/UON*RCM. 其中R=R1/R2=R1*R2/(R1+R2)即:R1*R2/(R1+R2)(VCC-UON)*RCM/UON -无声音时.得满足1为低电平,即晶体管导通.测RBE 由网孔电流法得:UBEUON UBE=RBE*1-RBE/(RCM+RBE)*VCC/(R2+RBE-R22)/(R1+R2)-RBE2/(RCM+RBE) -由可算出R1和R2的取值范围是 R122K，R22.5M根据晶体管最大管压降UCE可算出集电极电阻R333K电阻R4与光敏电阻一起分压，电路中要求光明电阻分得较高电压，所以R4阻值不能太大，将其设置为大约100K3.3器件清单表3-1 器件清单 序号名称型号规格序号名称型号规格1R122K11CMOSS集成数码管CD40112R22.7M12二极管D4IN41483R333K13R630K4R4100K14C3100uf5MIC驻极体54+-2db15稳压二极管7.5V6光敏电阻RgMG440316R7270K7C1470nf17单向可控硅SCR10068三极管T1S904118整流二极管D2IN4007X49C210uf19灯泡60W10R52M20结论在这次课题设计中，我们收获很多，首先我们懂得和小组成员的团结的精神，而且自主学习了关于声控电路的知识。感谢我们小组成员在课题设计当中的努力与奉献。通过我们大家的努力我们完成了我们课题设计的任务。希望在以后的学习当中能够发扬这种精神。在课题设计过程当中我们每个人分工明确，大家都努力的研究着自己一部分的内容，为最后整体设计做好了充足的准备。对于楼道路灯开关电路，我们把整体模块分成电源模块，信号接接收模块，信号处理模块，延时模块。电源模块是为了向整个电路中提供一个稳定的直流电源，其中有整流，滤波，稳压等几个部分。信号收集模块分为两个部分：一个是声音信号接收模块，另外一个是光信号收集模块。而且这两各模块是需要同时起作用的，即是晚上条件加上声音信号条件。声音接收模块是将声音信号转化为电压的改变，然后传送到CD4001芯片。而光信号是通过光敏电阻是输入端呈现高电平状态，然后传送个芯片，从而驱动被控电路，同时会作用于延时模块，而起到延时的目的。在光控设计和声控设计当中我们参考了许多的资料，正确的把握了研究对象的特点和参数计算，关于延时电路我们也费尽了许多的心思，在大家的共同努力我们把每个模块的准备工作都做好了。最后就是我们的整体设计，我们把整体的电路模型在Multism71s仿真工具中进行了仿真，在耐心的寻找元件接线后，我们得到了仿真电路，然后进行仿真。得到了我们所需要的结果，即要求是声音能使路灯亮，灯亮20秒后会自动熄灭，而且灯在白天是不亮的。参考文献1模拟电子技术基础M 清华大学电子学教研组编，第三版2半导体器件 M北京市；人民邮电出版社,1990. 3电子技术基础 M数字部分（第四版）北京，高等教育出版社出版.4电子器件基础 M北京市；科学出版社, 1981.5光电子学 M杭州市；浙江大学出版社，1999.6电路 M高等教育出版社；第五版；2006.7数字电子技术基础M 清华大学电子学教研组编；第五版；2006.8声光控制路灯电路设计 百度文档9传感器的原理以及应用 百度文档10路灯控制设计延迟模块 百度文档11传感器技术 百度文档12Multism71s仿真工具 软件答辩记录及评分表课题名称楼道开关电路设计答辩教师（职称）答辩时间20112012学年 第 2 学期 第 周答辩记录 评 分 表