终稿走廊灯控制电路设计

辽宁工业大学信号变换综合设计课程设计（论文）题目：走廊灯控制电路设计院（系）：电气工程学院专业班级：测控111学号：110301023学生姓名：王美鑫指导教师：尹伦海起止时间：2013.12.30-2014.01.10本科生课程设计（论文）II课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院教研室：测控技术与仪器注：成绩：平时40%论文质量40%答辩20%以百分制计算学号110301023学生姓名王美鑫专业班级测控111题目走廊灯控制电路设计课程设计（论文）任务设计任务：许多建筑物内比较黑暗，有时白天也需要开灯，尤其走廊无论有没有人都要开灯，这样浪费了大量电能。设计一款节约能源的走廊灯自动控制电路电路，采用声控方式亮灯，延时熄灯；选择相应的声控传感器，检测电路可以采用光电传感器或超声波传感器，并设计相应的信号处理电路。延时电路采用555芯片设计定时器，经延迟时间后再自动断电。进行电路仿真，或进行电路板焊接。如果进行路板焊接，采用发光二极管代替电灯进行测试。延时断电开关打开走廊灯后能够延时一段时间自动关闭。技术要求:环境温度：-30～70℃；延时时间：12秒；主要器件：555定时器；说明书要求:1.格式规范，符合学校要求；2.说明书中应有方法比较与方案论证，延时原理（公式）及具体的实现方案、电路器件型号、参数等；硬件电路应由protel绘制，并且焊接、调试；不能采用单片机。3、按规定格式，撰写、打印设计说明书一份，详细阐述系统的设计过程，主要器件：555定时器。进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的设计要求。（2天）2、选择相应应感器、设计硬件电路图。（2天）3、计算器件参数、选择元器件型号绘制硬件电路图。（3天）4、仿真调试或硬件电路焊接、调试。（2天）5、撰写、打印设计说明书、答辩。（1天）指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：指导教师签字：总成绩：年月日本科生课程设计（论文）III摘要随着社会的进一步发展，各式各样的灯层出不穷，为了防止公物损坏，节约用电，设计了各种控制电路。其中用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，通过驻极体传感器将声音信号转换为电压，将灯点亮，再通过控制延时系统，使灯泡在亮一定时间之后自动熄灭，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。利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定程度将触发器使其导通工作。本设计采用驻极体传感器为控制核心，通过放大滤波整流将输入的声音信号转化为电压信号对应的数字与比较器的值相比较，然后进行判断，控制电路在这里起到非常重要的作用，输入电压达到指点数值，将使灯亮，延迟一段时间后，灯泡将自动关闭关键词：声控；延时断电电路；555定时器本科生课程设计（论文）IV目录第1章绪论.........................................................11.1国内外现状...................................................11.2被控对象.....................................................11.3指标.........................................................1第2章方案设计......................................................22.1概述.........................................................22.2控制电路的总体方案的设计.....................................2第3章电路设计.....................................................43.1传感器测量电路设计...........................................43.2电压放大电路.................................................43.3计时电路与继电器开关电路.....................................53.4声控开关综合电路.............................................6第4章仿真设计......................................................84.1放大电路的仿真...............................................84.2电压比较器的仿真.............................................9第5章课程设计总结.................................................10参考文献............................................................11附录I..............................................................12附录II.............................................................13本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1国内外现状随着多媒体通信以及声音转换技术的深入发展，声音控制技术已经得到广泛的关注。声音控制技术经过长期快速发展，已经投入到实际应用当中。声控技术原理就是利用声波传到某物体表面时，使该物质材料带电，从而让声波发生变化，从而声敏传感器，再配上语音识别系统及一些控制装置，就形成了一套完整的声控系统。声音控制技术是集声音识别技术，声音采集转换技术和声音检测技术于一体的现代化控制技术。科技的进步使电灯的样式、种类以及对灯的控制方式千变万化，随着社会的发展，资源的大量开采，能源在逐渐的减少，所以我们要建立起节约能源的意识，电能的节约首当其冲，而电灯的使用最为普遍，所以设计一种自动控制灯开关的电路是非常必要的，声控灯开关就是其中的一种。1.2被控对象利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定程度将触发器使其导通工作。光控照明电路其主要功能功能是实现当外界光照强度降低到一定程度时，使照明电路导通。1.3指标钛酸钡压电陶瓷压电系数：107×10^-12C/N密度：5.5×10^3kg/m^3介电常数：1000~5000弹性模量：110×10^3Pa居里点：115℃机械品质因数：300最大安全应力：81×10^6N/m^2体电阻率：10^10Ω·m本科生课程设计（论文）2第2章方案设计2.1概述在白天照度较高时,光线充足时开关不启动,灯熄灭。在夜晚楼道内光线较差时,若楼道内充分安静,灯泡不启动,若在光线较差道内有人发出声响,就启动该装置使灯泡点亮。主要包含三部分电路，分别为：声电转换电路，电压放大电路，计时电路与继电器开关电路。2.2控制电路的总体方案的设计这里选择驻极体接受声音信号，经过三极管放大,显示电平,达到声控的要求。延时电路则需要通过电容的充放电完成.然后通过组合电路完成设计要求.通过压电晶片将人发出的一定频率（20~20000Hz）的声音转换为微弱的电信号（约为0.5~5mV），在通过三极管将此微弱的电信号放大到0.6~3V，去触发由555定时器构成的单稳态触发电路，促使电平由低转换为高，从而去驱动继电器工作，达到由声音控制开关的目的。电路总体框图2.1所示：图2.1总体框图驻极体话筒的工作原理是这样的：当驻极体膜片遇到声波振动时，就会引起与金属极板间距离的变化，也就是驻极体振动膜片与金属极板之间的电容随着声波变化，进而引起电容两端固有的电场发生变化：U＝Q/C（2-1）传感器话筒驱动电路放大电路电灯控制声音信号复位电路源本科生课程设计（论文）3从而产生随声波变化而变化的交变电压。由于驻极体膜片与金属极板之间所形成的“电容”容量比较小，因而它的输出阻抗值（XC=1/2πfC）2/1XCπfC(2-2)很高，约在几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与一般音频放大器的输入端相匹配的，所以在话筒内接入了一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。通过输入阻抗非常高的场效应管将“电容”两端的电压取出来，并同时进行放大，就得到了和声波相对应的输出电压信号。本科生课程设计（论文）4第3章电路设计3.1传感器测量电路设计在实际的电路里面，将驻极体话筒（即压电晶片）的两只引脚一脚接在n点，另一脚接在m点，替代仿真电路中n点与m点之间的开关和信号源即可，其余电路可保持不变。产生的微弱信号通过q端输入到电压放大电路进行放大。电路中电阻R4=20K，其电路图如图3.1所示。图3.1声电转化电路3.2电压放大电路以晶体管2N2222为主要元件，以电阻R2和R3为偏置电阻构成的放大倍数约为1000倍的设发射极直接接地的共射极放大电路，压电晶片产生的电压信号（频率约在20~20000Hz之间）通过电容送到晶体管的基极，通过放大的信号从射极取出，通过电容耦合到计时电路中555的触发脚（2脚）。由于从传感器得出的电压一般在0~30mv之间，太小不易测量，所以要通过放大电路进行放大，如图3-3所示，采用最基本的比例运算反放大电路.要将30mV电压放大成5V，根据公式0)2/1(URRU(3-1)得R1=20K，R2=33K,R3=2.2M,C1=10uF。其电路图如3.2所示。n点q点m点本科生课程设计（论文）5图3.2电压放大电路3.3计时电路与继电器开关电路由以555定时器为主要器件构成的单稳态触发电路，完成计时的功能，由电阻R1与电容C1决定计时的时长（时长t=1.1*R1*C1，单位：秒），555定时器的2脚在触发信号（电平的跳变）到来时，3脚输出由低电平转换为高电平，从而使继电器接通，灯泡（代表用电器）可以工作，当经过时间1*1*1.1CRt(3-2)从公式中可以算出，如果需要12秒的延时，取R1=330K,C1=33uF即可因为电容C1放电，555定时器3脚输出由高电平跳变为低电平，继电器断开，灯泡停止工作。本科生课程设计（论文）6其电路如图3.3所示。图3.3计时电路与继电器开关电路3.4声控开关综合电路此电路是将上面设计的三个分电路：声电转换电路，电压放大电路，计时电路与继电开关电路。通过一个阻值为5k欧姆的定值电阻和一个阻值为5k欧姆的可变电阻对电源电压进行分压，预先给555定时器的2脚提供一个大小介于0到触发电压值之间的电压，从而提高了电路的灵敏度。并且由于通过改变滑动变阻器接入电路的阻值，可以改变预先接入到定时器2脚的电压值，实现了电路灵敏度高低的可调性。在实际的电路中，我们采用了由四节电压值为1.5V的电池串联构成的6V直流电压提供整个电路的电源。所以555定时器的触发电压值在2V以上（即电源电压值的三分之一），所以，2脚预先接入的电压值应该在0~2V之间，为保证电路安全裕度，我们选择电压值区间为0.6~1.2V。本科生课程设计（论文）7其电路图如3.4所示。图3.4综合电路本科生课程设计（论文）8第4章仿真设计4.1放大电路的仿真图4.1所示为放大电路仿真波形图，可以明显的看到放大前后的对比效果，可以明显的看出波形幅值的不同，周期不变。图4.1放大电路波形图由理论电路图和仿真结果综合分析可得：根据“虚断”和叠加原理，反相端的电压U-为U-=R3/(R1+R3)*Ui+R1/(R1+R3)*U0（