声光双控延迟节能灯的制作综述

智动化学院创新设计
作品名称声光自适应遥控型延迟节能灯姓名孙伟王桐陈金玉
系（院）自动化学院
班级通本132
指导教师
摘要
当代社会提倡节能，在这里我们介绍一个声光双控延迟节能照明灯。

它可以直接取代普通照明开关而不必更改原有照明线路。

白天或光线较强的场合即使有较大的声响也控制灯泡不亮，晚上或光线较暗时遇到声响（如说话声，脚步声等）后灯自动点亮，然后经10秒（时间可以设定）自动熄灭，适用于楼梯，走廊等只需短时照明的地方。

整个电路由声控电路、延时电路、光控电路、电子开关、电源电路组成。

供电电压供电，光敏控电路对外界光亮程度进行检测，输出与亮度程度相对的电压信号。

从而实现白天灯泡不亮，晚上遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而要实现自动控制，延时电路声音消失后延长一段光照时间。

关键词：声光控制开关；声光技术；光电效应；声控电路
I
翻译:
Abstract
The contemporary society advocating energy-saving, here we introduce a dual control delay energy-saving lamps sound. It can directly replace lighting switch without change original lighting. Daytime or strong light situations have bigger sound even not bright, also control bulb or dark night when noise (such as voice and sound, etc.), then the automatic light back 10 seconds (time) can be extinguished, applicable to the stairs, only short-time lighting corridor.
The circuit by voice circuits, delay circuit, electric circuit, electronic switch, the power circuit. Power supply voltage power supply, photosensitive control circuit of external light, output and degree of relative degree of voltage signal intensity. So as to realize the bright light at night during the meeting, the sound, through the sonic circuit make light bulb automatic, televox circuit will sound signal into electrical signals, thus to realize the automatic control circuit, delay extended a DuanGuangZhao voice disappears.
Keywords：acousto-optic control switch, Acousto-optic technology; The photoelectric effect; Sonic circuit
目录
一、作品简介 (1)
二、发明目的 (2)
三、初步设计方案 (3)
1.电源电路 (3)
2.声控电路 (4)
3.光控电路 (4)
4.延时电子开关电路 (4)
四、部分系统设计方案 (5)
4.1、芯片 (5)
4.2声控电路的选取及工作原理 (6)
4.3 光敏电阻的结构与原理 (7)
4.4运用光敏电阻等分立元件组合实现光控 (8)
4.5采用555时基电路的简易长延时电路 (8)
4.6整机电路及工作原理组成 (9)
五、发明前景 (11)
六、参考文献 (12)
III
一、作品简介
本作品是一种集声控、光控、遥控和程控等多种控制模式为一体，照明和应急功能相结合的新型节能灯。

发光材料采用绿色环保的小功率LED灯珠；采用非隔离型恒流源电源驱动，电源体积小，转化效率高，发热低；结合微处理器和PWM调制技术进行亮度控制，实现了无级调光功能；冗余电源与充电管理相结合，具有应急灯的功能，拓宽了其应用领域；采用模块化的设计方案，声控模式、环境光控模式、定时控制模式、自定义控制模式，可实现最大程度的节能，可通过遥控方式进行模式设置，灯具控制灵活，新奇小巧，适应与不同场所的照明需求，具有广阔的市场前景。

二、发明目的
本发明制作旨在设计出一种环保电源、照明度高、控制智能化高、节能效果明显、功能拓宽能力强的冗余电源声光自适应控制LED节能灯。

作品发明思路：针对目前楼道照明灯具存在的问题，以发光材料改进，控制功能多样化和功能模块化为切入点，设计出了一种基于冗余电源的声控、光控、程控和遥控等多种控制模式相结合的智能LED节能灯。

作品创新点：1、采用高效LED灯珠作为节能灯的发光材料，节能效果优于白炽灯和荧光灯；2、设计高效率恒流源，将交流电变为直流电，消除频闪现象；3、结合微处理器和PWM调制技术进行亮度控制和程控；4、节能灯智能化控制：能根据环境光进行自适应亮度控制；5、市电和充电电池冗余电源,集节能灯和应急灯为一体。

作品关键技术：1、非隔离型的高效LED恒流源驱动电路设计。

2、冗余电源与充电管理相结合。

3、多种节能模式及智能控制相结合。

作品技术指标：1、主电源：AC90~260V。

2、备用电池：1200mAh。

3、功率：1~5W（100株LED，额定电流18mA）。

4、效率：>90% 5、光通量：90~450 lm 6、控制方式：声控、光控、遥控、程控7、使用寿命：>50,000小时8、体积：直径119mm，高100mm 9、体重：0.25Kg
三、初步设计方案
声光控开关节能灯控制电路方框如图1-1所示：
图1-1 声光控开关节能灯控制电路方框图
声光控开关节能灯电路由电源电路、声控电路、光控电路、延时电子开关电路四大部分组成。

1.电源电路
电源电路它是给电路提供能源的设备，其作用是给电路提供电源，使电路能正常的工作。

常用的电路有：半波整流、全波整流、桥式整流、而常用的电源电路使用的是桥式整流电路为主要电源电路部分。

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2.声控电路
声控电路它是用声音控制电路的设备，其作用是把送入的声波转换为电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。

常用的电路有：小信号放大电路、声波控制电路等。

而常用的声控电路使用的是声波控制电路为主要的声控电路部分。

3.光控电路
光控电路它是用外来的光源来控制电路的设备。

其作用是把外来送入的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。

常用的电路有：发光器件电路、光敏器件电路和光电显示器件电路。

而常用的光控电路使用的光敏器件电路为主要的光控电路部分。

4.延时电子开关电路
延时电子开关电路它是用电路中送入的信号进行控制电路的设备。

其作用是用送入来的信号去控制电路，使电路达到延时的效果。

常用的延时电路有按键延时电路、感应延时电路、开关控制延时电路、光控延时电路、声光双控延时电路等。

而本电路延时电子开关电路使用主要的电路为声光双控延时电路部分。

声光双控电路是声、光控开关的组合。

它是利用驻极体话筒是否采集到声音信号，光敏电阻感应光线的明暗来改变信号的高低电平，以达到控制电路输出高低电平的目的，再利用稳压管高电平导通的原理来控制灯泡的亮灭。

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四、部分系统设计方案
4.1、芯片
CD4011BC是一个集四个2输入与非门电路为一体的芯片，其外部结构如图2-1所示。

图2-1 CD4011BC外形结构图
CD4001BC和CD4011BC四门是整体的补充MOS(CMOS)集成电路以N-和P-channel增强模式晶体管。

他们有同样的源与汇电流能力和符合标准系列输出驱动。

这个装置也有缓冲输出大大提高传递特性提供非常高的增益。

所有的输入是防静电放电和二极管对V DD和说明。

这个系列的逻辑门用磷和氮频道增强模式在一个单一的整体结构
的装置。

使用他们主要是为了节省功率耗散和有较高的抗噪能力。

CD4011芯片内部结构如图2-2所示。

图2-2 CD4011的内部结构
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CD4011的功能：四个2为输入与非门CMOS芯片。

电源电压范围：3V-15V
功耗：700mW（普通封装）；500mW（小外形封装）
工作温度范围：
CD4011BM -55℃~+125℃
CD4011BC -40℃~+85℃
逻辑表达式为：
Y
AB
其真值表如表2-3所示：
表2-3 与非门真值表
4.2声控电路的选取及工作原理
如图2-4所示声控电路由传声器BM，电阻器R2、R4，晶体管V T、电容C1和CD4011中的D1组成。

工作原理：话筒将声音信号转化为负极性的电信号，但接收到的微弱信号经C2滤波，通过由三极管V T组成的放大器把微弱的信号进行放大，其集电极输出正极性的电信号送到CD4011的2脚。

并通过R4给基极提供导通电压。

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图2-4 声控电路
4.3 光敏电阻的结构与原理
光敏电阻器又叫光感电阻，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；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

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）。

光敏电阻的符号如图2-5所示。

图2-5 光敏电阻
构成与原理：用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。

在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。

光照愈强，阻值愈低。

入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。

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4.4运用光敏电阻等分立元件组合实现光控
光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等。

光敏器件可以用来以可见光或红外光的形式控制报警器、测试仪、自动开关、继电器等多种装置或执行机构。

因此光敏器件在自动化技术中起着极其重要的作用。

光敏电阻的特性与人眼最为接近，因此，光敏电阻比较适合用于声光控路灯、照相机曝光表、空气烟尘检测器等可见光装置。

光敏二极管、三极管的最佳响应特性在红外区（但目前，有些日光型的光敏二极管、三极管的特性与人眼的视觉特性更趋接近），因此，光敏二极管、三极管最适合用于红外遥控系统、红外光束阻断报警器等装置。

综上所述光控元件选光敏电阻。

在光线较暗时，光敏电阻呈高阻态；在光线较亮时，光敏电阻呈低阻态，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。

如图2-6所示光控电路由光敏电阻器R G，电阻器R5和CD4011中的D1组成。

图2-6 光控电路
工作原理如下：在黑暗状态下光敏电阻R G呈高阻态，电路通过R5在光敏电阻R G形成高电平。

当同时有声音信号时，经过CD4011的一个与非门D1使后级电路工作。

当有足够的光通量照射在光敏电阻上时，其电阻值突然降得很低，既光敏电阻两边就的电压就很小，即不能形成高电平，使其后级电路不能工作。

4.5采用555时基电路的简易长延时电路
本电路和一般的定时电路相比是通过在555时基电路的5脚处加了一个二极管VD1，使得定时时间延长的特点。

其电路图如图2-7所示。

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图2-7 555时基电路的简易长延时电路图
555时基电路的简易长延时原理：555电路选用LM555等时基集成电路。

二极管VT1、VT2选用4148型硅开关二极管。

电阻器R1、R t选用RTX—1/4W型碳膜电阻器，电容器Ct选用电解电容器，继电器K可根据用电设备的需要选择。

当按下SB时，12V的电源通过电阻器R r向电容器C r充电，使得6脚的电位不断升高，当6脚的电位升到5脚的电位时，电路复位定时结束。

由于在5脚串上了一个二极管VD1使得5脚电位上升，因此比一般接法（悬空或通过小电容接地）具有了更长时间的定时。

综合以上两种延时电路可知采用RC振荡延时电路结构简单，所需元件数量少，工作流程简单，而采用555时基电路延时相对比较复杂，且555时基电路延时长，这样在日常生活中当人路过声光控灯后灯依然会延时较长时间才息灭，所以选取RC振荡电路做延时电路。

4.6整机电路及工作原理组成
综合以上各单元电路的选取可以组合成如图2-8所示整机电路图。

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图2-8声光控开关节能灯控制电路原理图
工作原理：
声光控延时开关的电路原理图如图2-8所示。

电路中的主要元器件是使用了数字集成电路CD4011，其内部含有4个独立的与非门D 1～D 4，使电路结构简单，工作可靠性高。

结合图2-8可知声音信号(脚步声、掌声等)由驻极体话筒BM 接收并转换成电信号，经C 1耦合到V T 的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门(VD 1)的2脚，R 4、R 7是V T 的偏置电阻，C 2是电源滤波电容。

为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻R G 等元件组成光控电路，R 5和R G 组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，R G 两端的电压高，即为高电平期间t =2πR 8C 3，改变R 8或C 3的值，可改变延时时间，满足不同目的。

D 3和D 4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。

当C 3充电到一定电平时，信号经与非门D 3、D 4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；C 3充满电后只向R 8放电，当放电到一定电平时，经与非门D 3、D 4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。

二极管VD 1～VD 4将220V 交流进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R 1降
压，C2滤波后即为电路的直流电源，为BM、V T、IC芯片等供电。

五、发明前景
使用说明：本作品具备传统节能灯的基本功能，使用方法简单，只需接上220V市电即可点亮灯杯，设计功率为3W~18W，适合大多公共场合的照明应用。

本LED节能灯设计的扩展功能包括：声控、光控、程控和遥控，传统节能灯基本不具有以上功能。

推广前景：本LED节能灯采用模块化设计方法，包括LED 驱动模块、充电管理模块和控制模块；最大程度上节约设计成本。

选用进口的超低光衰超亮光芯的LED灯珠，保证2W灯的有效照明亮度可达到普通节能灯11W2U的发光强度，灯珠使用寿命≥50000小时，符合“十一五”城市绿色照明工程规划纲要，“十二五”能源规划也指出低碳技术将成新增长点，该产品的研发与产品开发具有重大意义和实际推广价值。

市场分析：该LED节能灯的接口设计与传统白炽灯、节能灯兼容，安装简单。

系统的抗干扰能力强。

适用于学校、医院、大型建筑等的楼道或公共场所，其简约型可用于家庭照明，其智能控
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制技术应用于节能灯的概念是国内LED节能灯应用领域首创。

因此该节能灯将会有广阔的市场。

科学性、先进性
作品的先进性和科学性表现在：1、非隔离型高效电源，结构紧凑，可安装性好。

传统的LED灯驱动电路采用分立电路和隔离型电路。

分立电路器件参数变化大，驱动电路工作不稳定；隔离型电路节能效率低、设计体积大，安装不方便；本方案中使用非隔离型驱动电路，采用集成芯片实现，结构紧凑，可安装性好。

2、控制方式灵活，智能化程度高。

传统的节能灯均采用机械方式开关控制，这种灯具在楼宇楼梯等公共场所使用时存在严重不足，机械控制的欠灵活性造成了电能浪费。

本设计方案中结合声控、光控、遥控和程控方式进行控制，控制方案新颖科学，自动化程度高。

3、模块化设计，功能易于拓展。

本作品由驱动电路、声控电路、光控电路、遥控电路、充电电路及LED灯珠六部分组成，可根据使用场所进行功能结合，有利于产品的多样化。

4、光源绿色环保。

LED 为可回收光源，属于绿色环保产品；LED光源发热低，使用安全可靠；使用寿命长；光效好，颜色变化多，这种绿色节能灯具非常适合我国当前提出的低碳经济的发展模式。

六、参考文献
[1] 刘午平.数字电子技术从入门到精通.国防工业出版社.2001
[2] 何书森.实用数字电路原理与设计速成.福建科学技术出版社.2000
[3] 肖景和.数字集成电路应用精粹.人民邮电出版社.1999
[4] 郑应光.模拟电子线路.东南大学出版社.2000年5月
[5] 周绍敏.电工基础.高等教育出版社.2006年6月
[6] 张永瑞.电路分析.西南科技大学出版社.2005年5月
[7] 陈振源.电子技术基础.高等教育出版社.2006年8月
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