课程设计——声控开关的制作2

××大学××学院××课程设计声控开关的制作
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××大学××学院
二○一一年六月
摘要：声光双控延时开光不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公室、教学楼等公共场所，它具有体积小，外形美观，工作可靠等优点，而且降低能耗，节约能源。

它是公共场所照明开关的理想选择，被人们誉为“长明灯的克星”。

本次设计的是一个灵敏度较高的声光控制开关，行人只要拍个巴掌就能电路触发。

本电路仅使用一只CMOS门电路CD4011、一个CRZ2-113F型小型驻极体式电容话筒、一个CdS型光敏电阻器以及若干电阻、电容配合就能将电路触发，使其导通，将电灯打开。

它不需要发送关闭信号，由电路自身的延时电路将灯关闭。

当灯被打开后，延时电路延时约15—100s后将灯自动关闭。

该电路还具有自动光控作用，在白天由光敏电阻器控制着电路。

即使受到声音信号的触发，开关也不会打开。

关键词：声光双控，延时，节电，开光
Abstract:The sound and light double control delay not only applicable to the dedication of residential building, and also applies to factories, office buildings, and other public places, it has small, beautiful shape, work and reliable, and reduce the energy consumption and save energy. It is a public place of lighting switch ideal choice, is people known as "decor." ever-burning lamps.
This design is a high sensitivity of sound and light control switch, as long as people take a slap can trigger circuit. This circuit using only a CMOS gate CD4011, a CRZ2-113 F type in a small postures capacitance microphone, a photosensitive resistors and some CdS type resistance, capacitance cooperate can trigger circuit, make its electric conduction, will open. It does not need to send off by their own circuit, signal circuit will delay turns off. When the light is opened, delay circuit after about 15-100 s delay will be closed automatically. Light The circuit also have automatic control function during the day, in the control circuit resistor photosensitive. Even if the voice signal by the trigger, switch also won't open.
Keywords:Sound and light double control, Delay, Power saving, The dedication
目录
前言 (1)
1. 总体设计方案 (1)
2. 单元模块设计 (2)
2.1 原理图 (2)
2.2 电路图 (2)
2.3 PCB图 (3)
2.4 单元电路设计 (4)
2.4.1 降压电路 (4)
2.4.2 声控电路 (5)
2.4.3 光控电路 (5)
2.4.4 开关电路 (6)
2.4.5 延时电路 (6)
2.4.6 整流滤波电路 (6)
2.4.7 延时时间计算 (7)
3. 安装及测试 (7)
3.1 安装过程 (7)
3.2 调试问题处理 (8)
3.2.1 灯泡一直亮着 (8)
3.2.2 灯泡始终不亮 (8)
3.2.3 发光时间短 (8)
3.2.4 灯泡响应灵敏度低 (8)
3.3 注意事项 (8)
4. 设计总结 (9)
5. 参考文献 (9)
6. 附录 (10)
前言
楼道照明灯如果不能能做到随手关灯，将是一个极大的能源消耗，但一般住户在开灯后往往忘了或不愿意再费事去专门关灯，这将是潜在的能源浪费问题。

如何解决楼道的照明的方便性与节能性吸引了大家的关注。

自动声、光控延时开关电路应运而生。

自动声、光控延时楼道照明开关可以在开灯后一定时间内自动熄灭。

在白天，即使有人走过，楼道等也不会亮，可以达到节能的目的。

声光双控延时开关体积小，外形美光，制作容易，且节能环保，是当今世界的主潮流。

由于今年我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品的主要输出国之一。

随着全球经济一体化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般照明电器产品生产大量向发展中国家转移，而中国又是一个比较适合的国家，一是中国具备生产这些产品的条件，而是劳动力成本比较低，从而使中国逐步成为照明电器产品出口大国。

展望未来的国内市场，需求仍会呈逐年增长趋势。

1.总体设计方案
自动声、光控延时开关电路顾名思义是为了实现声控光控延时开关的功能。

在白天时无论是否有声音，小灯都不能被点亮，即白天时不需要光照，在夜晚当有声音产生时，小灯被点亮，且在声音消失后，小灯能够维持一段时间亮度，即在夜晚有人经过的时候，灯被点亮，并有足够的时间让人通过。

所设计的电路主要分为四个模块：电源模块，声控电路模块，光控电路模块和延时电路模块。

电源模块为IC4011、以及声控模块中放大电路提核心元件9014供低压、稳定的直流电源。

信号收集模块分为声音信号收集模块和光信号收集模块。

声音信号收集模块将声音信号转变为音频电信号从而能够输入电路，起到控制开关的作用。

光信号收集模块将光强度的改变转变为电压的改变，与声音信号一起控制芯片的输入。

信号处理模块即是芯片CD4011对声音，光信号导致的电信号的改变进行处理，从而驱动被控制电路，并作用于延时模块。

延时模块是在信号处理模块的作用下工作，起到延时的作用。

被控制模块在信号处理模块及延时模块的共同作用下工作，达到设计的目的。

其流程图如图1所示。

图1 流程图
2.单元模块设计
2.1 原理框图
感应电路对信号进行采集后将信号传至控制与延时电路，进而控制可控硅通断，实现课题所要求的功能与指标（如图2）。

图2 声光控开关原理框图
设计思想：白天或晚上光线较亮时，光控部分将开关断开，声控部分起不了作用。

当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分。

电路能否接通就看声音信号强度。

当声音强度达到一定程度是，电路自动接通，白炽灯点亮，并开始延时，延时时间到开关自动关闭，等下一次声音信号触发。

元件选择：MIC用驻极体话筒，RG用一般光敏电阻即可，YFA-YFD用一片低工耗COMS 四与非门电路TC4011，T1用9014低频管，放大倍数越大灵敏度越高，D1用IN4148，D2是7.5v的稳压管，C2、C3用电解电容、SCR可选用MCR100-6A的单向可控硅，电阻均为1/8w炭膜电阻，阻值按图。

D3-D7用IN4007，反向漏电必须小。

电灯的功率60W。

2.2 电路图
电路的工作原理：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U1A～U1D，使电路结构简单，工作可靠性高。

顾名思义，声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启"，若干分钟后延时开关“自动关闭"。

因此，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。

明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元，如图3所示。

声音信号(脚步声、掌声等)由驻极体话筒MK接收并转换成电信号，经C2耦合到三极管9014的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门(U1)的2脚，R4、R5是vt偏置电阻。

图3 声光控延时开关的电路原理图
为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻RL(见光控电路)等元件组成光控电路，R3和RL组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，RL两端的电压高，即为高电平间(t=2π*R_DWQ*C3)，改变R_DWQ或C3的值，可改变延时时间，满足不同目的。

U1C和U1D构成两级整形电路，将方波信号进行整形。

当C3充电到一定电平时，信号经与非门U1C、U1D后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；C3充满电后只向R_DWQ放电，当放电到一定电平时，经与非门U1C、U1D 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D1～D4将交流220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经由R1和R2组成的降压、分压电路，通过稳压二极管“D_VS”稳压C1滤波后即输出5~7V的直流电压为MK、CD4011、9014等供电。

2.3 PCB图
软件Protel99 SE主要由原理图设计系统、印制电路板设计系统两大部分组成。

它具有开放式集成化的设计管理体系、超强功能的、修改与编辑功能、强大的设计自动化功能和良好的兼容性和可扩展性。

利用protel99SE制作的声控开关电路的PCB图如图4所示。

图4 声控开关PCB图
2.4 单元电路设计
2.4.1 降压电路
降压电路如图5所示，市电220经四个二极管全波整流变成脉动直流，再经R1和R2分压，经过D_VS稳压二极管稳压，再次经过C1滤波形成7V左右的直流电压供集成
电路CD4011使用。

图5 降压电路
声音控制电路如图6所示，当MIC获取到声音信号后，其会转换成电信号，由声信号转换成的电信号控制电子开关，所以必须加三极管放大器放大该信号。

为了获得较高的灵敏度，三极管的β值选用大于100。

声信号选用灵敏度高的。

R3不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡。

图6 声控电路
2.4.3 光控电路
光敏电路如图7所示，当环境有一定亮度时，RL阻值很小，所以1处于低电位，不论2是什么电位，相与后的输出总是高电位，二极管IN4148因为电压反偏而截止， C2和R4下端始终处于高电位，也就是使3、4的四个并联输入端都处于高电位，它们的输出端处于低电位，所以电路在有光亮环境下不论出现多大强度音响灯都不会发光。

图7 光控电路
当电压信号达到一定值时，电子开关打开。

当电压信号小于此值时，电子开关关闭。

其起到的主要作用是控制延时电路中的电容充放电。

声音信号变成直流控制电压,光控电路在有光照射时，光控电路阻值变小，对直流控制电压衰减很大。

2.4.5 延时电路
延时电路如图8所示，由于需要的灯泡持续时间并不是很长，大概几十秒左右，所以用一个电容控制开关的状态即可。

当夜晚无光时，电子开关打开时，C2连通，即开始充电。

当电子开关关闭后，C2开始放电。

当C2电压下降到低于1/2电源电压时（大约一分钟）YFC，YFD反转，可控硅截止电灯关闭，等待下次触发。

图8 R/C延时电路
2.4.6 整流滤波电路
整流滤波电路如图9所示，D2和C3起稳压滤波作用，D2是7.5V的稳压管，C3用100UF的电解电容，D2，C3钧接地。

图9 桥式整流滤波电路
2.4.7 延时时间计算
延时电路采用RC振荡实现延时功能，TC4011为CMOS管的供电电压为5V，翻转电压为2.5V。

延时时间计算如下所示：
T=2πRC
理论情况下电路延迟时间约为70秒，可改变R_DWQ和C3来改变延时。

此次设计所得到的实际延时时间为36秒。

3.安装及测试
3.1 安装过程
设计好电路图后，根据电路图先在面包板上连接电路，调试成功后再在电路板上焊接，安装过程中要细心，不能出现短路和断路问题。

出现问题后仔细检查电路的连接问题。

连接过程中不能出现三极管管脚连接错误，可控硅的连接也要正确，否则会出现烧毁元器件的情况，出现危险。

D3～D6、R7、D2、C3组成稳压二极管稳压电路产生7V直流电压给控制电路供电。

准备好全套元件后，用万用表粗略地测量一下各元件的质量，做到心中有数。

焊接时注意先焊接无极性的阻容元件，电阻采用卧装，电容采用直立装，紧贴电路板，焊接有极性的元件如电解电容、话筒、整流二极管、三极管、单向可控硅等元件时千万不要装反，注意极性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。

电路板与220V高压连接在一起，在接220交流电时，必须接上灯泡（220V，60W），特别注意防止触电，安装焊接时注意器件的极性，如图10所示。

图10 电器元件引脚示意图
3.2 调试问题处理
3.2.1 灯泡一直亮着
灯泡一直亮着的问题，多是三极管被击穿，造成继电器中一直有电流通过，从而灯泡回路一直处于导通状态；或者是继电器和灯泡回路的接法不正确，使得继电器中一直有电流通过或者灯泡直接接在电源回路上，从而使灯泡一直处于导通状态。

若没有上述错误，则极有可能是集成电路TC4011损坏。

3.2.2 灯泡始终不亮
出现这一问题，先检查灯泡是否正常。

如果灯泡正常，就说明开关电路中有元件损坏。

可先焊开光敏电阻器的一个脚，在想话筒送入声音信号的同时，用万用表侧集成电路2脚的电压，看指针是否摆动。

若摆动很小或不摆动，就应检查声音触发控制电路中的各元件，包括话筒、电阻器R1到R4、电容器C1、三极管T1。

3.2.3 发光时间短
这是延时电路的电容器C2或电阻器R5有问题，可用容量大点的电容替换C2，或对电阻器R6进行替换。

若更换后，延时时间还是较短，则有可能是二极管D1不良。

注：在实际电路中，由于电容器本身有电阻，再加上其放电并不是放到零为止，所以其放电时间比理论计算少。

3.2.4 灯泡响应灵敏度低
如果需要很大响声，灯泡才能触发点亮，则说明触发电路元件性能下降，此时应着重检查三极管的放大倍数β值，以及检查电阻R1-R4、电容器C1等。

3.3 注意事项
▲接好声光控延时开关与灯泡，再通过整流电路接入220V交流电源，分别在白天及模拟晚上天黑的环境下测试电路关键点电压及波形，并测量灯泡点亮维持时间t（延时时间）。

记录测量数据时注意标明灯泡是在点亮还是熄灭状态。

▲测量时要注意人身安全，当没有使用隔离变压器时，特别要注意身体任何部位均不能接触电路板任何裸露的铜箔部分，包括测量公共点即“地线”。

▲操作要胆大心细，固定好开关电路板，选择好合适的万用表直流电压档测量，黑笔接好测量参考点，防止表笔接触引起电路短路。

4.设计总结
短短的两周课程设计就要接近尾声了，在这次“声、光控电子开关”设计过程中我收获颇多，不仅仅是掌握了声、光控电子开关各部分的原理，更重要的是在制作课程设计过程获得的那种理论与实践结合时自己处理问题的方式和经验。

本次课程设计中我担当我们这组的组长，同时我也负责设计的实物制作以及原理图、PCB图的绘制。

自从接到题目的那一刻起，我就深知自己应当以身作则，一定要带领大家把我们这组的课程设计搞好。

于是我便召集大家探讨设计方案、给每位组员分配任务，让大家共同参与到课程设计中来。

开始的时候大家都觉得课程设计太难，因为我们平时学到的都是书本上的理论知识，对于要动手实践的课程设计大家难免有点望而却步。

为避免这种现象，我便找了很多资料，在理解原理后一一给大家讲解，当大家对原理都掌握得透彻后我便找来了实际的电子元件，然后与大家根据原理图来将对应的元器件连接起来。

使得大家感受到，原来搞电子技术是一件快乐的事，而不是一件头疼的事。

当然事情都不是一帆风顺的，在这次课程设计也遇到了很多平时没有遇到的问题。

比如说在实物调试时将面对市电220V无隔直元件。

这对于我来说是一种挑战。

因为以前都弄的设计都是在低压环境中完成的，自身安全问题，和电路准确性都不用十分在意，因为低压环境不会对我们造成多大的威胁。

这次要面对220V的挑战，我内心有一些担忧。

但同时我也十分自信，因为我对电路工作原理十分清楚，所以我坚信如果书本上的原理没错，那么我就会成功的。

于是我开始了实物的制作与调试，在调试之前我特意检查了电路多遍，在确保所有连接无误后开始了调试。

当然调试阶段是很麻烦的但我还是坚持了下来，因为我后面还有组员看着我的，我不会让他们失望。

终于经过几天的调试我完成了实物制作，这让我感受到了坚持就是胜利的甜头。

除此之外我还要感谢××老师和××老师对我的指导和孜孜不倦的讲解，以及在调试实物时老师给我的一些经验。

这些东西都是课本上学习不到的。

正是有老师们得耐心指导，我才能成功地完成课程设计。

5.参考文献
[1] 龚华生主编. 实用电路创意制作自学通. 北京：电子工业出版社， 2006.5—18
[2] 杨帮文《实用电子小制作精选》. 北京：人民邮电出版社， 2006.101—112
[3] 李恩林刘玉阶《建筑装饰声控·光控·电控手册》. 北京：中国计划出版社, 1995.58—66
6.附录元器件清单。