声控光控延时开关

目录一．绪论
二．设计方案
三．元件清单
四．电路设计
4.1. 单元电路设计
4.2 .总体电路设计
4.3.电路原理
五．主要元件
5.1.光敏电阻
5.2.三极管
5.3.单项可控硅
六．电路调试与程序测试
七．总结
八．参考文献
一．绪论
随着现代科学技术的发展，越来越多的高科技节能产品出现在我们生活的方方面面，声控灯、光控灯是居家照明的重要组成部分，光控灯是由光控开关和LED 灯组合而成。

声控灯由麦克风，放大电路和LED灯组成。

在地球资源日渐衰竭的今日，环保、节能是当今各产业发展的重心，尤其是需要消耗大量电力的照明产业，基于此目的的研发工作更是趋向环保、节能的特性上著眼。

因此，开发新型高效、节能、寿命长、环保的电路对居家照明节能具有十分重要的意义。

由此声控、光控LED灯的诸多优点在现在正逐渐取代传统的照明设备，是照明产品的新兴光源，有「绿色照明」光源之称，未来将光芒耀眼，发展潜力无限。

声控、光控LED具有节能、体积小、发热量低、寿命长、耗电量小、反应速度快、易控制等众多优点，极大的满足了人们日常生活的需要，因此十分被灯饰业者看好。

光控灯，安装方便，使用寿命长。

集光学、材料和电路技术为一体组成的自动照明开关，白天或光线较强时，开关电路为自锁状态，LED灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，开关自动打开，LED灯亮，从而实现了白天自动熄灭夜间自动打开的目的，节省了人为的控制。

声光控集声控、光控、延时自动控制技术为一体,内置声音感应元件,光效感应元件,白天光线较强时，受光控自锁，有声响也不通电开灯；当傍晚环境光线变暗后，开关自动进入待机状态，遇有说话声、脚步声等声响时，会立即通电,亮灯，延时半分钟后自动断电；能延长灯泡寿命6倍以上，节电率达90％。

二者都为人们的日常生活提供诸多方便。

二．设计方案
此设计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。

所设计的电路分为五个模块：电源模块，信号收集模块，信号处理模块，延时模块和被控制模块。

(模块图如2.1)电源模块为整个电路提供稳定的直流电源，使驱动三极管，芯片TC4081BP和小灯。

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TC4081BP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。

电路方框如所示：
图2.1声光控延时开关电路方框图
三．元件清单
1 7.5k电阻 1
2 二极管 4
3 3.9k电阻 1
4 1M电阻 1
5 10k电阻 1
6 1k电阻 1
7 220uf电容 1
8 22uf电容 1
9 LED 1
10 VS 1006-6 1
11 VTI 9014 1
12 白炽灯 1
13 变压器 1
14 光敏电阻 1
四．电路设计
4.1 单元电路设计
可以将此电路分为主电路、电源电路、光控电路、声控电路、逻辑电平反转及触发电路、延时电路等几个单元电路:
1)主电路和电源电路
主电路由整流桥D1～D4 、晶闸管T1 组成。

T1为开关执行器件。

晶闸管T1 被触发导通后,电路接通,白炽灯发光。

当晶闸管的控制极上无触发信号时,晶闸管T 1正向阻断,电路呈关断状态。

电源电路其作用是给电路提供电源，使电路能正常的工作。

由R1、D5、C1、C2等元件组成，它是一个简单的直流稳压电源，给整机供电。

先将交流220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C1滤波使波形变得平滑，最后经稳压二极管稳压得到较为稳定的直流电源，为驻极体话筒（MIC）、放大电路（VT）、等供电。

2)光控电路
主要由R5、RG 组成。

电路中晶闸管的通断,取决于控制极信号的有无。

光敏电阻RG的阻值随着光照强度的变化而变化,当光照达到一定强度时,其阻值变小到与R5 分压后使晶闸管正向阻断。

随着光照强度的减弱,RG阻值逐渐增大,此时声控开始起作用。

3）声控电路
由麦克风MIC、三极管T2、电容C3 及电阻R2～R4等组成,其中MIC 为声检测元件。

当环境声音信号很弱时,三极管T2 处于饱和状态,晶闸管T 1阻断。

当环境声音信号达到一定强度时,通过MIC拾音输出经C3 耦合到T 1的基极,
4）延时电路
由R6 、C4、D6 等元件组成。

结合声控电路及主电路分析,当晶闸管T1 被触发导通时,C1上的电压降低,MIC 拾音灵敏度降低,T2 重新饱和,晶闸管T 1在正、负极间的电压过零时被正向阻断,C1 上的电压重新升高MIC恢复拾音灵敏度,等待下一次声控信号输入,开关接通的维持时间,由C4 和R6 的数值确定。

4.2 总体电路设计
■电路功能：
白天灯不亮，夜间有声音（喊话拍手）时灯亮，延时一段时间后自动关闭，起着节约用电、方便控制的作用。

■工作电压：
本电路设计工作电压为市电220V，用于控制5-60W以内的白炽灯通断电。

实际应用时，改变R1的阻值可以改变本电路的工作电压，电压范围控制在5-250V的交流电为宜，可控制带有钨丝不同电压下的小灯泡（如汽车灯泡），220V时R1阻值为150K，22V时为15K，其它电压按比例增减。

图3.2声光控延时开关原理图
4.3电路原理：
220V交流电通过灯泡流向D1～D4，经D1～D4整流，R1限流降压，LED稳压（兼待机指示），C1滤波后输出约1.8V左右的直流电给电路供电。

由于LED采用发光二极管，一方面利用其正向压降稳压，同时又利用其发光特性兼作待机指示。

控制电路由R2、驻极体话筒MIC、C2、R3、R4、VT、RG组成。

在周围有其它光线的时候光敏电阻的阻值约为1kΩ左右，VT的集电极电压始终处于低电位，就算此时拍手，电路也无反应。

到夜间时，光敏电阻的阻值上升到1MΩ左右，对VT解除了钳位作用，此时VT处于放大状态，如果无声响，那么VT的集电极仍为低电位，晶闸管因无触发电压而关断。

当拍手时声音信号被MIC接收转换成电信号，通过C2耦合到VT的基极，音频信号的正半周加到VT基极时，VT由放大状态进入饱和状态，相当于将晶闸管的控制极接地，电路无反应。

而音频信号的负半周加到VT基极时，迫使其由放大状态变为截止状态，集电极上升为高电位，输出电压触发晶闸管导通，使主电路有电流流过，等效于开关
闭合，而串联在其回路的灯泡得电工作。

此时C2的正极为高电位，负极为低电位，电流通过R3缓慢地给C2充电（实为C2放电），当C2两端电压达到平衡时，VT重新处于放大状态，晶闸管关断，电灯熄灭，改变C2大小可以改变电灯熄灭时间。

此开关可带100W以下的负载，适用于家庭照明和楼梯走廊等场所。

五．主要元件
5.1 光敏电阻
光敏电阻器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）。

常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制
成的。

光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化
而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1～10M欧,
在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千
欧姆。

图4-1光敏电阻实物图光敏电阻器对光的敏感
性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4～0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

5.2 驻极体
1. 原理
将电介质放在电场中就会被极化。

许多电介质的极化是与外电场同时存在同时消失的。

也有一些电介质，受强外电场作用后其极化现象不随外电场去除而完全消失，
出现极化电荷“永久”存在于电介质表面和体内的现象。

这种在
强外电场等因素作用下，极化并能“永久”保持极化状态的电介
质，称为驻极体，又叫永电体。

它是一种具有持久性极化的固体电介质。

早在1922年左右
就为日本物理学家江口元太郎发现；当蜡和松香的混合物在外
加强电场中从融熔态固化后，再除去外电场时，混合物固体会长期保持极化状态。

驻极体可以在周围空间产生电场，因此可以类比于永磁体的一种带电体。

驻极体中存在着大量微观的电偶极子，它们通常混乱取向而显不出宏观的极化。

这些偶极子可以在高温及外电场作用下取向,冷却后再去掉电场,取向被冻结下来而保留某个方向上占优势的宏观极化。

驻极体的极化强度远小于其中所有偶极子都排列一致时所产生的饱和强度。

但是在一些驻极体中还能得到大约10-2μC/m2的极化强
度。

驻极体是弛豫时间较长的处于亚稳态极化了的电介质。

当去掉外加电场时，其极化强度会逐渐减小，它的表面电荷就按指数规律或接近指数规律逐渐衰减。

室温下驻极体的极化状态可以长期保存，但在高温下则衰减得很快。

2. 特性
驻极体具有体电荷特性，即它的电荷不同于摩擦起电，既出现在驻极体表面，也存在于其内部。

若把驻极体表面去掉一层，新表面仍有电荷存在；若把它切成两半，就成为两块驻极体。

这一点可与永久磁体相类比，因此驻极体又称永电体。

4.3三极管
1. 原理
半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。

它最主要的功能是电流放大和开关作用。

三极管顾名思义具有三个电极。

二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。

其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。

由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。

三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。

三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。

实际上箭头所指的方向是电流的方向。

电子制作中常用的三极管有90××系列，包括低频小功率硅管9013(NPN)、9012(PNP)，低噪声管9014(NPN)，高频小功率管9018(NPN)等。

它们的型号一般都标在塑壳上，而样子都一样，都是TO-92标准封装。

在老式的电子产品中还能见到3DG6(低频小功率硅管)、3AX31(低频小功率锗管)等，它们的型号也都印在金属的外壳上。

我国生产的晶体管有一套命名规则：
符号的第一部分“3”表示三极管。

符号的第二部分表示器件的材料和结构：A ——PNP型锗材料；B——NPN型锗材料；C——PNP型硅材料；D——NPN型硅材料。

符号的第三部分表示功能：U——光电管；K——开关管；X——低频小功率管；G——高频小功率管；D——低频大功率管；A——高频大功率管。

另外，3DJ型为场效应管，BT打头的表示半导体特殊元件。

图4-3 常用三极管的管脚排列
三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，
当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量罢了。

三极管有一个重要参数就是电流放大系数 b。

当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流 b 倍的电流，即集电极电流。

集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。

三极管还可以作电子开关，配合其它元件还可以构成振荡器。

2. 三极管电极和管型的判别
（1）目测法
一般来说，管型是NPN还是PNP应从管壳上标注的型号来辨别。

依照部颁标准，三极管型号的第二位(字母)，A、C表示PNP管，B、D表示NPN管。

例如：
3AX 为PNP型低频小功率管3BX 为NPN型低频小功率管
3CG 为PNP型高频小功率管3DG 为NPN型高频小功率管
3AD 为PNP型低频大功率管3DD 为NPN型低频大功率管
3CA 为PNP型高频大功率管3DA 为NPN型高频大功率管
此外有国际流行的9011～9018系列高频小功率管，除9012和9015为PNP管外，其余均为NPN型管。

（2）管极的判别
用万用表电阻档判别
三极管内部有两个PN结，可用万用表电阻档分辨e、b、c三个极。

在型号标注模糊的情况下，也可用此法判别管型。

①基极的判别
判别管极时应首先确认基极。

对于NPN管，用黑表笔接假定的基极，用红表笔分别接触另外两个极，若测得电阻都小，约为几百欧~几千欧；而将黑、红两表笔对调，测得电阻均较大，在几百千欧以上，此时黑表笔接的就是基极。

PNP管，情况正相反，测量时两个PN结都正偏的情况下，红表笔接基极。

实际上，小功率管的基极一般排列在三个管脚的中间，可用上述方法，分别将黑、红表笔接基极，既可测定三极管的两个PN结是否完好(与二极管PN结的测量方法一样)，又可确认管型。

②集电极和发射极的判别
确定基极后，假设余下管脚之一为集电极c，另一为发射极e，用手指分别捏住c极与b极(即用手指代替基极电阻Rb)。

同时，将万用表两表笔分别与c、e接触，若被测管为NPN，则用黑表笔接触c极、用红表笔接e极(PNP管相反)，观察指针偏转角度；然后再设另一管脚为c极，重复以上过程，比较两次测量指针的偏转角度，大的一次表明IC大，管子处于放大状态，相应假设的c、e极正确。

（3）．三极管性能的简易测量
①用万用表电阻档测ICEO和β
基极开路，万用表黑表笔接NPN管的集电极c、红表笔接发射极e(PNP管相反)，
此时c、e间电阻值大则表明ICEO小，电阻值小则表明ICEO大。

用手指代替基极电阻Rb，用上法测c、e间电阻，若阻值比基极开路时小得多则表明β值大。

②用万用表hFE档测β
有的万用表有hFE档，按表上规定的极型插入三极管即可测得电流放大系数β，若β很小或为零，表明三极管己损坏，可用电阻档分别测两个PN结，确认是否有击穿或断路。

4.4 单向可控硅
单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，
但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载
或降低其两端电压使其关断。

单向可控硅是由三个PN结
PNPN组成的四层三端半导体器件与具有一个PN结的二
极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制；与具
有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电
流没有放大作用。

可控硅导通条件：一是可控硅阳极与阴极间必须加正向电压，二是控制极也要加正向电压。

以上两个条件必须同时具备，可控硅才会处于导通状态。

另外，可控硅一旦导通后，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通。

可控硅关断条件：降低或去掉加在可控硅阳极至阴极之间的正向电压，使阳极电流小于最小维持
六．电路调试与程序测试
调试前，先将焊好的电路板对照印刷电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路、元件相碰等现象发生。

通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。

如用万用表检测时，只要将万用表两表笔接触电路板相应处即可。

将本电路分为主电路、电源电路、光控电路、声控电路、逻辑电平反转及触发电路、延时电路等几个单元电路进行调试。

1 、断开光敏电阻RG、电容C3 ,由原理图图可知,晶闸管T 1不被触发,灯不亮。

2 、断开三极管T 2的集电极或发射极,同时断开光敏电阻RG,由图可知,晶闸管T1被触发,灯亮。

经上述二步调试,电源电路、主电路及逻辑电平反转及触发电路工作正常。

3 、断开光敏电阻RG,接通电源,这时灯不亮。

击掌触发声控电路,灯亮。

经一段时间延时,灯灭。

说明声控电路及延时电路电路正常。

4 、最后检查光控电路。

电路全部复位,接通电源,灯不亮。

用深色物品(如绝缘胶布)
将光敏电阻RG遮挡,击掌触发声控电路,灯亮。

至此电路调试完毕
七．总结
在这三周的电子技术课程设计中，我做的是“声光控制开关”。

这是一种声音和光照双控电路，多用于楼梯、过道、库房的场合。

白天光照时，不管过路者发出多大声音，都不会使灯泡亮。

夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有声响，灯就会自动照明，若再无声响，则过一段时间后灯自动熄灭，节能节电。

电源设计根据其主体电路及执行机构不同，要求可靠、价廉、有效益。

由于此开关在光线较暗时是否接通取决于声音的强弱，因此为加强其工作效应，设计了信号放大整形电路，微弱的信号经过此电路加工也能使开关导通。

本次的声光控制开关的设计实践将我们学到的知识应用到了实践，深化了对数字电路设计和模拟电子设计的认识，使我们在设计的实践中获得新知。

学习了一年的理论知识之后，这次的实践操作，我得到了课本之外的东西，通过自己的独立动手，老师耐心指导下以及同学的探讨，让我学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图等。

在此设计中利用到了三极管的放大、光敏效应，让我们进一步巩固和掌握所学的理论基础知识，加深对了对模拟电路、数字电路、理解，对元气件的使用更加深刻。

八、参考文献
【1】童诗白主编·模拟电子技术基础·高等教育出版社·2006年6月
【2】郭海文主编·电气实验技术·中国矿业大学出版社·2008年12月
【3】刘慰平主编·电子技能实训·北京理工大学出版社·2008年8月
【4】陈有卿编著·电子制作138例·人民邮电出版社·2001年4月
【5】高清主编·Multisim8电子工作平台及应用·高等教育出版社·2010年6月。