声光控制楼道灯设计项目报告

'南通航运职业技术学院机电系模块化课程项目研究报告课程名称：项目名称：班级:姓名：学号：同组成员：成绩：教师签名： 一、引言目前公共场所和居民居住区的公共楼道灯的控制主要采用，按钮式、触摸式和声光控制式。按钮式开关控制的楼道灯,由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象,故使灯泡寿命短,浪费电量,为国家、单位、个人造成经济损失。另外，由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关的损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。触摸式的楼道灯开关，价格昂贵，而且用在公共楼道触摸的人比较多，易损坏，不卫生。而声光控制式开关采用集成电路，是一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控楼道灯节能自动开关。它能自动控制公共楼道灯白天开关、夜间闻声亮灯。具有灵敏、低耗、性能稳定、使用寿命长、节能等特点。这里介绍声、光空自动节能开关，综合了声、光控制、工作稳定、节电并可延长灯泡寿命。在白天火光线较强的场合即使有较大的振动声响也能控制灯泡不亮；晚上或光线较暗遇到声响、振动后灯光自动点亮。 二、方案的论证方案1主要由555集成块组成的声光延时电路，系统框图如下图：主要包含四部份电路，分别为：电源电路、光控电路、声控延时电路、晶闸管开关电路。电源部分主要为控制电路提供工作电压，通过降压、整流、滤波、稳压，使电路输出12V直流电压供给控制电路。光控电路是根据光线的强弱爱优先决定电灯的亮灭。该电路可以对声控延时电路进行控制，光线较强时，光控电路输出低电平将声控电路封锁；光线较暗时，光控电路输出高电平，则声控功能打开。采用光敏电阻和其他电阻组成的分压电路来控制555定时器的触发输入端2脚，并且将555定时器的2脚和6脚连接在一起，通过一电容接地，555定时器的输出控制声控电路的555定时器的复位端。声控延时电路在白天，该电路在光控电路的控制作用下，处于关闭状态，，对任何声音信号都不响应；在晚上，光控电路将该电路的功能打开，使得该电路能根据外界声音信号作出相应的响应。经放大处理后的声音信号控制处于单稳工作模式的555定时器来实现声控及延时功能。晶闸管开关电路该电路受声控电路555定时器输出端的控制。当其输出低电平时，晶闸管截止，由于照明灯与晶闸管串联，所以灯熄灭；当其输出高电平时，晶闸管导通，照明灯点亮。 方案2主要由三极管和继电器构成，主要由三部分电路组成：放大电路、单稳态电路、继电器电路。下面对其电路的工作原理作简单的分析。放大单稳继电电路态电器电路路MICMIC将声音信号转变成电信号，所转换的电信号很微弱，只有通过三极管VT1放大电路把微弱的信号进行放大后，才能去触发单稳态电路。放大后信号中的负脉冲作用在三极管VT2的基极上时，可以使单稳态电路翻转。电路中的电容C3是电源退耦滤波电容器。在电路的稳态过程下，单稳态电路中的三极管VT2导通，三极管VT3截至。三极管VT3的集电极为高电平，接在它上面的三极管VT4是PNP型三极管，所以三极管VT4没有导通，继电器不工作。一旦有外界的声音来触发电路，单稳态电路中三极管VT2的基极受到负脉冲的作用而截至，单稳态电路处在了暂态的过程中。这时三极管VT3导通，他的集电极电压下降，导致与它连接的三极管VT4也导通，继电器吸合。由于单稳态电路的暂态时间是由电阻R3与电容器C2的参数决定的，所以十秒后单稳态电路会自动恢复到稳态过程下，继电器停止工作。方案3主要由四与非门CD4011集成块构成，电路由直流供电电路、控制电路、延时电路三部分组成。控制电路采用基本数字逻辑单元进行设计。 声控灯原理框图直流供电电路直流供电电路由D1-D4组成桥式整流电路。交流220V电压经桥式整流桥后变成脉动的直流电，供后续电路工作。控制电路控制电路由四与非门CD4011、驻极体话筒BM、光敏电阻R5、三极管9014、单向可控硅SCR等元器件组成。白天，由于光敏电阻R5阻值低，其两端电压低，CD4011的一脚为低电平，3脚即变成高电平，导致11脚为低电平，即单向可控硅控制极G为低电平，单向可控硅截止，灯泡不亮。夜晚，由于光敏电阻没有受到阳光照射，其阻值很高，两端电压较高，即1脚变成高电平，此时3脚的状态受1、2脚控制，若2脚为高电平，则3脚为低电平，若2脚为低电平，则3脚位高电平。当驻极体接收到声音信号后，经C4的滤波，送一个信号到5、6脚，而4脚变为低电平，使得13脚变为低电平，11脚输出高电平，单向可控硅控制极变成高电平，单向可控硅导通，灯泡点亮。当驻极体没有接收到声音信号时，11脚为低电平，灯泡不亮， 工作原理类同白天情况。延时电路由C2、R7组成，通过C2的充放电来维持灯泡的点亮状态，延时的时间由C2的容量及R7的阻值来决定。方案选择由于方案一电路设计过于复杂，需要两个555计时器，并且需要变压器实现低电压来执行各个电路，所需要的元器件多，不易实现，可行性较差。方案二由于采用了继电器电路中存在机械触点，易产生电弧，存在安全隐患。而方案三设计简单，易实现，所用元器件少，可行性好。故选择三号方案。三、器件说明元件介绍及其在该电路中组成的单元电路电阻英文名resistance，通常缩写为r，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“Ω”表示，表示电阻阻值的常用单位还有千欧（kΩ），兆欧（mΩ）。电阻器的种类有很多，通常分为三大类：固定电阻，可变电阻，特种电阻。电容电容器是“储存电荷的容器”,简称电容，用字母C表示。尽管电容器品种繁多，但它们的基本结构和原理是相同的。两片相 距很近的金属中间被某物质（固体、气体或液体）所隔开，就构成了电容器。两片金属称为的极板，中间的物质叫做介质。电容器也分为容量固定的与容量可变的。但常见的是固定容量的电容，最多见的是电解电容和瓷片电容。在电子线路中，电容用来通过交流而阻隔直流，也用来存储和释放电荷以充当滤波器，平滑输出脉动信号。电容器的选用涉及到很多问题。首先是耐压的问题。加在一个电容器的两端的电压超过了它的额定电压，电容器就会被击穿损坏。电阻和电容组成的延时电路C2、R8组成的延时电路 二极管半导体是一种具有特殊性质的物质，它不像导体一样能够完全导电，又不像绝缘体那样不能导电，它介于两者之间，所以称为半导体。半导体最重要的两种元素是硅和锗。二极管最明显的性质就是它的单向导电特性，就是说电流只能从一边过去，却不能从另一边过来（从正极流向负极）。二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。常见的有2CU、2DU等系列。光敏二极管组成的光控电路 四个二极管组成的硅整流桥整流电路晶闸管可控硅也称作晶闸管，它是由PNPN四层半导体构成的元件，有三个电极，阳极a，阴极k和控制极g。可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不象继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。在调速、调光、调压、调温以及其他各种控制电路中都有它的身影。可控硅分为单向的和双向的，符号也不同。单向可控硅有三个PN结，由最外层的P极和N极引出两个电极，分别称为阳极和阴极，由中间的P极引出一个控制极。单向可控硅有其独特的特性：当阳极接反向电压，或者阳极接正向电压但控制极不加电压时，它都不导通，而阳极和控制极同时接正向电压时，它就会变成导通状态。一旦导通，控制电压便失去了对它的控制作用，不论有没有控制电压，也不论控制电压的极性如何，将一直处于导通状态。 要想关断，只有把阳极电压降低到某一临界值或者反向。普通晶闸管的阳极与阴极之间具有单向导电的性能，其内部可以等效为由一只PNP晶闸管和一只NPN晶闸管组成的组合管。晶闸管控制电路声控元件本电路中采用驻极体话筒，驻极体话筒也称驻极体传声器，它是利用驻极体材料制成的一种特殊电容式“声—电”转换器件。其主要特点是体积小、结构简单、频响宽、灵敏度高、耐震动、价格便宜。驻极体话筒是目前最常用的传声器之一，在各种传声、声控和通信设备（如无线话筒、盒式录音机、声控电灯开关、电话机、手机、多媒体电脑等）中应用非常普遍。常见的机装型驻极体话筒形状多为圆柱形，其直径有φ6mm、φ9.7mm、φ10mm、φ10.5mm、φ11.5mm、φ12mm、φ13mm……多种规格；引脚电极数分两端式和三端式两种，引脚形式有可直接在电路板上插焊的直插式、带软屏蔽电线的引线式和不带引线的焊脚式3种。如按体 积大小分类，有普通型和微型两种。驻极体话筒的内部结构和原理图:驻极体话筒的工作原理：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），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（一般为几十波法），因而它的输出阻抗值（XC=1/2πfC）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。驻极体话筒内部的场效应管为低噪声专用管，它的栅极G和源极S之间复合有二极管VD，主要起“抗阻塞”作用。由于场效应管必须工作在合适的外加直流电压下，所以驻极体话筒属于有源器件，即在使用时必须给驻极体话筒加上合适的直流偏置电压， 才能保证它正常工作，这是有别于一般普通动圈式、压电陶瓷式话筒之处。部分常用驻极体话筒的性能参数表根据电路分析选择上表中的加黑框的型号。声控电路 CD4011CD4011是CMOS电路，内部是四个与非门，14个引脚，工作电压3~18V，频率约5MHz，输入/输出为CMOS电平。CD4011引脚图元件清单DesignatorPartTypeFootprintLibRef数（元件序规格（元件标（元件封（元件名）量号）注）装）4007整流BRIDGE1D11VD1~VD4D-37桥4148二极DIODEVD51DIODEDIODE0.4管RES2R1180kΩ、1180kΩAXIAL0.4RES2R224kΩ、124kΩAXIAL0.4RES2R3、R62MΩ、22MΩAXIAL0.4RES2R4120kΩ、1120kΩAXIAL0.4RES2R568kΩ、168kΩAXIAL0.4RES2R76.2MΩ、16.2MΩAXIAL0.4RES2R830kΩ、130kΩAXIAL0.4 100~50滑POT2R91100~50VR1动变阻器ELECTRO1C1100uF/25V1100uF/25VRB.2/.4ELECTRO1C210uF/25V110uF/25VRB.2/.4CAPC31521152RAD0.1CAPC4333~2231333~223RAD0.1CAPC56811681RAD0.1Component_1A1CD40111DIP14声控MK声控器件1声控麦SCRMCR100~8可控硅1SCRTO-92BPHOTO光敏器件光敏二极管1PHOTODIODE0.415~25WLAMP白炽灯112~15WSIP2白炽灯四、原理图及PCB电路设计1．自建元件库及封装库因为本电路需要用到CD4011集成块，而它是一个复合式元件，由四个与非门组成，所以需要自己创建它的元件库。首先新建一个名为“我的元件库.ddb”的设计数据库，并保存。打开“我的元件库.ddb”中的“Documents”，打开后在“Documents”内新建一个名为“YFM.lib”的元件库文件。打开“YFM.lib”在编辑画面的中心绘制第一个单元，单击绘图工具栏上的“矩形“按钮，绘制元件的轮廓。然后放置引脚，在1、2引脚的属性对话框中的“Electrical”栏选为“Input”，3引脚选为“Output”3引脚的“Dot”项应被选中，所有引脚的引脚名“Name”栏设置为空，“Pin” 栏写入“30”。此时查看一下“BrowseSchLib”选项卡中“Part”区域，显示为“1/1”，说明此时4011元件只有一个元件，新建一个元件单元或子元件，执行菜单命令“Toos”—“NesPart”，于是出现一个新的编辑画面。将第一个单元的图形复制过来，按第二单元图形修改引脚号即可。重复上述步骤，绘制第三、第四单元。全部单元符号绘制完毕后，在每个单元放置电源VCC（“Number”栏为“14”）和GND（“Number”栏为“7”），根据要求，隐藏其中的几个脚，最后保存。注意：各个单元的电源引脚的“Number”都是“14”和“7”。新建“我的封装库.ddb”，在其中新建一个“SK.lib”的封装库文件，根据所选的声控器件的外形及引脚尺寸（9.7mm*6.7mm）绘制声控器件的封装。点击“圆”按钮，绘制一个直径为9.7mm的圆，在圆的中间放置两个焊盘，使其间距刚好为6.7mm。保存封装库。绘制原理图重新新建一个名为“声光控制楼道灯.ddb”的设计数据库，并保存，在“Documents”中新建一个SGB.sch的原理图文件，将其打开，根据元件清单中的各元件，装载其元件库，同时也将“YFM.lib”和“SK.lib”装载进来。将所用到的元件依次都放置到绘图区，并按要求摆放好位置，在用绘图工具栏上的“导线”按钮，将所要连接的点连接好。按元件清单中元件的序号和封装名将原理图中的元件进行标注和封装，并根据原理图生成网络表。注意：元件管脚处理，将整流桥的四管脚，按封装D-37中管脚的名称进行修改:1脚和3脚改为AC，2脚改为+，4脚改为—。二极管和光敏二极管按封装DIODE0.4将管脚进行修改：1脚改为A， 2脚改为K。绘制PCB电路设计在“Documents”中新建“SGB.pcb”的电路板图，在机械层绘制物理边界(2500mil*1720mil)，在禁止布线层绘制电气边界，大小同物理边界相同。装入网络表，使用自动布局进行元器件的布局，根据布线的基本规则来进行手动调整。布线才用自动布线，首先设置其布线规则：单击菜单“Design”—“规则”将其属性修改为自动布线、信号线宽为20mil、+12V电源线宽为30mil、GND线宽为30mil，设置好后单击“close”。完成后单击菜单栏中的“AutoRoute”—“All”完成PCB的自动布局。原理图及PCB电路图如下图 内容评价标准分值共1.基本知每题5分30识选择题分新建原理图，命名为“SGD.sch”、画出电路图，按图示编辑元件，正确导出到桌面学号文件夹下10分进行元件封装，将二极管VD1~VD5及光敏器件进行管脚处理10分生成网络表，系统会自动命名为“SGD.net”5分新建电路版图，命名为“SGD.pcb”5分规划电路板，在机械层1规划出物理边界（即裁板的依据），禁止布线层画出电气边界（即自动布线的范围），并标注电路板尺寸10分2.通过自装入网络表“SGD.net”5分共动布线绘自动布局调整元件位置、手动调整元件位置10分70制电路板设置自动布线规格：要求会设置单层自动布线层及走分图线方向，信号线宽为20mil，+12V电源线为30mil，GND先宽为30mil5分自动布线5分正确导出到桌面学号文件夹下5分'