路灯用声音、光测量电路设计

中北大学

课 程 设 计 说 明 书

学生姓名： 李博 学 号： 0805014120 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 题 目：

指导教师： 程耀瑜 职称: 教授 李 职称: 讲师 20XX 年 1 月 6 日

中北大学 课程设计任务书

20XX/20XX 学年第 一 学期 学 院： 信息与通信工程学院

专 业： 电子信息科学与技术 学 生 姓 名： 李博 学 号： 0805014120

课程设计题目： 起 迄 日 期： 12月26日～1月 7日

课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 程耀瑜，李

系 主 任： 程耀瑜

下达任务书日期: 20XX 年 12 月 26 日 - 1 -

课 程 设 计 任 务 书

1．设计目的： 本课程设计主要针对模拟电子技术和数字电子技术课程要求，培养学生在查阅资料的基础上，进行实用电路设计、计算、仿真、调试等多个环节的综合能力，同时培养学生用课程中所学的理论地解决实际问题的能力。另外还培养学生用专业的、简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 2．设计内容和要求： 掌握声音测量电路的设计、仿真与调试； 掌握光测量电路的设计、仿真与调试； 掌握方案设计与论证； 掌握用相关软件进行电路图设计、仿真，以及对仿真结果的分析、总结； 3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕： 提供核心器件的工作原理与应用介绍； 提供用Protel99设计的电路原理图，也可给出印刷板电路图； 提供用Multisim、MaxPluss、Proteus等其他软件对电路的仿真结果与分析； 提供符合规定要求的课程设计说明书； 提供 目录

摘

要....................................................................................................

........4 第1章 绪

论 ..............................................................................................4

课

题

研

究

背

景

及

意

义....................................................................................................4

的

主

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第

2

章 总体电路设计及其原理说

明 .........................................................6

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第

3

章 单元电路设计与分

析 ..................................................................13

电

源

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.................................................................... 13

电

源

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路

设

计…………………………………………………………………………….12 光控部分电路的设计………………………………………………………………………….13 延时处理部分电路的设计.........................................................................................................14

参

数

计

算 .................................................................................................................... 16

第

4

章

电

路

图

绘

制 .................................................................................18

Protel 99 SE简

介......................................................................................................... 18

原

理

图

设

计 ....................................................................................................... 18

总

结..........................................................................................................20

附

录

一 ......................................................................................................21

附

录

二 ......................................................................................................22 - 5 - 第1章 绪论 课题研究背景及意义

在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区

的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。另外，于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。同时，为了加强我们对模拟电子技术合数字电子技术的理解合巩固，而我设计的课题是声光控制路灯的设计，我设计了一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便、使用寿命长的声光双控白炽灯节能路灯。

在本设计中介绍了声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过几分钟后又自动熄灭，节能节电。 的主要工作 研究目标

在了解555、光敏三极管、可控硅等基础上，研究声光双控路灯电路，并对电路进行理论和可行性分析，使研究具有一定的理论水平与使用价值。 研究内容

随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命变得

越来越重要，而且贴近我们的实际生活。给人们的生活、带来极大的方便。声光控制开关是声音和光控制电路工作的电子开关。它将声音和光转化为电信号，经放大、整形，输出一个开关信号去控制白炽灯的工作，在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。

公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关,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，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。因此，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。使公共场所和 - 6 -

居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。以往的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计，分立元件多，不可靠，如今单片机技术已经相当成熟，运用单片机可以设计出智能型的声控开关，电路设计好后，运用软件编程来实现其功能，灵活方便，修改简单。

本电路为一声光自动控制白炽灯开关。白天或夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。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。电路是否接通，取决于声音信号强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯。这样，通过对环境声光信号的检测与处理，完成对白炽灯的控制。论文共有4章，其具体内容如下：

第1章：绪论：主要介绍本课题的研究背景及意义、研究目标及研究内容 第2章：总体电路设计及其原理说明：主要介绍本课题的设计要求以及总体电路的设计

第3章：单元电路设计与分析：介绍各个单元电路的结构以及功能，其中包括：电源设计、声控部分电路设计、光控部分电路的设计、延时处理部分电路的设计以及参数计算 第4章：电路仿真：利用PROTEL绘制出电路图。 - 7 -

第2章 总体电路设计及其原理说明 设计要求 总体要求

整个电路电源电路、放大电路、声控电路、光控电路及延时电路等部分组成。 当白天或夜晚光线较亮时，整个电路光控部分控制，声控部分不起作用。光控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光亮程度相对应的电压信号，从而实现白天灯泡不亮。此时即便有声音，灯泡也不亮。

当光线较暗时，负载电路的通断受控于声控部分。声控电路主要将声音信号转变为电信号，且电路是否接通，取决于声音信号的强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮灯泡。

灯泡点亮后，延时电路控制延时36秒，当延时时间到，再等待下一次声音信号触发。

此外，电路带强切功能，在特殊情况下强制切断。 总体方案如图所示： - 8 -

是 灯不亮 灯不亮 无 开始 是否达到既定光亮程度？ 是 光控部分导通 否 灯不亮 是否有声控信号输入 有 触发555输入高电平 晶闸管导通 是否强制切断？ 否 灯亮 延时 灯灭 图 声控电路

声控电路的主要原理：根据声学和电子学的原理，用声音传感器将声音信号转换成电信号，从而推动触发器触发使电路导通工作。 - 9 -

作为一个智能化声控电路应具有以下功能： 能在声音的控制下实现电路的导通与截止。

声音的发出应是多方面的如脚步声，物体打击声等。 响应时间应越短越好。

为此在选择电路元器件时应选择灵敏度较高的声音传感器组成声控电路控制电路的前端，同时我们还要为该传感器设置传感条件如声音响度必须在20DB以上才能响应等。中间端采用触发器构成，利用触发器不触不发，一触即发的特点去推动照明电路工作，触发器的选择也应选择灵敏度高，响应时间短的触发器如D触发器，JK触发器等。 光控电路

光控电路的主要原理：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触发器使其导通工作。

在这样的电路设计中，对电路元器件的要求也极为高，尤其是光敏元件。光敏元件是光控电路功能实现的核心，必须保证其各项参数的精确、稳定。

半导体光敏元件是基于半导体光电效应的光电转换传感器，又称光电敏感器。采用光、电技术能实现无接触、远距离、快速和精确测量，因此半导体光敏元件还常用来间接测量能转换成光量的其他物理或化学量。半导体光敏元件按光电效应的不同而分为光导型和光生伏打型。光导型即光敏电阻，是一种半导体均质结构。光生伏打型包括光电二极管、光电三极管、光电池、光电场效应管和光控可控硅等，它们属于半导体结构型器件。半导体光敏元件的主要参数和特性

有灵敏度、探测率、光照率、光照特性、伏安特性、光谱特性、时间和频率响应特性以及温度特性等，它们主要材料、结构和工艺决定。半导体光敏元件广泛应用于精密测量、光通信、计算技术、摄像、夜视、遥感、制导、机器人、质量检查、安全报警以及其他测量和控制装置中。常见光敏元件有：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。

因此，在设计时不仅须考虑方案的可行性、稳定性，还必须充分考虑元器件的灵敏度，尤其是光敏元件必须选择灵敏度高的，这样电路的功能才能较容易实现。 延时电路 延时电路的主要原理：利用电子计数器的原理实现定时功能。 延时电路的构成方案一般有三种： - 10 -

硬件构成； 软件构成； 软硬相结合构成；

对于硬件构成的定时器，一般是用改变R、C元件值控制定时的，其效率较高，但灵活性，通用性较差；而软件构成的定时器是用执行一段程序来实现定时的，其灵活性通用性较高，但效率较差；故现在设计定时器一般都是采用软硬相结合的方法，通过编程设定不同的延时常数，而硬件控制定时过程，如大规模集成电路可编程计数器8253，51单片机通过编程构成计数器等。

延时电路主要是为了完善电路功能，因此在延时结束后应发出一个结束信号，控制电路是否继续工作。

总体电路设计 原理框图 电路设计

根据设计要求及原理，设计出电路原理图，如图所示： - 11 -

图电路原理图

电路主要555集成电路和声、光控专用集成电路组成。 白天或夜晚光线较亮时，Q4接收到光信号，输出低电平，使得555的3脚输出低电平，SCR截止，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。

当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，Q4的b极处于高电平状态，高电平再次放大使得Q5的c极为低电平555的4脚接收到高电平，同时声音信号从MIC输入，经三极管放大输入到555的2脚，触发555的3脚输出高电平触发SCR导通，使电源部分导通，灯亮。负载电路的通断同时受控于声控部分和光控部分。电路是否接通，取决于光照的强度以及声音信号强度。当光照和声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次信号。 - 12 -

第3章 单元电路设计与分析

电源设计

电路工作是否稳定，电路功能是否能实现，不仅仅取决于电路元器件，还和外加电源有关。 电源结构设计 电源电路的种类繁多，如变压器降压；桥式整流全波整流；Lc、Rc滤波；三端稳压器稳压等。具体采用什么电路合适，则根据主体电路及执行机构不同和可靠、价廉、有效益等要求进行选用。

根据安全、实用、廉价的特点，其电源的设计结构如下： 降压 整流 滤波 稳压 图 结构原理说明

因为IC555的供电电压为直流~16V，而我们用家用的交流220V供电。所以需要降压、整流。因为整流后的波形纹波很大，所以需要滤波。滤波后得到较平滑的直流，给IC555供电不稳定，需进一步稳压。此电源比一般简单的稳压电路更使用，成本更低，使用寿命更长。 电路图及原理 根据电源结构图设计出具体的电源电路，如图所示： - 13 - 图电源电路

降压稳流部分R3C1、整流桥D2,D3,D4,D5和滤波电容C2组成，交流220V输入，经R3(220KΩ)降压，经D2,D3,D4,D5整流桥全波整流，C6大电解电容滤波，滤波后得到纹波较大的直流信号，然后D7与C8对此信号进行稳压，稳压后得到

+9V的电压，为电灯控制电路提供了工作电压。 声控部分电路设计

白天，因为光控电路阻断，所以，无论多大声，灯都不会亮。到夜晚，光控电路导通，当人走动的脚步声传到传声器MIC时，声波转换为电信号，经三极管Q3放大，使灯亮。若声控灵敏度偏低，可增大R10阻值，或换高放大倍数的三极管。本系统放大整形电路设计结构如图所示。 - 14 -

图 声控部分电路 光控部分电路的设计

所谓光控就是利用光敏三极管对不同光照呈现的阻抗不同，对时基电路555的四脚进行高低电平的控制，或处于等待触发状态，或处于强制复位状态。白天光照Q4呈低阻，Q2正偏置而饱和导通。其集电极电位，即555的4脚被钳制在左右，从而是555处于强制复位状态，此时不管2脚有多大的触发电平，555均不会翻转置位。可控硅不会触发导通，电灯无电不亮。夜晚光暗，此时Q4呈高阻而截止，Q5无偏置电流，呈截止状态。555的4脚呈高位，使555触发器处于单稳态触发状态，此时如果有声响，经拾音，放大，倍压整流后，正极性信号使Q1饱和导通，下跳变信号加之555的二脚使555翻转置位。3脚原来的低电平变为高电平，经R7限流后触发双向可控硅SCR1并导通，电灯点亮。，电路

原理图如图所示： 图 光控延时部分电路 延时处理部分电路的设计

以555为中心的延时电路多而常见，它电路结构简单，外围元件少，工作稳定。电容延时就是RC延时，利用电容的充放电调节RC时间常数来完成，一般要配合另外的一个触发电路来达到延时控制，实际上555延时电路就是用的RC充放电。

继电器延时在强电领域有时间继电器等，利用的是电磁原理。在弱电领域一般以固态继电器为主，但是它也只是一种控制器件。另外在数字电路中，利用震荡器和计数器也可以做成相当精确的延时电路。如果考虑成本，可以直接用RC延时，另外加上一个三极管就构成了一个延时控制电路。如果考虑性能但又不是很高，可以用555。如果是在高精度的场合，如数字取样等，那就要用数字式的延时电路。 根据本设计的思想，应使用更为简单，便宜而且性能也比较可靠555延时电路。 - 16 - 设计思路：

单稳态延时电路有如下特点

①单稳态延时电路只有一个稳定状态，一个暂稳态。 ②在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定

状态翻转到一个暂稳态。 ③于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态。 暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。 双稳态电路的特点是：

①它有两个稳定状态，在没有外来触发信号的作用下。电路始终处于原来的稳

定状态。于它具有两个稳定状态，故称为双稳态电路。 ②在外加输入触发信号作用下，双稳态电路从一个稳定状态翻转到另一个稳定 状态。

通过比较，单稳态延时电路比起双稳态延时电路要简单、实用，更符合本次设计的要求，所以应选择单稳态延时电路作为延时电路。

555和R8、C7、等组成单稳态延时电路。电灯点亮的时间即单稳态延时电路触发后高电平持续的时间，他取决于单稳态电路的时间常数，其大小为。 Td=R8C7

图示所示电路的单稳态时间为36s，即电灯点亮后36秒后熄灭。降压电容选用耐压400V以上的金属化纸介电容器。 - 17 -

图 延时部分电路 参数计算

在进行电路设计时，应根据电路的性能指标要求决定电路元器件的参数。例如根据电压放大倍数的大小，可决定反馈电阻的取值；根据延时时间要求，利用公式，可计算出决定时间大小的电阻和电容之值等等。但一般满足电路性能指标要求的理论参数值不是惟一的，设计者应根据元器件性能、价格、体积、通用性和货源等方面灵活选择。计算电路参数时应注意以下几点：

计算元器件工作电流、电压和功率等参数时，应考虑工作条件最不利的情况，并留有适当的余量。

对于元器件的极限参数必须留有足够的裕量，一般取～2倍的额定值。 对于电阻、电容参数的取值，应选计算值附近的标称值；非电解电容器一般在100pF～ｕF选择；电解电容一般在1ｕF～20XXｕF范围内选用。 在保证电路达到功能指标要求的前提下，尽量减少元器件的品种、价格、体积等。 - 18 -

设计已确定的参数指标为：

①额定电压： 220V ；额定电流： 1A ；

②光线强度 ≤10LX ，触发电压 0 ～ 20dB( 可调 ) ③亮灯持续时间： 36S±5S ；

④静态功耗： ≤; 动态功耗 :≤( 不包括 Q3 的功耗 ) 。

- 19 -

第4章 电路图绘制 Protel 99 SE简介

采用的电路图绘制及PCB图制作软件是Protel 99 SE。 Protel 99 SE设计系统是一套建立在PC环境下的EDA电路集成设计系统。

Protel 99 SE就是早期Protel版本发展而来的，是基于Windows95/98/20XX/XP环境的新一代电路原理图辅助设计与绘制软件，其功能模块包括电路原理图设计、印制电路电路板设计、无网格布线器、可编程逻辑器件设计、电路图模拟/仿真等。它是集电路设计与开发环境于一体的软件。 Protel 99 SE的主要功能模块包括电路原理图设计、PCB板设计和电路仿真器件设计，各模块具有丰富的功能，可以实现电路设计与分析的目的。 原理图设计

选取元器件:根据原理图中所需选取合适的元器件。一般经常用到的元器件在常用元件中都可以找到，但是有些元器件在里面是找不到的或者是找不到合适的，我们可以将不合适的元器件进入Editxx，将其改动为我们所需要的，没有得就只有自己手动制作元器件了，在原理图设计当中我就自己做了个继电器。

布局: 将各元器件根据设计需要摆放在合理的位置，使原理图在不影响工作的情况下看起来美观。

布线：将元器件各管脚，根据电路所需连接起来。一般情况下可以用wire直接布线，它具有电器规则，有些电路图还用到总线bus和Netlablle，bus不具有电器规则，Netlablle具有电器规则。

封装：属性设置，既根据电路原理图所需，选取合适的封装。在这一部分我用了大量的时间，因为封装如果有错误，就直接会影响到后面PCB的生成。封装库中的封装只是一部分，有些在里边是根本找不到的，需要自制一个封装，在这次制 - 20 -

作当中继电器是这次设计的难点。在库中找不到，就必须先测量其大小数值，再根据所得数值制作。

检查：这是生成PCB之前必须做的一步。先自己检查一遍，再通过ERC检测，有错误改正，没有就可以生成网络表了。 - 21 - 总结

在这十天的课程设计中，我们做的课题是“声光双控开关路灯电路的研制”。这是一种声音和光照双控照明灯，它可以用于楼梯、过道、库房的场合。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过几

分钟后又自动熄灭，节能节电。

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和实践操作，我们不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是通过自己的动手，在老师和同学的耐心指导下，让我们学会了分析电路、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、555触发器的知识与应用， 让我们进一步巩固和掌握前面所学的基础知识，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。

通过这次课程设计，对声光双控路灯电路有了进一步的了解，对于相关器件也有了一定的认识，如可控硅、光敏三极管等。巩固和加深了我们对课程的学习，促进和深化工程应用，提高综合运用所学知识及分析问题的能力。通过实际电路方案的分析比较，设计计算，元件选择，安装调试等环节，初步掌握简单传感器电路的分析方法和工程设计方法。 - 22 - 附录一

所需元器件清单：

元器件名称 555定时器 全桥电路QD HTD35A-1 C1 C2 C3

C4 C5 C6 C7 C8 C9 NPN 光敏三极管Q4 二极管 电阻 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 5 1 3 11 备注 220uf 47uf 10uf 10uf 100uf R1，R2，R3，R4，R5，R6，R8，R9，R10，R11 - 23 - 附录二

一.Protel99 原理图

二.Multisim 仿真结果图 1.声控光控部分同时仿真 2.声控仿真 - 24 - 3.光控仿真 - 25 - 中北大学

课 程 设 计 说 明 书

学生姓名： 李博 学 号： 0805014120 学 院： 信息与通信工程学院 专 业： 电子信息科学与技术 题 目：

指导教师： 程耀瑜 职称: 教授 李 职称: 讲师 20XX 年 1 月 6 日

中北大学

课程设计任务书

20XX/20XX 学年第 一 学期 学 院： 信息与通信工程学院

专 业： 电子信息科学与技术 学 生 姓 名： 李博 学 号： 0805014120

课程设计题目： 起 迄 日 期： 12月26日～1月 7日

课程设计地点： 中北大学 指 导 教 师： 程耀瑜，李

系 主 任： 程耀瑜

下达任务书日期: 20XX 年 12 月 26 日 - 1 -

课 程 设 计 任 务 书

1．设计目的： 本课程设计主要针对模拟电子技术和数字电子技术课程要求，培养学生在查阅资料的基础上，进行实用电路设计、计算、仿真、调试等多个环节的综合能力，同时培养学生用课程中所学的理论地解决实际问题的能力。另外还培养学生用专业的、简洁的文字,清晰的图表来表达自己设计思想的能力。 2．设计内容和要求： 掌握声音测量电路的设计、仿真与调试； 掌握光测量电路的设计、仿真与调试； 掌握方案设计与论证； 掌握用相关软件进行电路图设计、仿真，以及对仿真结果的分析、总结；

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕： 提供核心器件的工作原理与应用介绍； 提供用Protel99设计的电路原理图，也可给出印刷板电路图； 提供用Multisim、MaxPluss、Proteus等其他软件对电路的仿真结果与分析； 提供符合规定要求的课程设计说明书； 提供