夜間照明電路課程設計設計內容
摘要
在地球資源日益枯竭的今日，環保、節能是當今各產業發展的重心，尤其是需要消耗大量電力的照明產業，在燈種的研發上，更是趨向環保、節能的特性上發展。因此開發新型、高校、節能壽命長、顯示指數高、環保的光源對居家照明節能具有十分重要的意義。
而聲光控符合現代社會對環保、節能的要求。聲光控級聲學、光學和延時技術為一體、內置聲音感應元件，光效感應元件。光敏電阻、駐體式電容傳感器、二極管、三極管、電容等元器件與四個與非門電路的結合使得聲光控樓道燈有效地將電能轉換成光能。
白天或者光線較強時，開關電路為自鎖狀態，燈不亮，當光線黑暗或晚上來臨時，開關進入預備工作狀態，此時，當來人有腳步聲、說話聲、拍手聲等聲源時，開關自動打開，燈亮，延時一段時間后自動熄滅，從而實現了“人來燈亮，人去燈熄”，杜絕了長明燈，使得聲光控燈低能耗、長壽命。
本次強化訓練的主要內容是掌握基本元器件的識別方法、聲光控樓道燈工作原理以及對電路的仿真與調試。
關鍵詞：聲光控；光敏電阻；與非門
1設計目的和任務
1.1鞏固加深對模擬、數字電子技術基礎知識的理解，提高綜合運用所學知識的能力，培養學生獨立分析問題、解決問題的能力。
1.2通過查找資料、選方案、設計電路、仿真或調試、寫報告等環節的訓練，熟悉設計過程、步驟。為今后從事電子線路的設計、研制電子產品打下良好的基礎。
1.3作為電力電子技術的入門，學習晶閘管的應用。
1.4設計模擬和數字電子混合電路，實現特定功能。學習這一技能，積累這方面的經驗
2設計要求
2.1設計一個光線暗淡有聲響時燈亮，延時照明后自動熄滅的節電控制電路。
2.2光線明亮，有無聲響，燈不亮；
2.3光線暗淡，有聲響，燈亮且延時40至60秒自動熄滅（延時時間可調）；
2.4光線暗淡，無聲響，燈不亮。
3總體框圖設計3.1設計思路
通過對設計要求分析之后知道要完成設計需要以下幾個部分：光控電路，聲控電路，延時電路，電磁繼電器電路。當且僅當光控電路和聲控電路同時工作時，電磁繼電器開關被吸下，燈泡亮。若聲控開關和光控開關一直閉合，則燈泡一直亮，若此時斷開聲控或光控開關，由于延時電路的作用，燈泡能繼續亮一段時間，過一段時間后電磁繼電器銜鐵斷開，燈泡熄滅。
3.2方案的設計與比較
在設計過程中本人設計了兩種電路，下面對兩種電路進行比較與選擇。
3.2.1方案一
由三級管構成的射極偏置放大聲控，由分壓電路構成光控電路，然后利用與非門進行信號傳輸，利用RC制成一個延時電路，前面的控制電路最終控制電磁繼電器電路從而控制燈泡的亮滅以及延時。
3.2.3方案的比較
方案一的元件均為常見的基本元件，用到的有電阻，電容，三極管，與非門，二極管，光敏電阻，電磁繼電器，函數信號發生器。相比之下方案二用到的元件555芯片，運放，電阻，電容函數信號發生器，二極管，光敏電阻。相比之下方案一的元件比較簡單而且易于得到，在實際仿真過程中，方案二出了很多問題，所以最終決定選用方案一，得到了比較滿意的結果。
4整體電路的分析4.1光控電路4.1.1原理介紹：
光敏電阻是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器。入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。將光敏電阻接于如圖所示分壓電路中，改變入射光的強度，即改變了光敏電阻的阻值，從而改變了光敏電阻的分壓，當有光時，光敏電阻阻值小，兩端電壓小；當無光時，光敏電阻阻值大，兩端電壓大。將有光無光時光敏電阻兩端的電壓改變作為一個信號，也可理解為一個開關，從而實現光控電路開關的功能。
4.1.2電路圖
圖4.1.2
4.2 聲控電路4.2.1原理介紹：
用函數信號發生器模擬聲音信號，用快關控制其通斷，即可表示聲音信號的有無。當開關閉合時，即有聲音信號時，構成如圖所示的射極偏置電路，對聲音信號進行放大。首先確定三極管的靜態工作點，當IR10>>IB時，由VB=R10/(R10+R12)可得，靜態工作點Q為IC=IE=(VB-VBE)/R15，IB=1/β*Ic,VCE=VCC-IC(R11+R15)。聲音信號采用1V,500HZ的正弦交流信號模擬，通過射極偏置電路，作為聲控開關傳遞給后續電路。
4.2.2電路圖；
圖4.2.2
4.3邏輯門電路和延時電路
4.3.1原理介紹：
當聲音信號和光信號傳輸到U5都為高電平時，即無光有聲，通過與非門，輸出為低電平，經過U6時輸出為高電平，根據二極管的單向導電性，D3導通，傳輸到U7輸入端為高電平，經過U8反向后輸出為高電平。當聲音信號和光信號有一個為低電平時，即有光或者無聲時，經過U6輸出均為低電平，二極管截止，U7輸入端均為低電平，經過U8輸出為低電平。
圖中RC構成電路的延時電路，在二極管導通的時候會給電容充電。當聲音信號斷開時，二極管不導通，由C3放電，實現電路的延時功能。
4.3.2電路圖
圖4.3.2
4.4電磁繼電器電路
4.4.1原理介紹：
電磁繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(又稱輸入回路)和被控制系統(又稱輸出回路)，通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流、較低的電壓去控制較大電流、較高的電壓的一種"自動開關"。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。
當線圈中有電流時，電磁繼電器的銜鐵被吸下，燈泡控制電路導通，此次仿真采用家庭電路220V電壓，燈泡采用25W小功率燈泡，進一步滿足節能的要求。當聲音信號或者光信號有一個斷開時，由于延時電路中電容C的放電，燈泡會繼續亮一段時間，當電容C放電完畢時，電磁繼電器線圈中沒有電流，銜鐵斷開，燈泡熄滅。實現用弱電自動控制強電的功能，起到了安全的功能。
4.4.2電路圖
圖4.4.2
5整體原理圖
5.1工作原理：
當有光信號時，光敏電阻的阻值較小，由于分壓作用，輸入U2端為低電平。根據與非門的邏輯功能無論是否有聲音信號，輸出均為高電平，經過由與非門構成的非門反向后輸出為底電平，二極管D1截止，即U3輸入端均為低電平，輸出為高電平，經過U1反向后輸出為低電平，三極管Q3為不導通狀態，電磁繼電器線圈中無電流，燈泡不亮。
當無光信號時，光敏電阻的阻值較大，由于分壓作用，輸入U2端為高電平。1.當無聲音信號時，經放大電路輸入U2端為低電平，此時U2與非門輸出為高電平，二極管截止，燈泡不亮。2當有聲音信號時，經放大電路輸入端為高電平，此時U3兩輸入端均為高電平，二極管導通，給C2充電，同時U3兩輸入端均為高電平，U1輸出端為高電平，三極管Q2導通，電磁繼電器線圈中有電流，將電磁繼電器的銜鐵吸下，燈泡控制電路導通，燈泡亮。若一直有聲音信號，則電磁繼電器線圈中一直有電流，即燈泡會一直亮。若斷開聲音信號，則二極管會處于截止狀態，此時電容C2放電，電磁繼電器線圈中仍然有電流，燈泡繼續亮一段時間，直到電容C2放電結束，燈泡熄滅，實現延時功能。
5.2整體原理圖；
圖5.2
6.元件的選擇6.1部分元器件參數的設定
6.1.1三極管的電流放大倍數，β=（IC-ICEO）/IB≈IC/IB=132.6
6.1.2光敏電阻的阻值變化范圍，當無光照時，光敏電阻阻值為512K,當有光照時，光敏電阻阻值為76K。為了體現光敏電阻有無光照的影響，選用R3=1.1M。當有光照時V=R/（R+R3）*VCC=76/(76+1100)*15=0.94V ,當無光照時V=512/（512+1100）*15=4.76V 對比發現兩者有明顯的差異，可以看成高低電平的轉換。
6.1.3為了穩定三極管Q1的靜態工作點，放大聲音信號，采用射極偏置放大電路。為了滿足I>>IB,由于VB=R2/(R2+R9)*VCC,設置R2=100k,R9=10k.得到VB=13.64V,得到靜態工作點IC=IE=(VB-VBE)/RE=25.9mA,IB=1/β*IC=0.21mA,VCE=VCC-IC(RE+RC)=2.17V
6.1.4為了實現電路的延時功能，達到延時效果為40到60S,本次設計采用RC延時電路，根據計算公式，T=0.7*RC。所以設置電路中電容為10u,電阻為8M.電路延時T=0.7*C2*R5=56s，達到了實際要求，實際仿真效果同步。
6.2特殊元器件6.2.1晶閘管的工作原理
晶閘管的工作原理分析：晶閘管可用兩個不同極性（P-N-P和N-P-N）晶體管來模擬，如圖6.2.1所示。
當晶閘管的柵極懸空時，BG1和BG2都處于截止狀態，此時電路基本上沒有電流流過負載電阻RL，當柵極輸入一個正脈沖電壓時BG2道通，使BG1的基極電位下降，BG1因此開始導通，BG1的導通使得BG2的基極電位進一步升高，BG1的基極電位進一步下降，經過這一個正反饋過程使BG1和BG2進入飽和導通狀態。電路很快從截止狀態進入導通狀態，這時柵極就算沒有觸發脈沖電路由于正反饋的作用將保持道通狀態不變。如果此時在陽極和陰極加上反向電壓，由于BG1和BG2均處于反向偏置狀態所以電路很快截止，另外如果加大負載電阻RL的阻值使電路電流減少BG1和BG2的基電流也將減少，當減少到某一個值時由于電路的正反饋作用，電路將很快從道通狀態翻轉為截止狀態，我們稱這個電流為維持電流。在實際應用中，我們可通過一個開關來短路晶閘管的陽極和陰極從而達到晶閘管的關斷。等效圖如下
圖6.2.1
6.2.2CD4011
7電路的仿真與調試
采用proteus軟件進行仿真，畫出電路，并且在仿真過程中，用開關模擬有無聲音，光源離光敏電阻的遠近來模擬白天與晚上。
7.1白天時的模擬
白天時，開關彈起，光源離光敏電阻很近
圖7.1.1（a）
仿真結果：繼電器電路未導通，燈兩端電壓相等，且燈不亮
圖7.1.1（b）
7.2晚上時的模擬7.2.1晚上無聲
開關彈起，光源離光敏電阻很遠
圖7.2.1（a）
仿真結果：繼電器電路未導通，燈兩端電壓相等，且燈不亮
圖7.2.1（b）
7.2.2晚上有聲
開關合下，光源離光敏電阻很遠
圖7.2.2（a）
仿真結果：燈亮
圖7.2.2（b）
延時：
圖7.2.2（c）
8心得體會
為期近兩周的課程設計在考試之后豐富了我們的生活和學習，讓我受益匪淺。本次課程設計的選題給我們很大的興趣，對于夜間照明電路的設計一直以來都是同學們很感興趣的一個課題所以我們投入了大量的時間和精力去完成這個十分模糊的概念。因為之前基本上沒有接觸過相關的培訓和學習，所以在設計過程中阻力是很大的，全部都是要依賴于我們自學和創造性設計，聯系課本的知識發現很難去完成此次設計。在設計過程中經歷了一段迷茫期，不知道從何處下手去做，而這些很多課堂上沒有接觸到的東西，卻是在創造性學習設計的過程中需要去現學現用的。
經過老師的指導和同學們的相互幫助，上網查閱一些資料，慢慢的接觸相關的知識，從不太清楚到漸漸明確方向。學習了相關的一些仿真軟件，例如Multisim和Proteus等能夠幫我們在設計過程中發現問題，解決問題。通過它們可以進行設計仿真檢驗設計的正確性。在設計的過程中，我遇到了一些難題例如仿真軟件操作問題電機正反轉電路設計以及其驅動電路等等，但是都最后一一解決掉。
通過此次課程設計，讓我認識到了自身存在很多的不足，需要在接下來的學習和生活中要改正的。大二的結束，進入大三后對更多專業知識的學習需要我們仔細鉆研，在這個階段給了我們很好的提前了解的機會。雖然對單片機、自動控制原理沒有理解，但是這也是一個好的開始。對接下來的學習更加具有方向性和指導性。
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