基于Multisim的聲光控路燈電路設計（文檔+仿真工程）

ID:456685 · 發表于 2018-12-27 18:45

220v交流電壓供電
使用光敏電阻和交流信號源聲音信號輸入仿真

現在，在公共場所和公共樓道中，燈光長時間量著的現象是十分的普遍，這給社會造成了極大的能源浪費。另一方面，由于頻繁開關或者人為因素，墻壁開關的損壞率很高，增大了維修量、浪費了資金。聲光控路燈則無這種問題。針對目前社會上很多地方使用長明燈照明，不能實現燈光的照明智能化造成電能的巨大浪費。為響應科學減排和節能科學發展的號召而設計了聲光控路燈控制系統。
本系統利用自制直流穩壓電源供電，根據光敏電阻的阻值變化判斷光線強弱，用咪頭測聲音信號，LM324 對信號進行放大和構成比較電路。由 74LS08D 的與門，實現對信號的篩選，從而對開關部分發出開啟或關閉的信號。繼電器控制驅動燈泡，由 RC 充放電路進行延時。通過對外界信號的選擇，聲光控路燈實現自動控制燈亮。僅當光線較暗并且有聲響時，路燈才會自動點亮，并延時 20 秒左右熄滅。此系統能很好的控制路燈的亮滅，即在有聲音和無光情況下燈亮，其他情況下燈滅，從而達到節能的效果。
聲光控路燈控制器可以自動實現人來燈亮，人走燈滅，既方便又實用。不僅節約了電能，而且能延長燈泡的使用壽命�？蓮V泛應用于樓梯，走廊，衛生間及生活小區等公共場所的照明控制。詞控制器經濟實用，即使一般的腳步聲也能使燈泡發光照明。

目錄
摘要
關鍵字
Abstract
Keywords
1 前言
2 設計任務
2.1 設計任務及要求
3 系統組成及工作原理
3.1 總體設計思路
3.2 電路各模塊設計簡介
4 系統中電源模塊的設計
4.1 方案比較和確定
4.2 設計思路
4.3 直流穩壓電源原理
4.4 參數選擇
4.5 仿真圖
5 電源電路和系統的調試
5.1 電路的焊接
5.2 電路的調試
5.3 系統調試
總結
致謝
參考文獻
附件一

1 前言

隨著科學技術的發展以及人們對節能意識的增強，公共場所照明控制手段也將逐步更新，除現在已有的聲光控開關外，還有微波感應開關和熱釋遠紅外感應開關。目前，微波感應開關的抗干擾性能尚不理想，紅外感應開關在性能上較為理想，但安裝復雜，比較嬌氣，價格也偏高，比較適合在一些管理完善的場所如賓館、大飯店樓道及家庭走廊應用，在普通住宅樓、辦公樓道等場所的照明控制考慮到價格、管理及安裝方便等因素，根據我國國情，可以預計在相當一段時期內，聲光控路燈將是首選的主流產品。
本次課題是聲光控路燈控制系統設計，此控路燈系統的設計采用模塊化結構，主要有聲控電路，光控電路，延時電路，電源電路及其他電路。在設計此控制系統時，采用模塊化的設計思想，使設計起來更加簡單、容易、條理清晰。同時調試起來也更容易：可以先將各個板塊單獨進行調試，再匯總。這樣可以避免因為某個單一板塊做不出來而使整個系統的設計進程無法繼續。
此電路是通過對外界信號的選擇而使燈泡亮的功能。利用自制直流穩壓電源供電，根據光敏電阻的阻值變化判斷光線強弱，用話筒測聲音信號，LM324 對信號進行放大，和構成比較電路，繼電器控制驅動燈泡。當有較強光時無論有無聲音都不會亮，無光或光很暗時有聲音會亮，無聲音則不亮，延時時間是 20 秒。該聲光控路燈初步評測使用還比較方便，應用也相對比較廣泛。該電路可應用于商品房、公司等走道上，能滿足這些特定場合的需要，具有廣泛的應用價值。

2 設計任務

2.1 設計任務及要求

1. ①光照度強（白天）路燈不點亮，光照度暗（夜晚）路燈可由聲音控制。
②有聲音是路燈點亮否則不點亮。

2．設計電路結構，選擇電路元件，計算確定元件參數，畫出實用原理電路圖。

3．自擬實驗方法、步驟及數據表格，提出測試所需儀器及元器件的規格、數量。

3 系統組成及工作原理
3.1 總體設計思路

聲光控路燈主要是依據光控原理和聲控原理來設計的。利用光控電路可以根據光線的亮暗條件控制燈的使用。光控電路是由光敏電阻和普通電阻組成。聲控電路是為完善光控路燈而設計。在不同時段、不同的地點使用燈的機率也不同，聲控可進一步節約能源。整個電路由電源電路，聲控電路，光控電路及延時電路等部分組成。電源由電網供電電壓交流 220V(有效值)50Hz，經降壓整流后輸出電路所需電壓。光控電路對外界光亮程度進行檢測，輸出與光電程度相對應的電壓信號。從而實現白天燈泡不亮晚上遇到聲響時，通過聲控電路使燈泡自動點亮，聲控電路主要將聲音信號轉變為電信號，從而要實現自動控制，延時電路聲音消失后延長一段光照時間�？傮w方框圖如圖 2.1 所示。

圖2.1 聲光控路燈原理結構方框圖（見附件）

3.2 電路各模塊設計簡介

（1）光控電路

圖 2.2 光控電路為光信號采集電路，負責給邏輯電路提供環境中光的信息。利用光敏電阻對光的強度程不同阻值特性，使電路輸出與光電信號相對應的電壓信號。從而實現光控目的。

圖2.2 光控電路

（2）聲控電路

如圖 2.3 聲控電路為聲音信號采集電路，主要負責給邏輯電路提供環境中的聲音信號。光控的基礎上，通過咪頭對聲音的檢測，使電路輸出與聲音相對應的電壓值。通過邏輯電路，在夜晚有人經過時路燈點亮并在聲音消失后一段時間后熄滅。

圖2.3 聲控電路

3.2. 3 邏輯控制電路

如圖 2.4 用于對聲音及光信號的綜合處理，運用 74LS08D 的與門，實現對信號7的篩選。從而對開關部分發出開啟或關閉的信號。實現對光及聲音信號的綜合反映，實現智能省電。

圖2.4 邏輯控制電路

3.2. 4 延時電路

延時電路的作用是在燈亮之后延時 20S 然后控制燈自動熄滅，從而達到節約電能延長使用壽命的目的。如圖 2.5 所示，由前一級電路輸入激勵，通過 RC 充放電達到延時的目的。通過比較器輸出的電壓使三極管導通或截止，從而使繼電器工作控制燈泡開關。

2.5 延時電路

3.2. 5電源電路

電源模塊是聲光控路燈系統中不可缺少的一部分，也是保證系統穩定安全工作的前提。本次設計的電源電路如圖 2.6 所示：電網提供交流電壓 220V，流經的變壓器輸入電路。交流電壓經過橋路，使交流電壓變成脈動的直流電壓。濾波電容 C3使電壓的脈動越小，輸出電壓平均值越大。LM317 為可調式三端穩壓器，在電網電壓波動和負載變化時，利用自身調整原理，使輸出電壓非常穩定。通過調節變阻器R1，使 R3與 R1 的比值改變從而達到調節電壓的目的。

圖2.6 電源電路

4 系統中電源模塊的設計
4.1 方案比較和確定

直流電源按原理分為線性電源和開關穩壓電源兩種，線性電源通過改變調整元件控制信號的強弱來調節其等效阻值，從而穩定輸出電壓。其特點是：紋波系數小，但效率低，一般適用于小功率的電子電路。開關型穩壓電源通過改變開關管的導通時間，得到穩定的電壓輸出，其特點是紋波系數大，電磁兼容性差，效率高，過載能力強，一般適用于大功率或者要求效率高的場合。由于本實驗只需要較小功率，且對效率也無特殊要求，因此選擇較為簡單的線性電源。

在線性穩壓電路中，有串聯型穩壓電路與集成線性穩壓電路。串聯型穩壓電路如圖 3.1 所示，它由調整管，基準電壓電路，取樣電路和比較放大電路組成。調整管的壓降總與輸出電壓的變化方向相反，起著調整的作用；而放大環節使電壓負反饋加深，故調整的結果使 U0 的變化很小。從理論上講，放大電路的放大倍數越大，負反饋越深，輸出電壓的穩定性越好。但是當負反饋越強時，可能產生自激振蕩，需消振才能正常工作。集成穩壓線性電路如圖 3.2 所示，經整流濾波后的直流電壓Ui 接在輸入端，在輸出端便可得到穩定的輸出電壓 U0。Ci 用于抵消電感效應，C0用于改善負載瞬間響應。RP1 與 R1 的比值改變可以調節輸出電壓的值。圖中所用到的集成穩壓器是隨半導體集成技術的發展應運而生的。具有體積小，可靠性高，使用靈活，溫度特性好的優點。對比兩個電路圖，考慮到操作簡單，技術要求等問題，發現集成線性穩壓電路更適合此設計。

圖3.1 串聯型穩壓電路圖

圖3.2 集成線性穩壓電路圖

4.2 設計思路

（1）電網供電電壓交流 220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網電壓降低獲得所需要交流電壓。

（2）降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動大）。

（3）脈動大的直流電壓須經過濾波電路變成平滑，脈動小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。

（4）濾波后的直流電壓，再通過穩壓電路穩壓，便可得到基本不受外界影響的穩定直流電壓輸出，供給負載 RL。

4.3 直流穩壓電源原理

直流穩壓電源是一種將 220V 工頻交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩壓四個環節才能完成，見圖 3.3

圖3.3 直流穩壓電源方框圖

其中：

（1）電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網 220V 交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。

（2）整流電路：利用單向導電元件，把 50Hz 的正弦交流電變換成脈動的直流電�？捎� W08 橋堆。

（3）濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。

（4）穩壓電路：穩壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩定，不隨交流電網電壓和負載的變化而變化。

整流電路常采用二極管單相全波整流電路，電路如圖 3.4 所示。在 u2 的正半周內，二極管 D1、D2 導通，D3、D4 截止；u2 的負半周內，D3、D4 導通，D1、D2截止。正負半周內部都有電流流過的負載電阻 RL，且方向是一致的。電路的輸出波形如圖 3.5 所示。

圖3.4 整流電路圖3.5 輸出波形

在橋式整流電路中，每個二極管都只在半個周期內導電，所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半。

在設計中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點，將電容器和負載電容并聯或電容器與負載電阻串聯，以達到使輸出波形基本平滑的目的。穩壓電路可選集成三端穩壓器電路。總體原理電路見圖 3.6。

圖3.6 穩壓電路原理圖

4.4 參數選擇

（1）根據設計所要求的性能指標，選擇集成三端穩壓器。

因為要求輸出電壓可調，所以選擇三端可調式集成穩壓器。可調式集成穩壓器，常見主要有 CW317、CW337、LM317、LM337。317 系列穩壓器輸出連續可調的正電壓，可調范圍為 1.2V~37V，最大輸出電流為 1.5A。穩壓內部含有過流、過熱保護電路，具有安全可靠，性能優良、不易損壞、使用方便等優點。其電壓調整率和電流調整率均優于固定式集成穩壓構成的可調電壓穩壓電源。 LM317 系列管腳圖和典型電路如圖 3.7.

圖 3.7 LM317 管腳圖與典型電路

輸出電壓表達式為：

式 3.4.1 中， 1.25 是集成穩壓塊輸出端與調整端之間的固有參考電壓，此電壓加于給定電阻 R1兩端，將產生一個恒定電流通過輸出電壓調節電位器 RP1，電阻 R1 常取值 200?，RP1 取 5K?。

由上式可得U在1.25V~32.5V之間

LM317其特性參數：輸出電壓可調范圍：1.2V~37V

輸出負載電流：1.5A

輸入與輸出工作壓差：3~40V

能滿足設計要求，所以選用LM317組成穩壓電路

(2)選擇電源變壓器

確定副邊電壓U2:

電路中濾波電容承受的最高電壓為 17V，所以所選電容器的耐壓應大于 17V。

（4）抑高頻電容 C0 的選擇

由于大容量電解電容有一定的繞制分布電感，易引起自激震蕩，形成高頻干擾，所以穩壓器的輸入、輸出端常并入瓷介質小容量電容用來抵消電感效應，抑制高頻干擾。一般電路中接上 1uf 的電容即可。

4.5 仿真圖

利用 Multisim 軟件進行仿真，考慮到實際變阻器的調節，取兩組數據。將變阻器分別滑到 0%和 100%，分別記下兩組數據的圖形及數據。圖 3.8 為變阻器調到 0%的時刻，輸出電壓為最小值 1.254V。圖 3.9 為變阻器調到 100%的時刻，輸出電壓為最大值 32.962V。根據理論計算公式可知，在變阻器調到 0%的時刻，理論值為 1.25V；在變阻器調到 100%的時刻，理論值為 32.5V。仿真結果與理論計算特別接近，因此該電源滿足設計需求。

圖3.8 變阻器調到0%時

圖3.9變阻器調到100%時

5 電源電路和系統的調試5.1 電路的焊接

應注意的事項：

1.先裝矮后裝高、先裝小后裝大、先裝再焊等等；

2. 布線盡量使電源線和地線靠近實驗電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用；

3. 最好分模塊安裝。此外焊接時不能出現虛焊、假焊、漏焊，更不能出現過焊，因為有些器件，不能耐高溫，比如焊接三極管時，電烙鐵絕對不能停留太久。

4. 按照原理圖焊接時必須要保證可靠接地。

5.2 電路的調試

電源電路的調試較為簡單，接入 220V，50HZ 的交變電流后，電源指示燈亮，表示接通。用萬用表的紅黑表筆分別接引出的輸出導線，測量兩端電壓。將變阻器調到 100%，則輸出最小電壓，理論值是 1.25V,仿真所得值為 1.254V，實際測得值為1.12V。將變阻器調到 100%，理論上應輸出 32.5V,仿真所得值為 32.962V ，實際測得值為 31.3V。實際值與理論值在可接受的誤差范圍內，因此電源較為合格，滿足實驗要求。本實驗中各模塊所需值為 7V,調節電位器同時看萬用表的示數，調到輸出值為 7V 的位置即可。

5.3 系統調試

將五個模塊連接好，附上電源。用手遮住光敏電阻，使光敏電阻接收不到光線或者僅接受很弱光線，用手敲咪頭（由于庫房限制，咪頭對聲音的敏感度不是很強，因此用手直接在上面敲制造聲音），如果燈泡亮，且持續亮了 20 秒鐘，則說明實驗達到了預期效果。若燈泡沒有亮，則用示波器逐個檢測信號，再檢查是否存在虛焊的問題。直到達到實驗預期效果。調試過程中如果發現電路不是怎么靈敏，可以調節聲音檢測放大系統的電位器，增加它的靈敏度。

在調試電路開始，燈泡一直不亮。檢查電板電路上的元件，發現有塊芯片燒壞了，換了一塊芯片。繼續調試還是存在問題，電路出現了不穩定的狀態，主要是燈時亮時不亮，最后發現是由于電源線虛焊了導致電路的時好時壞，經過重新檢查和焊接，問題的得到解決。

總結

聲光控路燈控制系統是一種聲音和光照雙控照明燈，它可以用于樓梯、街道等經常有路人卻又不確定時候出現的場合。與一般路燈不同的是，聲光控路燈僅在光線較暗并且有聲音的情況下才控制電路接通，使燈亮。從而達到人來燈亮，延長一小段時間后燈熄。因而比無此控制系統的路燈更節能，使用壽命也相對較長。

本系統由五個部分組成。電源部分通過對電網電壓的整流濾波輸出穩定的直流電壓，給整個電路供電。聲控電路通過咪頭檢測到聲音，將聲音的變化轉化成電壓的變化傳給邏輯電路。光控電路通過光敏電阻對光的強弱程呈不同阻值而改變電路中的電壓，傳給邏輯電路。聲音信號和光信號通過與門的選擇判斷，決定對開關發出開啟或關閉的信息。如果開關開啟，則延時電路通過 RC 充放電實現燈亮延時的效果。由于此電路在光線較暗時是否接通取決于聲音的強弱，因此為加強其工作效應，設計了信號放大整形電路，微弱的信號經過此電路加工也能使開關工作。本次設計總體上達到了預期的效果，在用手遮住光敏電阻同時對咪頭給予聲音刺激，燈亮，并且延時了 20 秒。

本次設計電路結構簡單，既可及時照明又可節省電力。其適用范圍廣，并且使用壽命長，既減少了維修量也省了資金，很切合當代提倡的節能觀念。展望未來的照明市場，節能照明電器的需求有著大幅增長的趨勢，因此聲光控路燈的潛力很大。

致謝

在本次課程設計過程中，感謝我的學校，給了我學習的機會，在學習中，楊老師給予了細致的指導，提出了很多寶貴的意見與建議，老師以其嚴謹求實的治學態度、高度的敬業精神、兢兢業業、孜孜以求的工作作風和大膽創新的進取精神對我產生重要影響。

他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。通過兩周的努力,在老師和同學的輔導和幫助下,我完成了此次設計通過此次課程設計，我再一次認識到了自學的重要性。在仿真設計的過程中，我發現了很多細節性的問題，也出現了很多錯誤，經過和同學們研究、商討最后都解決，感覺團隊協作能力是非常有必要的。通過此次設計，讓我對以前所學習的電力電子和multisim知識有了更深刻的了解，我認為此次設計讓我更加鞏固了所學的知識并在設計的過程中得以運用，克服了做設計過程中的困難，讓我受益匪淺。

感謝所有授我以業的老師，沒有這些年知識的積淀，我沒有這么大的動力和信心完成。感恩之余，誠懇地請老師對我的作品多加批評指正，使我及時完善作品的不足之處。

謹以此致謝，最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱的老師表示衷心的感謝。

附件一：

總原理圖