夜间照明电路课程设计设计内容
摘要
在地球资源日益枯竭的今日，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，在灯种的研发上，更是趋向环保、节能的特性上发展。因此开发新型、高校、节能寿命长、显示指数高、环保的光源对居家照明节能具有十分重要的意义。
而声光控符合现代社会对环保、节能的要求。声光控级声学、光学和延时技术为一体、内置声音感应元件，光效感应元件。光敏电阻、驻体式电容传感器、二极管、三极管、电容等元器件与四个与非门电路的结合使得声光控楼道灯有效地将电能转换成光能。
白天或者光线较强时，开关电路为自锁状态，灯不亮，当光线黑暗或晚上来临时，开关进入预备工作状态，此时，当来人有脚步声、说话声、拍手声等声源时，开关自动打开，灯亮，延时一段时间后自动熄灭，从而实现了“人来灯亮，人去灯熄”，杜绝了长明灯，使得声光控灯低能耗、长寿命。
本次强化训练的主要内容是掌握基本元器件的识别方法、声光控楼道灯工作原理以及对电路的仿真与调试。
关键词：声光控；光敏电阻；与非门
1设计目的和任务
1.1巩固加深对模拟、数字电子技术基础知识的理解，提高综合运用所学知识的能力，培养学生独立分析问题、解决问题的能力。
1.2通过查找资料、选方案、设计电路、仿真或调试、写报告等环节的训练，熟悉设计过程、步骤。为今后从事电子线路的设计、研制电子产品打下良好的基础。
1.3作为电力电子技术的入门，学习晶闸管的应用。
1.4设计模拟和数字电子混合电路，实现特定功能。学习这一技能，积累这方面的经验
2设计要求
2.1设计一个光线暗淡有声响时灯亮，延时照明后自动熄灭的节电控制电路。
2.2光线明亮，有无声响，灯不亮；
2.3光线暗淡，有声响，灯亮且延时40至60秒自动熄灭（延时时间可调）；
2.4光线暗淡，无声响，灯不亮。
3总体框图设计3.1设计思路
通过对设计要求分析之后知道要完成设计需要以下几个部分：光控电路，声控电路，延时电路，电磁继电器电路。当且仅当光控电路和声控电路同时工作时，电磁继电器开关被吸下，灯泡亮。若声控开关和光控开关一直闭合，则灯泡一直亮，若此时断开声控或光控开关，由于延时电路的作用，灯泡能继续亮一段时间，过一段时间后电磁继电器衔铁断开，灯泡熄灭。
3.2方案的设计与比较
在设计过程中本人设计了两种电路，下面对两种电路进行比较与选择。
3.2.1方案一
由三级管构成的射极偏置放大声控，由分压电路构成光控电路，然后利用与非门进行信号传输，利用RC制成一个延时电路，前面的控制电路最终控制电磁继电器电路从而控制灯泡的亮灭以及延时。
3.2.3方案的比较
方案一的元件均为常见的基本元件，用到的有电阻，电容，三极管，与非门，二极管，光敏电阻，电磁继电器，函数信号发生器。相比之下方案二用到的元件555芯片，运放，电阻，电容函数信号发生器，二极管，光敏电阻。相比之下方案一的元件比较简单而且易于得到，在实际仿真过程中，方案二出了很多问题，所以最终决定选用方案一，得到了比较满意的结果。
4整体电路的分析4.1光控电路4.1.1原理介绍：
光敏电阻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。将光敏电阻接于如图所示分压电路中，改变入射光的强度，即改变了光敏电阻的阻值，从而改变了光敏电阻的分压，当有光时，光敏电阻阻值小，两端电压小；当无光时，光敏电阻阻值大，两端电压大。将有光无光时光敏电阻两端的电压改变作为一个信号，也可理解为一个开关，从而实现光控电路开关的功能。
4.1.2电路图
图4.1.2
4.2 声控电路4.2.1原理介绍：
用函数信号发生器模拟声音信号，用快关控制其通断，即可表示声音信号的有无。当开关闭合时，即有声音信号时，构成如图所示的射极偏置电路，对声音信号进行放大。首先确定三极管的静态工作点，当IR10>>IB时，由VB=R10/(R10+R12)可得，静态工作点Q为IC=IE=(VB-VBE)/R15，IB=1/β*Ic,VCE=VCC-IC(R11+R15)。声音信号采用1V,500HZ的正弦交流信号模拟，通过射极偏置电路，作为声控开关传递给后续电路。
4.2.2电路图；
图4.2.2
4.3逻辑门电路和延时电路
4.3.1原理介绍：
当声音信号和光信号传输到U5都为高电平时，即无光有声，通过与非门，输出为低电平，经过U6时输出为高电平，根据二极管的单向导电性，D3导通，传输到U7输入端为高电平，经过U8反向后输出为高电平。当声音信号和光信号有一个为低电平时，即有光或者无声时，经过U6输出均为低电平，二极管截止，U7输入端均为低电平，经过U8输出为低电平。
图中RC构成电路的延时电路，在二极管导通的时候会给电容充电。当声音信号断开时，二极管不导通，由C3放电，实现电路的延时功能。
4.3.2电路图
图4.3.2
4.4电磁继电器电路
4.4.1原理介绍：
电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流、较低的电压去控制较大电流、较高的电压的一种"自动开关"。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
当线圈中有电流时，电磁继电器的衔铁被吸下，灯泡控制电路导通，此次仿真采用家庭电路220V电压，灯泡采用25W小功率灯泡，进一步满足节能的要求。当声音信号或者光信号有一个断开时，由于延时电路中电容C的放电，灯泡会继续亮一段时间，当电容C放电完毕时，电磁继电器线圈中没有电流，衔铁断开，灯泡熄灭。实现用弱电自动控制强电的功能，起到了安全的功能。
4.4.2电路图
图4.4.2
5整体原理图
5.1工作原理：
当有光信号时，光敏电阻的阻值较小，由于分压作用，输入U2端为低电平。根据与非门的逻辑功能无论是否有声音信号，输出均为高电平，经过由与非门构成的非门反向后输出为底电平，二极管D1截止，即U3输入端均为低电平，输出为高电平，经过U1反向后输出为低电平，三极管Q3为不导通状态，电磁继电器线圈中无电流，灯泡不亮。
当无光信号时，光敏电阻的阻值较大，由于分压作用，输入U2端为高电平。1.当无声音信号时，经放大电路输入U2端为低电平，此时U2与非门输出为高电平，二极管截止，灯泡不亮。2当有声音信号时，经放大电路输入端为高电平，此时U3两输入端均为高电平，二极管导通，给C2充电，同时U3两输入端均为高电平，U1输出端为高电平，三极管Q2导通，电磁继电器线圈中有电流，将电磁继电器的衔铁吸下，灯泡控制电路导通，灯泡亮。若一直有声音信号，则电磁继电器线圈中一直有电流，即灯泡会一直亮。若断开声音信号，则二极管会处于截止状态，此时电容C2放电，电磁继电器线圈中仍然有电流，灯泡继续亮一段时间，直到电容C2放电结束，灯泡熄灭，实现延时功能。
5.2整体原理图；
图5.2
6.元件的选择6.1部分元器件参数的设定
6.1.1三极管的电流放大倍数，β=（IC-ICEO）/IB≈IC/IB=132.6
6.1.2光敏电阻的阻值变化范围，当无光照时，光敏电阻阻值为512K,当有光照时，光敏电阻阻值为76K。为了体现光敏电阻有无光照的影响，选用R3=1.1M。当有光照时V=R/（R+R3）*VCC=76/(76+1100)*15=0.94V ,当无光照时V=512/（512+1100）*15=4.76V 对比发现两者有明显的差异，可以看成高低电平的转换。
6.1.3为了稳定三极管Q1的静态工作点，放大声音信号，采用射极偏置放大电路。为了满足I>>IB,由于VB=R2/(R2+R9)*VCC,设置R2=100k,R9=10k.得到VB=13.64V,得到静态工作点IC=IE=(VB-VBE)/RE=25.9mA,IB=1/β*IC=0.21mA,VCE=VCC-IC(RE+RC)=2.17V
6.1.4为了实现电路的延时功能，达到延时效果为40到60S,本次设计采用RC延时电路，根据计算公式，T=0.7*RC。所以设置电路中电容为10u,电阻为8M.电路延时T=0.7*C2*R5=56s，达到了实际要求，实际仿真效果同步。
6.2特殊元器件6.2.1晶闸管的工作原理
晶闸管的工作原理分析：晶闸管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图6.2.1所示。
当晶闸管的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时BG2道通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始导通，BG1的导通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和导通状态。电路很快从截止状态进入导通状态，这时栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持道通状态不变。如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和BG2均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少BG1和BG2的基电流也将减少，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从道通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。在实际应用中，我们可通过一个开关来短路晶闸管的阳极和阴极从而达到晶闸管的关断。等效图如下
图6.2.1
6.2.2CD4011
7电路的仿真与调试
采用proteus软件进行仿真，画出电路，并且在仿真过程中，用开关模拟有无声音，光源离光敏电阻的远近来模拟白天与晚上。
7.1白天时的模拟
白天时，开关弹起，光源离光敏电阻很近
图7.1.1（a）
仿真结果：继电器电路未导通，灯两端电压相等，且灯不亮
图7.1.1（b）
7.2晚上时的模拟7.2.1晚上无声
开关弹起，光源离光敏电阻很远
图7.2.1（a）
仿真结果：继电器电路未导通，灯两端电压相等，且灯不亮
图7.2.1（b）
7.2.2晚上有声
开关合下，光源离光敏电阻很远
图7.2.2（a）
仿真结果：灯亮
图7.2.2（b）
延时：
图7.2.2（c）
8心得体会
为期近两周的课程设计在考试之后丰富了我们的生活和学习，让我受益匪浅。本次课程设计的选题给我们很大的兴趣，对于夜间照明电路的设计一直以来都是同学们很感兴趣的一个课题所以我们投入了大量的时间和精力去完成这个十分模糊的概念。因为之前基本上没有接触过相关的培训和学习，所以在设计过程中阻力是很大的，全部都是要依赖于我们自学和创造性设计，联系课本的知识发现很难去完成此次设计。在设计过程中经历了一段迷茫期，不知道从何处下手去做，而这些很多课堂上没有接触到的东西，却是在创造性学习设计的过程中需要去现学现用的。
经过老师的指导和同学们的相互帮助，上网查阅一些资料，慢慢的接触相关的知识，从不太清楚到渐渐明确方向。学习了相关的一些仿真软件，例如Multisim和Proteus等能够帮我们在设计过程中发现问题，解决问题。通过它们可以进行设计仿真检验设计的正确性。在设计的过程中，我遇到了一些难题例如仿真软件操作问题电机正反转电路设计以及其驱动电路等等，但是都最后一一解决掉。
通过此次课程设计，让我认识到了自身存在很多的不足，需要在接下来的学习和生活中要改正的。大二的结束，进入大三后对更多专业知识的学习需要我们仔细钻研，在这个阶段给了我们很好的提前了解的机会。虽然对单片机、自动控制原理没有理解，但是这也是一个好的开始。对接下来的学习更加具有方向性和指导性。
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