实验报告
课程名称： 现代电工电子技术 实验项目： 简易声光控照明灯设计 专业班级： 计算机科学与技术1301班
姓 名： 吴金泽 学 号： 130405109
指导教师： 徐卜一
目 录
目 录 ............................................... 2 第一章 绪论 .......................................... 3
1.1引论 .......................................... 3 1.2设计内容的意义 ................................ 3 1.3电路功能简介 ...................................... 4 1.4设计目的与要求 ................................ 4 第二章 总体设计方案 .................................. 5 2.1设计分析 ...................................... 5 2.2所需要的器件 .................................. 5 2.3电路的工作原理及参数计算 ...................... 5 2.4 设计方案论证 .................................. 6
2.4.1分步设计.........................................6
2.4.2总体设计 ........................................7
第三章 原件功能介绍 .................................. 8
3.1 LM358功能简介 ................................ 8 3.2 NE555功能简介 ................................ 9 3.3 74HC123功能简介 ............................. 11 3.4发光二极管功能简介 ........................... 12 3.5驻极体话筒功能简介 ........................... 13 3.6 光敏电阻器功能简介 ........................... 14 第四章 硬件电路安装及调试 ........................... 14 4.1 电路的焊接 ................................... 14 4.2 电路的调试 ................................... 15 第五章 声控灯的优缺点及改进方法 ..................... 16 5.1 声光控制灯优缺点 ............................. 16 5.2 改进的方法 ................................... 17
第一章 绪论
1.1引论
本篇论文研究有关电子产品中楼道声光照明灯的设计。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。声光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它不需要开关，当有人经过时会自动的亮；它与我们的生活息息相关，在生活中我们会遇见许多声光双控的电路形式。声光控电路是声音和光控制电路工作的电子开关。它将声音（如击掌声）和光转化为电信号，经放大、整形，输出一个开关信号去控制各种电器的工作，在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。那么它们的内部电路结构又是怎样？工作原理是什么？本篇论文将详细介绍它的内部结构、工作原理、元件特性、在印刷电路板上的接线、电路焊接等有关内容。 1.2设计内容的意义
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，而且贴近我们的生活。声光控楼道灯已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便。它不需要开关，在白天时不亮，晚上闻声自亮，行人走后几秒后自动关闭，既方便，又省电。广泛的应用于走廊、楼道招待所等公共场所，给人们的生活带来极大的方便。因此得到了广泛的应用。声控灯是一种智能灯具，既满足夜晚楼道照明的需要，又能最大限度地节约电能。用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几秒钟后会自动熄灭，从而实现了“人来灯亮，人去灯熄”，杜绝了长明灯，使得LED声光控灯低能耗、长寿命。。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，适合于各种楼房走廊的照明设备。
本次设计的楼道声控灯具有声控，光控以及延时功能。控制灵敏的声控电路，可方便及时地打开和关闭声控照明装置，并有防误触发而具有的自动延时
关闭功能。光控电子开关，它的“开”和“关”是靠可控硅的导通和阻断来实现的，而可控硅的导通和阻断又是受自然光的亮度（或人为亮度）的大小所控制的。该装置适合作为街道、宿舍走廊或其它公共场所照明灯，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。降低能耗、节约能源、注重环保是当今世界的主潮流，高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不受欢迎。继公布“欧盟后年白炽灯”的时间表后，世界各地陆续抛弃白炽灯已成定局，环保型节能荧光灯是白炽灯的替代者。 1.3电路功能简介
本电路机器极其适用于楼道内。当白天的时候，由于光敏电阻的阻值发生变化使输出控制为低电平，相当于开关闭合；晚上的时候控制为高电平，相当于开关打开。这样起到了节能的优点，减少了人为控制所带来的麻烦。 1.4设计目的与要求
目的：本次课程设计目的是设计一个声光控楼道照明系统。现在部门正在努力清楚居民楼的黑楼道问题，我们这次的设计目的就是为了方便人们在光线暗上下楼时的照明需求。白天楼道内光线充足时照明系统不会启动，当夜晚到来或光线不够充足时，有人需要使用给予足够的声响的时候灯会被点亮，而且考虑到环保节能的效果照明一段时间后系统会自动切断电源熄灭照明设备以实现电路的延时功能。这个设计应为用到一个可重复触发的74HC123集成块，所以还具备可重复给予声响延长灯亮时间的功能，在老年人行动缓慢的情况下可以保证用户通过是灯不灭。
要求：本次课程设计的题目是楼道声光控制灯设计，要求是在夜间（黑罩模拟）有声音信号时。使灯（用LED发光管模拟）点亮：无声时延迟5秒后熄灭，声音间隔小于5秒则LED持续点亮，白天有声无声均不点亮。
第二章 总体设计方案
2.1设计分析
在设计中，整个电路由电源电路，放大电路，处理电路（声控电路、光控电路）及延时电路等部分组成。光敏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晚上遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而要实现自动控制，延时电路声音消失后延长一段光照时间。必要时可加一个手动开关，以增强电路的实用性。
要想实现这一功能就必须对这一电路进行详细的分析，应该选用那些元件，选用元件的特点是什么，每一个元件要有怎样的功能，应该起到怎样的作用，集成块应该如何连接，电阻应该怎么选，怎样实现延迟时间等等问题都需要我们仔细研究每一个元件的使用特点和收集所需的资料。在下一章里，我们将对其进行更加详细的设计，对每一各集成块的功能特点和参数进行全面的讲解和说明。为了直观我们将应用图表来明。 2.2所需要的器件
这次课程设计主要用了74HC123、LM358和NES555三个集成器件，发光二极管，光敏电阻，驻极体话筒以及一些基本电路元器件。 2.3电路的工作原理及参数计算
应用LM358集成电路的5脚和6脚作为输入，7脚作为输出接成声控放大电路，2脚和3脚作为输入，1脚作为输出接成光控电路。将NE555电路2引脚和6引脚连在一起使其具有施密特触发器功能，后一并与接成放大电路的LM358集成块7引脚相连，NE555电路控制端4引脚与接成放大器电路的LM358集成块1引脚相连。分别将74HC123可重复触发单稳态触发器的1、2引脚，3、4引脚相连，将1、2引脚与NE555电路输出端相连，3、4引脚与电源高电平相连，6脚接发光二极管和电阻。
电路的延时功能体现在单稳态触发器的波形整理功能及连接在其14和15引脚的电容与电阻的适当组合上，本次课程设计使用的是低功耗实验电路所以选择150K欧及47uF电容串联方式，经计算其延时时间约为5秒。
当光线充足时，光敏电阻阻值很小，LM358的3脚分压小，电压比较器输出1脚为低电平。NE555电路4引脚为低电平有效，此时不管2脚和6脚输入为高或低，OUT输出端直接复位为0。74HC123的1脚和2脚也为低，其Q端
输出也为低，Q’端为高电平，发光二极管负端为高，灯不会亮。
当光线不充足时，光敏电阻阻值很大，LM358的3脚分压大，故电压比较器反相输入，输出为高电平，NE555的直接复位端4脚无效。这时若有声音信号通过驻极体话筒输入，通过电容滤波后输入LM358声控放大电路，经放大后输入NE555的2脚和6脚，正弦波形被施密特变换为反相矩形波。NE555的2
1脚和6脚输入大于Vcc的电压，3脚输出OUT由低变为高，74HC123的1脚和
22脚接收到一个上升沿脉冲，输入到74HC123单稳态触发器后再次经波形变换，Q端产生一个上升沿脉冲。由于LED接入74HC123的Q’引脚，故其在Q’引脚是一个下降沿脉冲，此时发光二极管负端为低，灯会亮，亮时延迟时间为脉冲宽度tw5s。声音信号消失，Q端上升沿维持5s后灯会自动熄灭。
74HC123为可重复触发单稳态触发器，其主要特点就是可重复触发性，它能使计时装置重新计时，以达到延长灯亮时间的目的。只要是在无光有声的情况下给声音信号，灯就会亮。 2.4 设计方案论证
方案论证：利用声控，光控电路将声音信号，光信号转化为电信号，其中的运放LM358将信号放大，用555构成的施密特触发器对波形整形，使输出为方波，用74HC123单稳态触发器控制延时时间，接LED发光二极管，从而实现整个电路的设计。
总的电路的设计是将声控放大电路、光控电路、NE555构成的施密特触发器和74HC123构成的单稳态触发器组合起来，这样即可以实现声控、光控、波形整形和延时的功能。 2.4.1分步设计
（1）、声控部分的设计如图2-1所示
图2-1
(2)、光控制部分的设计如图2-2所示
图2-2
2.4.2总体设计如图2-3所示
图2-3
第三章 原件功能介绍
3.1 LM358功能简介 引脚图如图3-1所示
图3-1
LM358内部包括有两个的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工 作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使 用运算放大器的场合. 3.2 NE555功能简介
NE555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。NE555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，NE555 可在 3~18V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
NE55是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。
NE555内部结构、引脚排列，功能表及电压输出特性如图3-2，3-3及表3-1所示：
图3-2
R UTH UTR u0 T的状态 导通 0 1 × × 0 1 图3-3 NE555电压传
1 将NE555的6信号输入端即可构施密特触发器可对和整形，最重要的
21VCCVCC0 导通 33 21VCCVCC保不变 33持 21VCCVCC1 截止 33 输特性
脚和2脚相连作为成施密特触发器。输入波形进行变换特点是能够把变化
缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲，它的电压传输特性是一条具有滞回特性的曲线，即触发器输出由低电平变为高电平和由高电平变为低电平所对应的阈值电压是不同的。其内部电路和波形如图3-4所示：
VCCVCC8RD47VCC2RvI2V3CC1V3CCtvICvI1vIvI25625551vO2vO13vO1t(a)电路图(b)波形图
图3-4 555构成的施密特触发器
3.3 74HC123功能简介
74HC123是一款高速CMOS器件,74HC123引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC123遵循JEDEC标准no.7A。
74HC123是双路可再触发单稳多谐振荡器，可通过多达3种方式实现输出脉宽控制。74HC123的nA和nB输入带施密特触发功能，使得电路对缓慢的输入上升和下降具备更高的容差性.74HC123 参数 74HC123 基本参数 电压2.0～6.0V 驱动电流, +/-5.2 mA 传输延迟,26 ns@5V 74HC123 其他特性 逻辑电平CMOS 功耗考量 低功耗或电池供电应用 74HC123 封装与引脚 SO16, SSOP16, DIP16, TSSOP16 74HC123 特性 DC通过高有效或低有效输入触发 可再触发，以适应超长脉冲，最高可达100%占空比 可直接复位，终止输出脉冲 除了复位输入，所有输入带有施密特触发功能 ESD保护HBEIA/JESD22-A114-C超过2000 V MM EIA/JESD22-A115-A超过200 V温度范围:-40～+85 ℃ -40～+125 ℃
74HC123的引脚排列、内部结构及功能表如表3-2所示：
74HC123功能表3-2
74HC123 是单稳态触发器. 其 RxCx (7,15) 和 Cx 端 (6,14) 接定时的电阻和电容, 即决定触发后 Q 端产生的单脉冲宽度. Rbar (3,11) 是低电平复零, 不作复零时为高电平. Abar (1,9) 是下降沿触发输入端, 通过 Abar 用负脉冲触发, 不用时保持高电平. B (2,10) 是上升沿触发输入端, 通过 B 用正脉冲触发, 不用时置低. Q (5,13) 与 Qbar (4,12) 分别输出正负定时单脉冲.
器件中单稳触发器作用是不管触发信号持续多长时间，只固定维持外围阻容给定的一段时间就恢复触发前状态，外围电阻电容决定单稳时间，因为触发是由边缘触发，上升或下降沿。可再触发单稳不同之处是前次触发后的单稳没有恢复触发前状态而又有触发信号时，可再触发单稳将在触发边缘开始继续维持阻容给定的单稳时间，而单稳是不理会在翻转后的触发信号的。此芯片也可做多谐振荡器用。
74HC123单稳态触发器。它有两种输入，A为低电平有效，B为高电平有效。有两种输出，正好相反。用外接的电阻电容作定时元件，时间自己定，比74LS电路易用。 单稳态触发器74HC123及外围电路来实现该功能。74HC123为双可重复触发的单稳态，其输出脉冲的宽度主要取决于定时电阻R与定时电容C，脉宽的计算为电容值与电阻值的乘积即：WP=R´C，在实际设计中R=5kW，C=80pF，输出脉宽为400ns、幅度约5V。脉冲快沿放大与射极跟随输出电路，主要作用是对整形与展宽后的触发脉冲进行加速和放大，以便得到有较高幅度和较快上升沿的脉冲信号去触发场效应管2SC3306。 3.4发光二极管功能简介
发光二极管简称为LED。由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。 发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片，在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层，称为PN结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关. 3.5驻极体话筒功能简介
驻极体话筒：驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。
驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容.
极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高(Xc=1/2~tfc)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和
连接金属外壳的编织屏蔽线。 3.6 光敏电阻器功能简介
光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，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。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强.
第四章 硬件电路安装及调试
4.1 电路的焊接 电路板的焊接
焊接工序是电子厂中最普遍也是最关键的工序,其质量的好坏直接影响设计的进度与电路的质量。 一、焊接的概念
焊接，一般是用加热的方式使两件金属物体结合起来，所加熔上去的第三种物质称为“焊料”。按焊料熔点的高低分为“硬焊”和“软钎焊”，通常以
450℃为界，低于450℃的称为“软钎焊”。电子产品安装工艺中的所谓“焊接”就是软钎焊的一种,主要用锡、铅等低熔点合金做焊料，因此俗称“锡焊”。 二、烙铁钎焊的操作方法：
1、首先用电工刀或纱布清理连接线的氧化物，并在焊接处涂上适量的焊剂。 2、将含有焊锡的烙铁焊头先沾一些焊剂，对准焊接点下焊，焊头停留时间要根据焊件的大小决定。
3、焊接点必须焊牢焊透，焊液必须充分渗透，表面要光滑并有光泽，不允许出现虚焊和夹生焊点。
4、焊接绕组线头时，在焊接处与绕组间要用纸板隔开，以防焊锡流入绕组隙缝。应将先头连接处置于水平状态下再下焊。焊接完毕必须清除残留焊剂，并认真回复绝缘。
5、焊接桩头接头时，多股芯线清除氧化层后要拧紧；清除接线耳内的赃物和氧化物并涂焊剂；将线头搪锡后塞进接线耳套管内再下焊；在焊锡未充分凝固时不要摇动接线耳、线头或清残留焊剂。
6、16平方毫米及其以上的铜导线接头应用浇焊法。先将焊锡放在化锡锅内，用喷灯或电炉熔化，然后将导线接头放在锡锅上，用勺盛出熔化的锡，从接头上面浇下。
7、电烙铁金属外壳必须可靠接地；电烙铁要放在专用金属搁架上；不可用烧死的烙铁焊接；不准甩动电烙铁以防焊锡甩出伤人。 电子元器件的焊接：
主要采用手工焊接的插焊。电烙铁用25W、45W两种规格。焊剂用松香或松香酒精溶液。焊点必须焊牢，有一定的机械强度，焊液必须充分渗透，接触电阻小，表面光滑并有光泽，焊点大小应均匀。焊接方法是：清除元件焊脚处氧化层并搪锡；电路板为镀银的或镀银后已经发黑的，要清除氧化层并涂上松香酒精溶液，确认元件焊脚位置并插入孔内，剪去多余部分后下焊，每次下焊时间不得超过2s；焊接分立电子元件时选用25W电烙铁，焊头要稍尖，含锡量以满足1个焊点的需要为度，焊好后应快速提起焊头。焊接集成块时，工作台应覆盖可靠接地的金属薄板，集成块不可与台面经常摩擦，集成块焊接需要弯曲时不可用力过猛，焊接时要防止落锡过多。 4.2 电路的调试
1、接通电源，该系统加上激励信号源（如:拍掌声）,用眼睛观察灯泡是否亮和按时熄灭。
2、强光下，用手在麦克风附近拍打，看发光二极管是否发光。如灯亮了，则应该通过眼、耳、鼻、手来查找故障部位。即是看元器件有无断线、互碰、烧焦、脱焊等现象；听声音有无异常；闻有无焦味；摸器件是否过热等。用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值，粗查是否有短路、短路或元器件错焊等情况。用万用表测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据其电压值判断故障。测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。
3、用手遮住光敏电阻，还是用手在麦克风附近拍打，看灯是否亮，若亮了，再观察它到底能够亮多久，若不能够准确定时5秒，要及时修改元件参数，让其准确定时。二极管发光5秒大家时有一定的时间，大家要耐心的等这5秒钟过后再做定论，莫要以为是长亮的，我组就是那样没有耐心等待而浪费了一些时间。若发光二极管是长亮的请检查延时部分的电容，可能就是电容的正反极接反了。
4、本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住，在麦克风的附近拍手，这时灯就亮了。若用光照射光敏电阻，再用拍手这时灯不亮，说明光敏电阻完好，这时即时制作成功。若不成功应仔细检查有无虚假错焊和拖锡短路现象。
第五章 声控灯的优缺点及改进方法
5.1 声光控制灯优缺点
优点：楼梯间手拉开关都换成声控，既省事又节约电，居民发出声音, 自动灯和多功能应急灯, 完全实现人到灯亮,人走灯灭，多功能消防应急灯更有多种工作模式可供用户选择。光源和控制器及电源变换均一体化设计, 不须安装任何其它开关, 控制器通过感应人体的远红外信号或声音信号启动光源, 使用非常方便。
缺点：人们上下楼为了“点”灯，不是拍手、跺脚、唱歌，就是吹口哨、怪叫、咳嗽。发出很多的噪音，然而声音小了灯又不会亮，影响了居民的休息。
光敏电阻感光非常灵敏，当白天影子投在光敏电阻上有声响时灯同样会亮。
5.2 改进的方法
可采用能将声音信号大小控制在某一范围才能导通的声敏电阻制成的驻极体话筒或其他更加智能化的电子元件。可采用不那么灵敏的光敏电阻，只有当光照强度下降到某一程度时，其阻值才会下降很多。
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