专业课程设计解说.doc
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1、专业课程设计解说 武汉纺织大学课程设计任务书课题名称: 脚步声控制照明灯 完成期限: 2013年07月01日 至 2013年07月12日院系名称 机械工程与自动化 指导教师 周国鹏 专业班级 测控1102 指导教师职称 副教授 学生姓名 王厚雷 学号 1102381069院系课程设计(论文)工作领导小组组长签字 徐亚文 目录一、 设计目的.二、 设计方案及要求.三、 电路框图和原理图.四、 各单元电路图及原理图.五、 照明电路的工作原理.六、 主要元器件.七、 安装调试与结果分析.八、 调试仿真.九、 设计心得体会.十、 电子元器件清单.十一、 参考文献.一、设计目的 随着人类的发展,自然的现
2、有资源财富已经捉襟见肘。可是资源在使用的过程中依然存在许多浪费,节能环保是必不可少的措施,科技的进步使得能源的利用率得到很大程度上的提高。 比如说在楼道里路灯,要是一直开着就很浪费电,要是按一个开关,那安在什么地方合适, 怎么样才能让照明效果达到最佳效果。这就要用到智能化控制系统,运用声音和光学综合起来实现智能化控制。例如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,由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,。由于频繁开关或其他人为因素,墙壁开关损坏率很高,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、安装方便的声控走廊
3、灯节能自动开关显得相当有必要。使公共场所和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。在公共场合中,白天不需要灯亮,而晚上没有人在的情况下也不需要灯亮。普通照明开关起不到这个作用,出现长明灯的现象,造成了不必要的浪费。而声光控照明开关却能起到人在灯亮人走灯灭的效果,减少了浪费,节约了能源,为绿化照明工程中必不可少的节能照明产品。但在工程实际应用中,有的声光控照明开关的灵敏度低以及电路元器件选择存在一定的问题,必须大喊一声,或重重跺脚,或用劲拍手,才能使灯亮起来,声音很大,产生的噪音很大,对周围环境影响很大,下面介绍一种新颖的用脚步声控制的照明灯
4、开关,抗干扰较强,灵敏度较高,对周围的影响较小。这次我设计的是声光控延时开关,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,当人们走过楼道延时几秒钟后会自动熄灭。在白天,即使有声音,楼道灯也不会亮,既可以达到节能的目的。二、 设计方案及要求1、 设计方案脚步声控制楼道灯的主题框图大致如下光强检测 声强检测 延时控制电路 照明灯处理电路 处理电路 控制电路 电源控制电路 电路采用声光两级控制照明电路。照明灯开关对光线强弱的感应控制照明灯的第一级开关,对声强的感应控制第二级开关。对于声强的监测是利用MIC的特性,即当其接收到足够的光强时,在其中会产生一个为脉冲波,从
5、而把声信号变为电信号,通过对声强信号的处理可得一个电平信号,为控制电路准备。延时控制功能通过555定时器构成的可重复触发单稳态电路来实现。光信号的感应通过光敏三极管来实现,使得光控电路在光强时输出低电位,光弱时输出高电位。将光控电路的输出作为555定时器的复位端输入。将声控输出端作为延时电路的输入,从而可以实现在光线强的情况下,即使有足够强的声信号,照明灯电路也不工作。而在光线弱的情况下,可以通过声信号来控制照明。在日常生活中,节电节能。2、 设计要求任务:设计一种通过辨别脚步声声音与光线强弱来提供照明的路灯照明系统。要求:、白天光线较强,照明灯不会点亮; 、晚上有脚步声照明灯被点亮,脚步声小
6、时后 灯亮延迟五秒; 再自动熄灭; 、元件;功率集成电路分立元件;小结:按既定元件方案设计,实现无光有声时,触发灯亮并延迟5秒, 否者不亮。 三、 电路框图和原理图滤波,放大信号声源检测单稳态触发器74LS122555定时器信号放大光源检测电路采用声光两级控制照明电路。照明灯开关对光线强弱的感应控制照明灯的第一级开关,对声强的感应控制第二级开关。对于声强的监测是利用MIC的特性,即当其接收到足够的光强时,在其中会产生一个为脉冲波,从而把声信号变为电信号,通过对声强信号的处理可得一个电平信号,为控制电路准备。延时控制功能通过555定时器构成的可重复触发单稳态电路来实现。光信号的感应通过光敏三极管
7、来实现,使得光控电路在光强时输出低电位,光弱时输出高电位。将光控电路的输出作为555定时器的复位端输入。将声控输出端作为延时电路的输入,从而可以实现在光线强的情况下,即使有足够强的声信号,照明灯电路也不工作。而在光线弱的情况下,可以通过声信号来控制照明。在日常生活中,节电节能。原理图四、各单元电路及原理图1、声控控制电路 声音传感器的作用相当于一个话筒(麦克风)。声音传感器使用的是与人类耳朵相似具有频率反应的电麦克风。它用来接收声波,显示声音的振动图象。但不能对噪声的强度进行测量。声音信号转换为电信号的一类传感器常见的电容式话筒和动圈式话筒都是声电传感器。通常声音传感器内置一个对声音敏感的电容
8、式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动,导致电容的变化,而产生与之对应变化的微小电压。MIC接收到足够的声强时,电路产生谐振并输出一个微弱脉冲,从而将声音信号转换为电信信号。MIC输出信号是一个非常微弱的信号,为了后续电路能够对声强信号进行处理,必须加入信号放大电路。图中所示信号放大电路是由电阻R1R5、LM358N和C1C2构成,电路中采用了LM358运放构成的放大电路,这样可以使电路的放大的倍数比单管放大电路的倍数增加,从而得到适合的信号。R2和R3为放大电路的集电极偏置电阻,C1和C2为放大电路的滤波电容。R1和R4为放大电路的反馈电阻,它们的功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点
9、和稳定的输出电压。电路中的延时控制电路一般采用电平信号触发,因此有必要对放大的交流信号进行整流。上图中采用了由R4和R5构成的倍压整流电路,倍压整流电路不但能够完成整流的任务,同时还可以将输出电压增大一倍,这样当MIC接受到了足够大的胜强后,声强信号处理电路通过放大和整流就输出了一个高电平信号V。2、 光控控制电路光敏电路核心元件为光敏电阻,其通过对光线变化程度自动改变阻值从而改变电压信号的大小,白天有光照,光敏电阻小,夜晚阻值大光线强时,光敏电阻RL的阻值变小,R6、R7导通,555定时器的复位端4至于低电平;光线弱时,光敏电阻RL的阻值变大,R导通,555定时器的复位端4至于高电平。光控控
10、制电路对电路起总控制作用。在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻如图所示。为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,成为自由电子,同时产生空穴,电子空穴对的出现使电阻率变校光照愈强,光生电子空穴对就越多,阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后,流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失,电子-空穴对逐渐复合,电阻也逐渐恢复原值,电流也逐渐减小,这就为声音通道的考通创造了条件。光敏电阻的工作原理是
11、基于内光电效应。3、 延时控制电路延时电路的作用主要是完成保持晶闸持续导通一段时间,维持发光二极管持续发光一段时间,持续时间的长短由延时电容的放电时间来决定,时间计算:=0.69RC, T=0.69*(470uF*150k*10-3)4.86s 约为5 秒延时电容的放电时间即为照明的持续时间,当充电电容通过电阻放电,从开始放电开始直到放电结束的这一段时间(即由R,C)来决定,只要改变电阻值或电容值,即可改变充放电时间长短,从而维持74LS122的11,13脚的高电平在一段时间内保持不变,从而决定LED的发光的时间长短,即维持照明的时间改变。其组成只要由电阻、电容,电容是通过电阻放电的。改变电阻
12、阻值和电容容量可以改变灯泡维持点亮的时间,五、 照明电路的工作原理1、工作原理 本实验就是依据NE555组成的施密特触发器电路74LS122组成的单稳态触发器的电路而设计的,原理由施密特触发器的原理和单稳态触发器的原理即可得到本实验的电路原理。其中光敏电阻的阻值随光照的变强而减小。白天:光敏管DG在光线照射下,反向电阻变小,IC1D反相器11脚输出高电平经D1使IC1D与非门3脚输出低电平,单向可控硅SCR截止,灯泡 LAMP保持不亮。 夜间:光敏管DG反向电阻变大,IC1D反相器11脚输出低电平,这是D1起到了隔离作用。当话筒MIC接收到脚步等声音时,经C2到IC1C放大,输出的脉冲信号经C
13、4使IC1A的1脚得到低电平,IC1D与非门3脚输出高电平,单向可控硅SCR导通,灯泡LAMP点亮;同时C3开始充电,使IC1B反相器4脚输出低电平,IC1A与非门3脚保持输出低电平,单向可控硅SCR保持导通,灯泡LAMP保持点亮。当C3充电完毕,IC1B反相器输出变为高电平,IC1A与非门3脚输出低电平,单向可控硅SCR截止,灯泡LAMP熄灭。当话筒MIC再次接收到脚步等声音时灯泡点亮延时熄灭(5秒左右),依次循环。C3充电时间(即灯泡延时时间)由C3、R8的数值决定。R5增大可使声音灵敏度降低。所以当夜晚同时又有外界声音信号时,控制门 D2的两个输入端均为高电平,输出为低电平,VD1导通,
14、在VD1导通的瞬间,C3被迅速充电,在声音信号过后,VD1虽然恢复了截止,但由于C3储存电荷需要通过高值电阻慢慢放电,从而使与非门D3的输入端仍然保持低电平“0”,所以电灯EL不会马上熄灭。随后则C3的放电,与非门D3的输入端得电平不断升高,当升至与非门阈值电压时,与非门D3发生翻转,输出端就变成低电平“0”,晶闸管SCR当交流电过零时即关断,电灯EL才熄灭。 电路的延迟时间主要有R5,C3等放电时间常数决定。T=2R5C3, 增减R5或C3的数值可以调整电路的延迟时间。本设计的延时时间约为5秒,即灯亮后若不再有声音5秒后灯自动熄灭。二极管 VD2-VD5 将交流 220V 进行桥式整流变成脉
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