基于Multisim的聲光控路燈電路設(shè)計（文檔+仿真工程）

ID:456685 · 發(fā)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(xiàn)在，在公共場所和公共樓道中，燈光長時間量著的現(xiàn)象是十分的普遍，這給社會造成了極大的能源浪費(fèi)。另一方面，由于頻繁開關(guān)或者人為因素，墻壁開關(guān)的損壞率很高，增大了維修量、浪費(fèi)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(shí)現(xiàn)燈光的照明智能化造成電能的巨大浪費(fèi)。為響應(yīng)科學(xué)減排和節(jié)能科學(xué)發(fā)展的號召而設(shè)計了聲光控路燈控制系統(tǒng)。
本系統(tǒng)利用自制直流穩(wěn)壓電源供電，根據(jù)光敏電阻的阻值變化判斷光線強(qiáng)弱，用咪頭測聲音信號，LM324 對信號進(jìn)行放大和構(gòu)成比較電路。由 74LS08D 的與門，實(shí)現(xiàn)對信號的篩選，從而對開關(guān)部分發(fā)出開啟或關(guān)閉的信號。繼電器控制驅(qū)動燈泡，由 RC 充放電路進(jìn)行延時。通過對外界信號的選擇，聲光控路燈實(shí)現(xiàn)自動控制燈亮。僅當(dāng)光線較暗并且有聲響時，路燈才會自動點(diǎn)亮，并延時 20 秒左右熄滅。此系統(tǒng)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(dá)到節(jié)能的效果。
聲光控路燈控制器可以自動實(shí)現(xiàn)人來燈亮，人走燈滅，既方便又實(shí)用。不僅節(jié)約了電能，而且能延長燈泡的使用壽命�？蓮V泛應(yīng)用于樓梯，走廊，衛(wèi)生間及生活小區(qū)等公共場所的照明控制。詞控制器經(jīng)濟(jì)實(shí)用，即使一般的腳步聲也能使燈泡發(fā)光照明。

目錄
摘要
關(guān)鍵字
Abstract
Keywords
1 前言
2 設(shè)計任務(wù)
2.1 設(shè)計任務(wù)及要求
3 系統(tǒng)組成及工作原理
3.1 總體設(shè)計思路
3.2 電路各模塊設(shè)計簡介
4 系統(tǒng)中電源模塊的設(shè)計
4.1 方案比較和確定
4.2 設(shè)計思路
4.3 直流穩(wěn)壓電源原理
4.4 參數(shù)選擇
4.5 仿真圖
5 電源電路和系統(tǒng)的調(diào)試
5.1 電路的焊接
5.2 電路的調(diào)試
5.3 系統(tǒng)調(diào)試
總結(jié)
致謝
參考文獻(xiàn)
附件一

1 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們對節(jié)能意識的增強(qiáng)，公共場所照明控制手段也將逐步更新，除現(xiàn)在已有的聲光控開關(guān)外，還有微波感應(yīng)開關(guān)和熱釋遠(yuǎn)紅外感應(yīng)開關(guān)。目前，微波感應(yīng)開關(guān)的抗干擾性能尚不理想，紅外感應(yīng)開關(guān)在性能上較為理想，但安裝復(fù)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(yīng)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(jù)我國國情，可以預(yù)計在相當(dāng)一段時期內(nèi)，聲光控路燈將是首選的主流產(chǎn)品。
本次課題是聲光控路燈控制系統(tǒng)設(shè)計，此控路燈系統(tǒng)的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，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(shè)計此控制系統(tǒng)時，采用模塊化的設(shè)計思想，使設(shè)計起來更加簡單、容易、條理清晰。同時調(diào)試起來也更容易：可以先將各個板塊單獨(dú)進(jìn)行調(diào)試，再匯總。這樣可以避免因?yàn)槟硞€單一板塊做不出來而使整個系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)程無法繼續(xù)。
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(wěn)壓電源供電，根據(jù)光敏電阻的阻值變化判斷光線強(qiáng)弱，用話筒測聲音信號，LM324 對信號進(jìn)行放大，和構(gòu)成比較電路，繼電器控制驅(qū)動燈泡。當(dāng)有較強(qiáng)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(yīng)用也相對比較廣泛。該電路可應(yīng)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(yīng)用價值。

2 設(shè)計任務(wù)

2.1 設(shè)計任務(wù)及要求

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

2．設(shè)計電路結(jié)構(gòu)，選擇電路元件，計算確定元件參數(shù)，畫出實(shí)用原理電路圖。

3．自擬實(shí)驗(yàn)方法、步驟及數(shù)據(jù)表格，提出測試所需儀器及元器件的規(guī)格、數(shù)量。

3 系統(tǒng)組成及工作原理
3.1 總體設(shè)計思路

聲光控路燈主要是依據(jù)光控原理和聲控原理來設(shè)計的。利用光控電路可以根據(jù)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(shè)計。在不同時段、不同的地點(diǎn)使用燈的機(jī)率也不同，聲控可進(jìn)一步節(jié)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(wǎng)供電電壓交流 220V(有效值)50Hz，經(jīng)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(jìn)行檢測，輸出與光電程度相對應(yīng)的電壓信號。從而實(shí)現(xiàn)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(diǎn)亮，聲控電路主要將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑥亩獙?shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)方框圖（見附件）

3.2 電路各模塊設(shè)計簡介

（1）光控電路

圖 2.2 光控電路為光信號采集電路，負(fù)責(zé)給邏輯電路提供環(huán)境中光的信息。利用光敏電阻對光的強(qiáng)度程不同阻值特性，使電路輸出與光電信號相對應(yīng)的電壓信號。從而實(shí)現(xiàn)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(fù)責(zé)給邏輯電路提供環(huán)境中的聲音信號。光控的基礎(chǔ)上，通過咪頭對聲音的檢測，使電路輸出與聲音相對應(yīng)的電壓值。通過邏輯電路，在夜晚有人經(jīng)過時路燈點(diǎn)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(yùn)用 74LS08D 的與門，實(shí)現(xiàn)對信號7的篩選。從而對開關(guān)部分發(fā)出開啟或關(guān)閉的信號。實(shí)現(xiàn)對光及聲音信號的綜合反映，實(shí)現(xiàn)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(dá)到節(jié)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(dá)到延時的目的。通過比較器輸出的電壓使三極管導(dǎo)通或截止，從而使繼電器工作控制燈泡開關(guān)。

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(tǒng)中不可缺少的一部分，也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定安全工作的前提。本次設(shè)計的電源電路如圖 2.6 所示：電網(wǎng)提供交流電壓 220V，流經(jīng)的變壓器輸入電路。交流電壓經(jīng)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(diào)式三端穩(wěn)壓器，在電網(wǎng)電壓波動和負(fù)載變化時，利用自身調(diào)整原理，使輸出電壓非常穩(wěn)定。通過調(diào)節(jié)變阻器R1，使 R3與 R1 的比值改變從而達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。

圖2.6 電源電路

4 系統(tǒng)中電源模塊的設(shè)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(guān)穩(wěn)壓電源兩種，線性電源通過改變調(diào)整元件控制信號的強(qiáng)弱來調(diào)節(jié)其等效阻值，從而穩(wěn)定輸出電壓。其特點(diǎn)是：紋波系數(shù)小，但效率低，一般適用于小功率的電子電路。開關(guān)型穩(wěn)壓電源通過改變開關(guān)管的導(dǎo)通時間，得到穩(wěn)定的電壓輸出，其特點(diǎn)是紋波系數(shù)大，電磁兼容性差，效率高，過載能力強(qiáng)，一般適用于大功率或者要求效率高的場合。由于本實(shí)驗(yàn)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(wěn)壓電路中，有串聯(lián)型穩(wěn)壓電路與集成線性穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖 3.1 所示，它由調(diào)整管，基準(zhǔn)電壓電路，取樣電路和比較放大電路組成。調(diào)整管的壓降總與輸出電壓的變化方向相反，起著調(diào)整的作用；而放大環(huán)節(jié)使電壓負(fù)反饋加深，故調(diào)整的結(jié)果使 U0 的變化很小。從理論上講，放大電路的放大倍數(shù)越大，負(fù)反饋越深，輸出電壓的穩(wěn)定性越好。但是當(dāng)負(fù)反饋越強(qiáng)時，可能產(chǎn)生自激振蕩，需消振才能正常工作。集成穩(wěn)壓線性電路如圖 3.2 所示，經(jīng)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(wěn)定的輸出電壓 U0。Ci 用于抵消電感效應(yīng)，C0用于改善負(fù)載瞬間響應(yīng)。RP1 與 R1 的比值改變可以調(diào)節(jié)輸出電壓的值。圖中所用到的集成穩(wěn)壓器是隨半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。具有體積小，可靠性高，使用靈活，溫度特性好的優(yōu)點(diǎn)。對比兩個電路圖，考慮到操作簡單，技術(shù)要求等問題，發(fā)現(xiàn)集成線性穩(wěn)壓電路更適合此設(shè)計。

圖3.1 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路圖

圖3.2 集成線性穩(wěn)壓電路圖

4.2 設(shè)計思路

（1）電網(wǎng)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(wǎng)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(jīng)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(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載 RL。

4.3 直流穩(wěn)壓電源原理

直流穩(wěn)壓電源是一種將 220V 工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成，見圖 3.3

圖3.3 直流穩(wěn)壓電源方框圖

其中：

（1）電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng) 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?qū)щ娫�，�?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(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)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(nèi)，二極管 D1、D2 導(dǎo)通，D3、D4 截止；u2 的負(fù)半周內(nèi)，D3、D4 導(dǎo)通，D1、D2截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過的負(fù)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(nèi)導(dǎo)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(shè)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(diǎn)，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián)或電容器與負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使輸出波形基本平滑的目的。穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路�？傮w原理電路見圖 3.6。

圖3.6 穩(wěn)壓電路原理圖

4.4 參數(shù)選擇

（1）根據(jù)設(shè)計所要求的性能指標(biāo)，選擇集成三端穩(wěn)壓器。

因?yàn)橐筝敵鲭妷嚎烧{(diào)，所以選擇三端可調(diào)式集成穩(wěn)壓器。可調(diào)式集成穩(wěn)壓器，常見主要有 CW317、CW337、LM317、LM337。317 系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓，可調(diào)范圍為 1.2V~37V，最大輸出電流為 1.5A。穩(wěn)壓內(nèi)部含有過流、過熱保護(hù)電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率均優(yōu)于固定式集成穩(wěn)壓構(gòu)成的可調(diào)電壓穩(wěn)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(dá)式為：

式 3.4.1 中， 1.25 是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)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(chǎn)生一個恒定電流通過輸出電壓調(diào)節(jié)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(shù)：輸出電壓可調(diào)范圍：1.2V~37V

輸出負(fù)載電流：1.5A

輸入與輸出工作壓差：3~40V

能滿足設(shè)計要求，所以選用LM317組成穩(wěn)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(yīng)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(wěn)壓器的輸入、輸出端常并入瓷介質(zhì)小容量電容用來抵消電感效應(yīng)，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(jìn)行仿真，考慮到實(shí)際變阻器的調(diào)節(jié)，取兩組數(shù)據(jù)。將變阻器分別滑到 0%和 100%，分別記下兩組數(shù)據(jù)的圖形及數(shù)據(jù)。圖 3.8 為變阻器調(diào)到 0%的時刻，輸出電壓為最小值 1.254V。圖 3.9 為變阻器調(diào)到 100%的時刻，輸出電壓為最大值 32.962V。根據(jù)理論計算公式可知，在變阻器調(diào)到 0%的時刻，理論值為 1.25V；在變阻器調(diào)到 100%的時刻，理論值為 32.5V。仿真結(jié)果與理論計算特別接近，因此該電源滿足設(shè)計需求。

圖3.8 變阻器調(diào)到0%時

圖3.9變阻器調(diào)到100%時

5 電源電路和系統(tǒng)的調(diào)試5.1 電路的焊接

應(yīng)注意的事項(xiàng)：

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(shí)驗(yàn)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(xiàn)虛焊、假焊、漏焊，更不能出現(xiàn)過焊，因?yàn)橛行┢骷�，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(diào)試

電源電路的調(diào)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(dǎo)線，測量兩端電壓。將變阻器調(diào)到 100%，則輸出最小電壓，理論值是 1.25V,仿真所得值為 1.254V，實(shí)際測得值為1.12V。將變阻器調(diào)到 100%，理論上應(yīng)輸出 32.5V,仿真所得值為 32.962V ，實(shí)際測得值為 31.3V。實(shí)際值與理論值在可接受的誤差范圍內(nèi)，因此電源較為合格，滿足實(shí)驗(yàn)要求。本實(shí)驗(yàn)中各模塊所需值為 7V,調(diào)節(jié)電位器同時看萬用表的示數(shù)，調(diào)到輸出值為 7V 的位置即可。

5.3 系統(tǒng)調(diào)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(qiáng)，因此用手直接在上面敲制造聲音），如果燈泡亮，且持續(xù)亮了 20 秒鐘，則說明實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)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(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期效果。調(diào)試過程中如果發(fā)現(xiàn)電路不是怎么靈敏，可以調(diào)節(jié)聲音檢測放大系統(tǒng)的電位器，增加它的靈敏度。

在調(diào)試電路開始，燈泡一直不亮。檢查電板電路上的元件，發(fā)現(xiàn)有塊芯片燒壞了，換了一塊芯片。繼續(xù)調(diào)試還是存在問題，電路出現(xiàn)了不穩(wěn)定的狀態(tài)，主要是燈時亮?xí)r不亮，最后發(fā)現(xiàn)是由于電源線虛焊了導(dǎo)致電路的時好時壞，經(jīng)過重新檢查和焊接，問題的得到解決。

總結(jié)

聲光控路燈控制系統(tǒng)是一種聲音和光照雙控照明燈，它可以用于樓梯、街道等經(jīng)常有路人卻又不確定時候出現(xiàn)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(dá)到人來燈亮，延長一小段時間后燈熄。因而比無此控制系統(tǒng)的路燈更節(jié)能，使用壽命也相對較長。

本系統(tǒng)由五個部分組成。電源部分通過對電網(wǎng)電壓的整流濾波輸出穩(wěn)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(zhuǎn)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(qiáng)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(guān)發(fā)出開啟或關(guān)閉的信息。如果開關(guān)開啟，則延時電路通過 RC 充放電實(shí)現(xiàn)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(qiáng)弱，因此為加強(qiáng)其工作效應(yīng)，設(shè)計了信號放大整形電路，微弱的信號經(jīng)過此電路加工也能使開關(guān)工作。本次設(shè)計總體上達(dá)到了預(yù)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(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單，既可及時照明又可節(jié)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(dāng)代提倡的節(jié)能觀念。展望未來的照明市場，節(jié)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(shè)計過程中，感謝我的學(xué)校，給了我學(xué)習(xí)的機(jī)會，在學(xué)習(xí)中，楊老師給予了細(xì)致的指導(dǎo)，提出了很多寶貴的意見與建議，老師以其嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風(fēng)和大膽創(chuàng)新的進(jìn)取精神對我產(chǎn)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(xué)的輔導(dǎo)和幫助下,我完成了此次設(shè)計通過此次課程設(shè)計，我再一次認(rèn)識到了自學(xué)的重要性。在仿真設(shè)計的過程中，我發(fā)現(xiàn)了很多細(xì)節(jié)性的問題，也出現(xiàn)了很多錯誤，經(jīng)過和同學(xué)們研究、商討最后都解決，感覺團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力是非常有必要的。通過此次設(shè)計，讓我對以前所學(xué)習(xí)的電力電子和multisim知識有了更深刻的了解，我認(rèn)為此次設(shè)計讓我更加鞏固了所學(xué)的知識并在設(shè)計的過程中得以運(yùn)用，克服了做設(shè)計過程中的困難，讓我受益匪淺。

感謝所有授我以業(yè)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(jǐn)以此致謝，最后，我要向百忙之中抽時間對本文進(jìn)行審閱的老師表示衷心的感謝。

附件一：

總原理圖