声光控路灯控制系统设计与仿真

前言

一、设计任务

二、系统组成及工作原理

1、总体设计思路

2、电路各模块设计简介

（1）光控电路

（2）声控电路

(3) 逻辑控制电路

(4) 延时电路

三、系统中电源模块的设计

1、方案比较和确定

2、设计思路

3、直流稳压电源原理

4、参数选择

（1）根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。

(2)选择电源变压器

（3）滤波电路电容选择

（4）抑高频电容 C0 的选择

5、仿真图

四、电源电路和系统的调试

1、电路的焊接

2、电路的调试

3、系统调试

五、总结

结束语

前言

现在，在公共场所和公共楼道中，灯光长时间量着的现象是十分的普遍，这给社会造成了极大的能源浪费。另一方面，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。声光控路灯则无这种问题。针对目前社会上很多地方使用长明灯照明，不能实现灯光的照明智能化造成电能的巨大浪费。为响应科学减排和节能科学发展的号召而设计了声光控路灯控制系统。

本系统利用自制直流稳压电源供电，根据光敏电阻的阻值变化判断光线强弱，用咪头测声音信号，LM324 对信号进行放大和构成比较电路。由 74LS08D 的与门，实现对信号的筛选，从而对开关部分发出开启或关闭的信号。继电器控制驱动灯泡，由 RC 充放电路进行延时。通过对外界信号的选择，声光控路灯实现自动控制灯亮。仅当光线较暗并且有声响时，路灯才会自动点亮，并延时 20 秒左右熄灭。此系统能很好的控制路灯的亮灭，即在有声音和无光情况下灯亮，其他情况下灯灭，从而达到节能的效果。

声光控路灯控制器可以自动实现人来灯亮，人走灯灭，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡的使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊，卫生间及生活小区等公共场所的照明控制。词控制器经济实用，即使一般的脚步声也能使灯泡发光照明。

一、设计任务

1. ①光照度强（白天）路灯不点亮，光照度暗（夜晚）路灯可由声音控制。

②有声音是路灯点亮否则不点亮。

2．设计电路结构，选择电路元件，计算确定元件参数，画出实用原理电路图。

3．自拟实验方法、步骤及数据表格，提出测试所需仪器及元器件的规格、数量。

二、系统组成及工作原理

1、总体设计思路

声光控路灯主要是依据光控原理和声控原理来设计的。利用光控电路可以根据光线的亮暗条件控制灯的使用。光控电路是由光敏电阻和普通电阻组成。声控电路是为完善光控路灯而设计。在不同时段、不同的地点使用灯的机率也不同，声控可进一步节约能源。整个电路由电源电路，声控电路，光控电路及延时电路等部分组成。电源由电网供电电压交流 220V(有效值)50Hz，经降压整流后输出电路所需电压。光控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光电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。总体方框图如图

2、电路各模块设计简介

（1）光控电路

光控电路为光信号采集电路，负责给逻辑电路提供环境中光的信息。利用光敏电阻对光的强度程不同阻值特性，使电路输出与光电信号相对应的电压信号。从而实现光控目的。

（2）声控电路

声控电路为声音信号采集电路，主要负责给逻辑电路提供环境中的声音信号。光控的基础上，通过咪头对声音的检测，使电路输出与声音相对应的电压值。通过逻辑电路，在夜晚有人经过时路灯点亮并在声音消失后一段时间后熄灭。

(3) 逻辑控制电路

用于对声音及光信号的综合处理，运用 74LS08D 的与门，实现对信号7的筛选。从而对开关部分发出开启或关闭的信号。实现对光及声音信号的综合反映，实现智能省电。

(4) 延时电路

延时电路的作用是在灯亮之后延时 20S 然后控制灯自动熄灭，从而达到节约电能延长使用寿命的目的。如图 2.5 所示，由前一级电路输入激励，通过 RC 充放电达到延时的目的。通过比较器输出的电压使三极管导通或截止，从而使继电器工作控制灯泡开关。

(5)电源电路

电源模块是声光控路灯系统中不可缺少的一部分，也是保证系统稳定安全工作的前提。本次设计的电源电路如图 2.6 所示：电网提供交流电压 220V，流经的变压器输入电路。交流电压经过桥路，使交流电压变成脉动的直流电压。滤波电容 C3使电压的脉动越小，输出电压平均值越大。LM317 为可调式三端稳压器，在电网电压波动和负载变化时，利用自身调整原理，使输出电压非常稳定。通过调节变阻器R1，使 R3与 R1 的比值改变从而达到调节电压的目的。

三、系统中电源模块的设计

1、方案比较和确定

直流电源按原理分为线性电源和开关稳压电源两种，线性电源通过改变调整元件控制信号的强弱来调节其等效阻值，从而稳定输出电压。其特点是：纹波系数小，但效率低，一般适用于小功率的电子电路。开关型稳压电源通过改变开关管的导通时间，得到稳定的电压输出，其特点是纹波系数大，电磁兼容性差，效率高，过载能力强，一般适用于大功率或者要求效率高的场合。由于本实验只需要较小功率，且对效率也无特殊要求，因此选择较为简单的线性电源。

在线性稳压电路中，有串联型稳压电路与集成线性稳压电路。串联型稳压电路如图 3.1 所示，它由调整管，基准电压电路，取样电路和比较放大电路组成。调整管的压降总与输出电压的变化方向相反，起着调整的作用；而放大环节使电压负反馈加深，故调整的结果使 U0 的变化很小。从理论上讲，放大电路的放大倍数越大，负反馈越深，输出电压的稳定性越好。但是当负反馈越强时，可能产生自激振荡，需消振才能正常工作。集成稳压线性电路如图 3.2 所示，经整流滤波后的直流电压Ui 接在输入端，在输出端便可得到稳定的输出电压 U0。Ci 用于抵消电感效应，C0用于改善负载瞬间响应。RP1 与 R1 的比值改变可以调节输出电压的值。图中所用到的集成稳压器是随半导体集成技术的发展应运而生的。具有体积小，可靠性高，使用灵活，温度特性好的优点。对比两个电路图，考虑到操作简单，技术要求等问题，发现集成线性稳压电路更适合此设计。

2、设计思路

（1）电网供电电压交流 220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。

（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。

（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载 RL。

3、直流稳压电源原理

直流稳压电源是一种将 220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见下图

其中：

（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网 220V 交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：利用单向导电元件，把 50Hz 的正弦交流电变换成脉动的直流电。可用 W08 桥堆。

（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图左所示。在 u2 的正半周内，二极管 D1、D2 导通，D3、D4 截止；u2 的负半周内，D3、D4 导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻 RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图右所示。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半。

在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。稳压电路可选集成三端稳压器电路。总体原理电路如下：

4、参数选择

（1）根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。

因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见主要有 CW317、CW337、LM317、LM337。317 系列稳压器输出连续可调的正电压，可调范围为 1.2V~37V，最大输出电流为 1.5A。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。 LM317 系列管脚图和典型电路如图

输出电压表达式为：

式 3.4.1 中， 1.25 是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻 R1两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器 RP1，电阻 R1 常取值 200Ω，RP1 取 5KΩ。

由上式可得U在1.25V~32.5V之间

LM317其特性参数：输出电压可调范围：1.2V~37V

输出负载电流：1.5A

输入与输出工作压差：3~40V

能满足设计要求，所以选用LM317组成稳压电路

(2)选择电源变压器

确定副边电压U2:

电路中滤波电容承受的最高电压为 17V，所以所选电容器的耐压应大于 17V。

（3）滤波电路电容选择

（4）抑高频电容 C0 的选择

由于大容量电解电容有一定的绕制分布电感，易引起自激震荡，形成高频干扰，所以稳压器的输入、输出端常并入瓷介质小容量电容用来抵消电感效应，抑制高频干扰。一般电路中接上 1uf 的电容即可。

5、仿真图

利用 Multisim 软件进行仿真，考虑到实际变阻器的调节，取两组数据。将变阻器分别滑到 0%和 100%，分别记下两组数据的图形及数据。图为变阻器调到 0%的时刻，输出电压为最小值 1.254V。图为变阻器调到 100%的时刻，输出电压为最大值 32.962V。根据理论计算公式可知，在变阻器调到 0%的时刻，理论值为 1.25V；在变阻器调到 100%的时刻，理论值为 32.5V。仿真结果与理论计算特别接近，因此该电源满足设计需求。

四、电源电路和系统的调试

1、电路的焊接

应注意的事项：

1.先装矮后装高、先装小后装大、先装再焊等等；

2. 布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；

3. 最好分模块安装。此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停留太久。

4. 按照原理图焊接时必须要保证可靠接地。

2、电路的调试

电源电路的调试较为简单，接入 220V，50HZ 的交变电流后，电源指示灯亮，表示接通。用万用表的红黑表笔分别接引出的输出导线，测量两端电压。将变阻器调到 100%，则输出最小电压，理论值是 1.25V,仿真所得值为 1.254V，实际测得值为1.12V。将变阻器调到 100%，理论上应输出 32.5V,仿真所得值为 32.962V ，实际测得值为 31.3V。实际值与理论值在可接受的误差范围内，因此电源较为合格，满足实验要求。本实验中各模块所需值为 7V,调节电位器同时看万用表的示数，调到输出值为 7V 的位置即可。

3、系统调试

将五个模块连接好，附上电源。用手遮住光敏电阻，使光敏电阻接收不到光线或者仅接受很弱光线，用手敲咪头（由于库房限制，咪头对声音的敏感度不是很强，因此用手直接在上面敲制造声音），如果灯泡亮，且持续亮了 20 秒钟，则说明实验达到了预期效果。若灯泡没有亮，则用示波器逐个检测信号，再检查是否存在虚焊的问题。直到达到实验预期效果。调试过程中如果发现电路不是怎么灵敏，可以调节声音检测放大系统的电位器，增加它的灵敏度。

在调试电路开始，灯泡一直不亮。检查电板电路上的元件，发现有块芯片烧坏了，换了一块芯片。继续调试还是存在问题，电路出现了不稳定的状态，主要是灯时亮时不亮，最后发现是由于电源线虚焊了导致电路的时好时坏，经过重新检查和焊接，问题的得到解决。

五、总结

声光控路灯控制系统是一种声音和光照双控照明灯，它可以用于楼梯、街道等经常有路人却又不确定时候出现的场合。与一般路灯不同的是，声光控路灯仅在光线较暗并且有声音的情况下才控制电路接通，使灯亮。从而达到人来灯亮，延长一小段时间后灯熄。因而比无此控制系统的路灯更节能，使用寿命也相对较长。

本系统由五个部分组成。电源部分通过对电网电压的整流滤波输出稳定的直流电压，给整个电路供电。声控电路通过咪头检测到声音，将声音的变化转化成电压的变化传给逻辑电路。光控电路通过光敏电阻对光的强弱程呈不同阻值而改变电路中的电压，传给逻辑电路。声音信号和光信号通过与门的选择判断，决定对开关发出开启或关闭的信息。如果开关开启，则延时电路通过 RC 充放电实现灯亮延时的效果。由于此电路在光线较暗时是否接通取决于声音的强弱，因此为加强其工作效应，设计了信号放大整形电路，微弱的信号经过此电路加工也能使开关工作。本次设计总体上达到了预期的效果，在用手遮住光敏电阻同时对咪头给予声音刺激，灯亮，并且延时了 20 秒。

本次设计电路结构简单，既可及时照明又可节省电力。其适用范围广，并且使用寿命长，既减少了维修量也省了资金，很切合当代提倡的节能观念。展望未来的照明市场，节能照明电器的需求有着大幅增长的趋势，因此声光控路灯的潜力很大。

结束语

本篇博客介绍了设计声光控灯的一个整流流程与过程，大家可以对该声光控电路设计有一个简单的了解，本篇文章仅供参考。

本篇博客中的原理解析只是点到为止，原理介绍并不全面，而且原理与实际设计仍然有着不小的距离与变化，本篇文章也缺少实际总电路图与其仿真。如果大家对这个设计感兴趣或是想实现一个这样的设计，可以查看后续发布的博客内容。在那篇文章中会详细地介绍每一个电路部分，包括每一个电路器件在电路整体设计中发挥的作用，保证每一个看过此篇文章的同学都能够做出仿真电路与成功测试，并且明晰整个细节。此外还会附带总电路图仿真文件，pcb文件，电路元件封装库文件，以及ppt讲解等全套内容；感兴趣的同学敬请期待......

无论大家是否感兴趣后续内容，也都感谢大家可以浏览本篇文章，如果有什么内容不明白的，大家可以在评论去向我提问，我会一一回答，当然有什么错误或者有什么不足的地方，希望大家可以包容并指出。最后向每一位读者送上真诚的小花。