数字电子技术课程设计论文
楼道声光控制照明灯设计
指导老师：罗红宇刘银辉
专业：电子信息工程
班级：D0745
姓名：叶萌萌
学号：08
设计时间：2009年06月15日至
2009年06月26日地点：新实验楼414室
目录
第一章绪论 (1)
第二章楼道声光控制灯的电路设计 (2)
1、声光控制灯设计的目的和要求 (2)
2、声光控制灯设计方案论证 (2)
3、声光控制灯设计所需要的器件 (2)
第三章声光控制灯设计原理 (8)
1、声光控制灯的电路原理图 (8)
2、电路工作原理及参数计算 (11)
第四章硬件制作过程和调试 (13)
1、电路板的焊接 (13)
2、电路的安装与调试 (14)
3、出现的问题及解决方法 (15)
第五章声光控制灯的优点和缺点 (16)
1、声光控制灯的优缺点 (16)
2、改进的方法 (16)
第六章总结 (17)
1、课程设计的收获体会 (17)
2、对课程设计的意见和建议 (17)
参考文献 (19)
第一章绪论
声光控灯是居家照明的重要组成部分（如楼道、卫生间、小巷等），传统的声光控灯是有声光控开关和普通白炽灯组合而成，普通白炽灯寿命短，光效低造成了能源的巨大浪费。在地球资源日渐衰竭的今日，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、节能的特性上著眼。因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的光源对居家照明节能具有十分重要的意义。
LED声光控灯是及LED灯和声光控电路为一体，安装方便，使用寿命长。声光控电路是集声学、光学和延时技术为一体组成的自动照明开关，白天或光线较强时，开关电路为自锁状态，LED灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，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LED声光控灯低能耗、长寿命。
本次设计的楼道声光控制照明灯具有声控，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。
第二章楼道声光控制灯的电路设计
1、声光控制灯课程设计的目的和要求
目的：本次课程设计目的是设计一个声光控楼道照明系统。现在政府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74122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。
2、声光控制灯设计方案论证
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74122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。
3、声光控制灯设计所需要的器件
这次课程设计主要用了74122、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。下面介绍一下主要元件：
Q ↑d R 1A 2A 1B 2B Q ?H L ??H H H H H H ↑????L H H H ??L H L H L H
??????L L L ?H ↑L ?H ↑L ?H ↑L ?H ↑H H H H H H H H H H
H L ?↓↓↓↓H ?L ① 74122是可重复单稳态触发器，它的功能表见表1-4-1，d R 是直接清“0”端，2121B B A A 、和、是触发输入端，其中21A A 、是低电平信号触发端，
21B B 和是高电平信号触发端，Q Q 和是输出端，R int 和C int
是外接定时电阻和定时电容的接入端。
当d R =0时，单稳态触发器清零，Q =0。功能表中的符号↑和↓表示触发信号的触发边沿，2121B B A A 、和、都可以做触发输入端使用，d R 除了做清零端使用外，也可以做触发端使用，见功能表的最后二行。功能表中的符号
表示单稳工作状态。
74122是一个TTL 可再触发单稳态多谐振荡器集成电路，它的引脚排布如下：
表2-1 74122功能表
图2-1 74122引脚排列图
② 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V~16V 工作，7555 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。
NE555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、引脚排列及功能表如下列图所示：
图2-2 NE555内部结构及引脚排列
表2-2 NE555功能表
③LM358内部包括有两个独立的、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
可用单电源供的使用运算放大器的场合。
LM358是2输入-二运算放大器集成电路，其内部电路及管脚排布如下：
图2-3 LM358内部结构及引脚排列
用到一些基本电路元件，如下表：
表2-3 其他电路元件
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
图2-4 发光二极管
⑤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。驻极体话筒如图：
图2-5 驻极体话筒
⑥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。光敏电阻如下图：
图2-6 光敏电阻
第三章声光控制灯设计原理
1、声光控制灯的电路原理图
①用LM358接成的声控放大电路原理图：
图3-1 声控放大电路
②用LM358接成电压跟随器，光控电路原理图：
图3-2 光控电路
③将NE555的6脚和2脚相连作为信号输入端即可构成施密特触发器。施密特触发器可对输入波形进行变换和整形，最重要的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下图所示：
O O 1
2I
v t
t
v I
O v 1
2
3C C V C C
1V 3(a)电路图
(b)波形图
v
图3-3 555构成的施密特触发器
④ 用74122为可重复单稳态触发器，根据其输出脉冲宽度2ln ext ext w C R t 实现延时5s 。
图3-4 74LS122构成的单稳态触发器
⑤ 总的电路的设计是将声控放大电路、光控电路、555构成的施密特触发器和74122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。 整体电路原理图如下图所示：
⑥为方便在PCB板上布线，可用Protel DXP软件对电路原理图进行封装，
图3-6 PCB封装图
2、电路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74122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11和13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。74122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脚和6脚输入大于cc V 2
1
的电压，3脚输出OUT 由低变为高，74122
的1脚和2脚接收到一个上升沿脉冲，输入到74122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74122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s t w 5 。声音信号消失，Q 端上升沿维持5s 后灯会自
动熄灭。
74122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。
要使LM358的声控放大电路的放大倍数为30～50，011
V R R R V f
I +=
即f
v R R A 1
1+
=,可选用1R =4.7K Ω、f R =150Ωκ，此时算得9.32≈v A 。 V V cc 5=，要使LM358的2脚和5脚的电压为V V cc 5.22
1
=，必须选用两
对阻值一样的电阻，这里在5引脚选用4.7K Ω，在2引脚选用1K Ω。 要使延时时间为5s ，即使2ln ext ext w C R t ==5s ，选用150Ωκ的电阻和47uF 的电容，即在11脚和13脚间接入47uF 的电容，在13脚和cc V 间接入150Ωκ电阻。
第四章硬件制作过程和调试
1、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。
①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”。
②电烙铁的使用和原理
电烙铁在手工锡焊过程中担任着加热焊区各被焊金属，熔化焊料、运载焊料和调节焊料用量的多重任务。电烙铁的构造很简单，其主要结构有五部分:手柄用木头或较耐热的塑料制成，中空腔，可以打开，空腔中有电热丝与电源线的连接端子，电源线由手柄后端的橡胶护套中穿出之前由一个塑料螺栓或卡子锁住，可以承受一定的拉力，以利安全。手柄前有铁管做成的烙铁身，管身中紧靠前端装有发热的烙铁心，烙铁心是用细电炉丝分层间绕在云母片绝缘的薄铁管上，烙铁头尾部伸人到薄铁管中，薄铁管的前端嵌死在一段结合用的套筒里，套筒上横栓着一大一小两颗螺钉，小的较短，用来紧固烙铁心与管身，大的较长，用来栓死烙铁头，调节烙铁工作温度时就是要旋松较长的这颗螺钉。烙铁头是用单位体积热容量较大、导热率高的紫铜制成。电烙铁的工作电压、功率等参数一般都标示在手柄上，供选用时辨认。
电烙铁的工作原理简单地说就是一个电热器在电能的作用下，发热、
传热和散热的过程，接通电源后，在额定电压下，由烙铁心以电热丝阻值所决定的功率发热。热量优先传给烙铁头，使其温度上升，再由烙铁头的表面向周围环境中散发。当达到一定的温度后，散热的功率就会等于发热的功率而达到一种动态平衡,停止升温，电烙铁的预热阶段完成。焊接操作时，当烙铁头的工作面与焊料、工件接触时、，原来的平衡关系就被打破，热量马上通过热阻比空气小得多的接触部位传向焊接工作区，使得焊锡、工件的温度很快地上升。只要烙铁头的热容量足够大，就可以在极短的时间内使焊锡和工件焊接部位的温度超过焊锡的熔点而完成焊接的过程，而其本身的温度却下降很少。
③焊料
焊料又名钎料，在锡焊工艺中所用的焊料就是焊锡，它通常是锡(sn)与另一种低熔点金属——铅(Pb)所组成的合金。为了提高焊锡的理化性能，有时还有意地掺人少量的锑(Sb)、铋 (Bi)、银(As)等金属。
锡和铅按不同的比例配制成的锡铅焊料，其熔点和机械强度等物理性能也会不同。锡铅焊料中的含锡量越高，其浸润性越强。而含铅量越高时，焊点表面耐腐蚀性能越佳。手工焊接应尽量选用共晶焊料。
④焊接过程
先在纸上画出或用Protel DXP制出电路布线图，仔细检查PCB板。将几个大集成块插在板上，在合适的位置固定好，再按从左至右从上至下的顺序将电阻电容等焊接在板上，注意与集成块引脚的连接和电容正负极，所有地线和电源线在同一水平线上。
2、电路的安装与调试
在电路板焊接完成后，先用万用表检查各接线是否焊接良好，是否有松动和漏焊。把焊接好的电路板接到5V电源上，在接入电源的时候正负极
及地线一定要接对，如果担心线路有错误而把电路板烧坏，可以先用万用表测LM358的2脚、3脚以及5脚、6脚电压是否为2.5V或用示波器测1脚和7脚的波形。
3、出现的问题及解决方法
接好5V电源后灯一直没有亮，检查电路，发现555的一个管脚与该连接的器件未接触好。仔细焊接后，再次接电源，灯亮了但不符合条件，即有光无光灯一直是亮的且没有延时，重新检查下发现光敏电阻的焊接处开了，与74122相接的电容的正负极也接反了，重新焊接又接到电源上，电路板终于能够正常工作。
第五章声光控制灯的优缺点
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。
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。
第六章总结
1、课程设计的收获体会
通过本次设计，我学到了很多东西。首先认识了一个新的集成器件——TTL 可再触发单稳态多谐振荡器“74122”，并运用它的触发功能来实现设计的要求。在设计中让我觉得最困难的是电路的控制部分。在光线较强时不管有无声音输入电路都不工作，在光线暗的时候有声音信号输入时灯亮，如果有重复声音信号输入，灯亮时间延长。
回顾此次课程设计，两周时间里，从理论到实践，不仅巩固了以前所学的知识，而且学到了很多书本上学不到的东西。通过课程设计使我懂得了理论与实践相结合非常重要，光有理论知识是远远不够的，从理论和实践中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
以前没有接触过焊接，都不知道电烙铁和吸锡器如何使用，通过课设使用到了作为电子信息专业的学生以后会用到的工具，对以后有很多帮助。焊接电路板和安装调试中难免会遇到很多困难，但不应想到放弃，必须坚持做下去，才能最终得到正确的结果。在设计过程中还发现了自己的很多不足之处，应该以积极的心态去改正。
此外，这次课程设计与我们的日常生活是息息相关的，以前只知道学习书本知识，都不知道我们将来毕业会从事什么工作。这次课设使我知道我们将来或许可以做出比楼道声光控制灯更加智能更加灵敏的现代科技产品，我很期待也很兴奋，我觉得学好专业课学好一技之长非常重要。
2、对课程设计的意见和建议
有少数工具如电烙铁和剥线钳因使用时间过长而不太灵敏，设计过程中连线和焊接不太美观。在设计过程中遇到了一个问题即仔细检查所有连
线和器件后连上电源灯还是不亮，于是拆了重新连接。检查拆下来的LED 发光二极管，由于是绿色的其发光相当微弱，几乎觉察不出来，换用红色的LED发光二极管，事先检查其发光的亮度，重新焊接后电路终于能正常工作。不过在第二次焊接过程中进一步加深了印象，明白了焊接和连线原理，也算是一种收获。
电工实验室是我校专业的电子实验室及课程设计实验室，实验设备非常齐全，室内环境良好，有专业的教师辅导监督我们的课程设计。焊接电路板时老师耐心讲解和示范，写任务书和课程设计报告时老师细心指导和更正，调试电路时老师仔细检查并修改错误。我们不仅感受到实验时良好的学术氛围和老师们渊博的学识和平易近人的学者风范。