传感器实训——声光双控开关设计

摘 要

在学校、机关及厂矿的公共场所和居民居住区的公共楼道里普遍使用的都是机械手动开关。由于机械手动开关经常被人为拨动，致使用了一段时间后就开始出现各种各样的原因使许多灯泡点亮长明的现象，这样既缩短了灯泡的寿命，又浪费了国家的电量，为国家、单位、个人造成了很多的经济损失。另外，由于频繁开关或其他的人为因素，墙壁开关的损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。所以，应该要改善一下这种现象，设计一种既安全又简单方便的新型墙壁开关，为消除事故隐患做足准备。

本设计研究的是一种利用声、光双重控制功能的无触点开关。开关控制电路主要由声控部分、光控部分和延时处理部分组成。白天光控电路对外界光亮程度进行检测，由于光亮程度较强，光敏二极管呈现小电阻使开关呈现截止状态，无论多大的声音干扰也不能将灯点亮，从而实现白天灯不亮。晚上或遇到阴天，光敏二极管感受到较暗的光强度并输出较大的电阻使开关呈现导通状态，遇到声响时，通过声控电路使灯自动点亮，并实现延时，从而实现自动控制。而且对于声音感知的灵敏度和对光强度感知的灵敏度以及延时时间能够调节，即可以人为的设定延时时间。

这种开关特别适用于住宅楼、办公楼楼道、走廊、仓库、地下室及厕所等公共场所的照明灯的自动控制，是一种集声、光、延时于一体的既节电又方便的自动控制开关。 关键词：声光控；灵敏度；延时；信号放大；

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Abstract

In schools, offices and factories and public places and residents of residential areas in the public corridor in common use are mechanical manual switch. Due to mechanical manual switch is often people pick, with that for a time began to appear all sorts of reasons why many bulb light long out of the phenomenon, such already shorten the life of the bulb, and a waste of the national power, for the country, unit and individual caused a lot of economic loss. In addition, due to frequent switch or other man-made factors, the walls of the switch damage rate is very high, not only increase the quantity, waste money maintenance, and easy to cause the hidden danger of accident. So, to improve the this kind of phenomenon, design a kind of both safe and simple to new type wall switch, to eliminate hidden dangers of accidents do ready.

The design of the study is a use of sound and light dual control functions of non-contact switch. Switch control circuit mainly by the sonic part, electric parts and delay processing parts. During the day to the outside of light electric circuit testing, because of light and strong, photosensitive diode present little resistance to make the switch the present state, no matter how old sound interference and not to be light, so as to realize the bright lights during the day. Night or meet a cloudy day, photosensitive diode feel darker light intensity and output larger resistance to make the switch present on-state, meet noise, through the sonic circuit make light automatic light, and realize the delay, so as to realize the automatic control. And to the voice of the light sensitivity and perception of sensitivity and strength perception delay time to adjust, that can be artificial set delay time.

This switch is especially suitable for the residential building, office building corridor, corridor, the warehouse, the basement and toilet and other public places floodlight of automatic control, is a collection of sound, light, delay in the integration of both electricity saving and convenient automatic control switch.

Key words: Sound electric; Sensitivity; Delay; Amplification;

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目 录

引言 ........................................................... 1 1 总体电路设计方案 ............................................ 1 1.1 设计方案 .................................................... 1 1.2 设计任务与要求 .............................................. 1 1.3 系统框图和原理图 ............................................ 2 2 单元方案论证与选择 .......................................... 2 3 单元电路的设计 .............................................. 3 3.1声音放大电路设计 ........................................... 3 3.2倍压整流电路设计 ........................................... 4 3.3光控电路设计 ............................................... 5 3.4电子开关电路设计 ........................................... 6 3.5延时电路设计 ............................................... 7 3.6电源输入电路设计 ........................................... 8 4 整机电路设计 ............................................... 8 5 电路检测 ................................................... 9 5.1 元器件检测 ................................................. 9 5.2 电路调试 ................................................... 9 6 总结 ...................................................... 10 谢 辞 ........................................................ 11 参考文献 ...................................................... 12 附 录 ........................................................ 13

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引言

当今世界在电子信息技术的领域里取得了社会跨跃式的进步，科学技术的飞速发展使各国生产力大规模提高。由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子信息技术更显得重要，在国民生产各部门中电子信息技术得到了广泛的应用。曾经不被人们所重视的如声音、光等如今在电子信息技术方面都得到了广泛的应用，尤其是光能更是人们有待开发的具大的能源宝库。

电子信息技术发展的主要目标是实现高度智能化，在不需要人为操作下使机器能处理各种工作。智能化照明电路也是如此，如我们所熟知的走廊照明电路其智能化实现方法就是利用了声学、光学、电学原理的综合；而马路上的路灯是应用了光学的原理；另一个我们所熟知的交通系统红绿灯则是采用了电子学中计数器的原理。可见原理不同电路所实现的功能也不尽相同。

随着电子技术、数字技术的不断发展，以及人们生活水平的不断提高，人们对自己的生活及社会的能源也逐渐的开始重视起来。企业、学校、各大城市及社会的每个角落都离不开“电”，足见其重要性。但随着人们生活水平的不断提高，电力的供需矛盾日益加剧。要发出更多的电就意味着要消耗更多的煤、石油、天然气、核原料等不可再生能源，还会带来许多相应的环境污染问题。但是对于整个地球来说，所有能源都是有限的，那怎么样才能做到对能源的有效利用呢？只有节约能源。

所以我们应该设计一个节能、耐用的自动控制开关。此开关的主要功能应该是：白天楼道上光线强烈时电路处于断开状态，电路不工作，以节约电能源；夜晚或者阴天时电路闻声而亮，并从电灯亮时就开始延时，等到延时时间到了电灯就自动熄灭，等待下一次声响的发出。

1 总体电路设计方案

1.1 设计思路

根据要求，初步设定该电路由声控电路、倍压整流电路、光控电路、电子开关、延时几部分电路组成。 1.2 设计任务与要求

（1）白天电路不工作，灯不亮； （2）晚上灯闻声而亮； （3）灯亮时延时；

要求完成：选择各单元电路结构并阐述工作原理，绘制整机电路原理图；准确计算或估

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算电路参数，正确选择电路元件与设备，给出元件、设备明细表；撰写设计说明书，要求准确阐述电路选择依据，反映计算方法、元件、设备选择等设计过程，并制作实物。 1.3 系统框图和原理图

声光双控开关结构框图如图1所示。

声电转换 放大 处理 输出延时 点亮LED 声源 光亮程度 电源

图1 声光双控开关结构框图

2 单元方案论证与选择

声光双控照明节电开关主要是根据声光控电路和延时电路来控制灯泡的亮灭和时长。根据电路的设计提出了以下两种方案。

方案一：声光双控开关电路方框图如图2所示。

声光控电路 电子开关 延时电路 三极管开关 电源 照明电路 图2 声光双控开关结构框图

工作原理：当此周围有声音信号时，收声话筒将声音信号接收后经声控电路放大，再经整流电路转变为电压信号传入光控电路中。当有光照照在光控电路中的光敏元件上时，其阻止变小，对直流控制电压衰减很大，导致电子开关处于截止状态。这时延时电路将不会工作，使三极管开关处于截止状态，灯不亮。当没有光时延时电路工作，使三极管开关导通，灯泡亮。

方案二：声光双控开关电路方框图如图3所示。

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声源 声音转换 放大 电源 执行机构 输出延时 处理

本电路为一声光自动控制LED亮灭开关。白天或者夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。电路主要由555集成电路和声控专用集成电路BH-SK-I组成。白天或者夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分。电路是否接通，取决于声音信号强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次声音信号触发。

声控照明电路的主要原理：是利用了声学和电子学的原理即用声音传感器将声音信号换成电信号从而推动触发器触发使电路导通工作。

考虑到电源的稳压性能，和器件的价格，结构简单，安装方便，适用性强。根据对比采用方案一进行电路设计。

图3 声控照明节电电路方框图

3 单元电路的设计

3.1声音放大电路设计

驻极体话筒(又称电容式微音器MIC）是由驻极体和场效应管组成的一种具有自偏压的电声换能器，工作电压范围一般为1.5～12V,它具有频带宽（20～100Hz）、音质好、噪声低、耗电少、灵敏度高等特点，而且体积小、重量轻、价格低廉，现在盒式录音机的录音用内接，外接话筒几乎都采用驻极体话筒。其中两个由驻极体材料构成的极板组成了一个电容器，一个极板的作用是承受声压信号，作为振膜。当振膜振动时，两极板间因距离变化而使电容量发生变化，即产生出与声信号对应的交变信号。由于此电容量很小，在声频段，其阻抗高达几兆欧。为了降低其输出阻抗，在驻极体的另一极板上通过弹簧连接了一个场效应管，以此来匹配阻抗，放大信号。由驻极体话筒构成的声控电路如图4所示。

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图4 声音放大电路

工作原理：当MK1麦克风获取到声音信号后，将会转化成电信号，经过C1耦合出来的信号将由三极管Q1放大。在本电路中为了获得较高的灵敏度，三极管Q1的β值选用大于100，更利于信号放大。而三极管Q1要实现这个功能必须满足基极电压为高电位，集电极为低电位才会导通。图中的R1主要是起到分压限流的作用，R2、R3分别是给三极管Q1提供基极偏置和集电极偏置。所以，其中R1、R2、R3不宜过小，否则电路容易产生间歇震荡。三极管Q1放大后的电信号将从集电极流入下级单元电路。 3.2 倍压整流电路设计

在一些需用高电压、小电流的地方，常常使用倍压整流电路。倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。

本电路中的倍压整流电路如图5所示，由C2、D1、D2组成的倍压整流电路将声音变成直流控制电压。

图5 倍压整流电路

工作原理：经声音放大电路放大后的信号经过C2耦合，将由D1、D2整流经C3滤波后传入下级光敏二极管电路中。其中电容C2起到的耦合作用，而C3起到的滤波作用。

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3.3 光控电路设计

本电路中核心元件为光敏二极管。

光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是相似的。图3.3是光敏二极管的结构图。在光敏二极管管壳上有一个能射入光线的玻璃透镜，入射光通过透镜正好照射在管芯上。发光二极管管芯是一个具有光敏特性的PN结，它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光敏面是通过扩散工艺在N 型单晶硅上形成的一层薄膜。光敏二极管的管芯以及管芯上的PN 结面积做得较大，而管芯上的电极面积做得较小，PN 结的结深比普通半导体二极管做得浅，这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外，与普通半导体二极管一样，在硅片上生长了一层SiO2 保护层，它把PN 结的边缘保护起来，从而提高了管子的稳定性，减少了暗电流。

图6 光敏二极管结构图

光敏二极管与普通光敏二极管一样，它的PN 结具有单向导电性，因此，光敏二极管工作时应加上反向电压，如图所示。当无光照时，电路中也有很小的反向饱和漏电流，一般为1*10-8～1*10-9A(称为暗电流)，此时相当于光敏二极管截止;当有光照射时，PN 结附近受光子的轰击，半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对这些载流子的数目，对于多数载流子影响不大，但对P区和N区的少数载流子来说，则会使少数载流子的浓度大大提高，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载RL时，在电阻两端

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将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成电功能转换的。

光控电路如图7所示。

图7 光控电路

工作原理是：当光敏二极管受光照时，通过PN结的反向电流增加，形成光电流，此时相当于光敏二极管导通。当MK1周围没有声音信号时，其各部分都不会工作，LED不会亮；当MK1周围有声音信号时，声音放大电路将工作，通过整流将整流后的电信号经R4限流后直接短接，不会经R5流入三极管Q3中，此时三极管Q3将接收不到信号，处于不工作的状态，灯泡同样不会亮。

当光敏二极管无光线照射时，其反向电阻值很大，此时光敏二极管相当于截止。当MK1周围没有声音信号时，同样各部分电阻路将不会工作，灯泡不会亮；当MK1周围有声音信号时，声音放大电路将工作，此时光敏二极管反向电阻阻值很高，不会有信号从其中流过，通过整流将整流后的电信号经R4限流后通过R5到达三极管Q3基极，此时三极管Q3基极点位较高，处于导通状态。其中电路中R5、R6主要是分压限流的作用。 3.4 电子开关电路设计

电子开关电路如图8所示。

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图8 电子开关电路

工作原理：当MK1有声音信号、光敏二极管没有光照时，将有信号流入Q3中，然而Q3、Q2组成的电子开关处于打开状态，将有信号从Q3集电极流出，流入Q2和C4组成的充电电路中，给C4充电。当光敏二极管有光照时，没有信号流入Q3中,电子开关处于关闭状态。当MK1没有声音信号时电路不会工作。 3.5 延时电路设计

延时电路主要是通过控制三极管的导通与截止来控制LED的亮与灭。电路如图9所示。

图9 延时电路

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工作原理：在三极管Q4前面加上一个100µF的电容C4进行充放电。在三极管Q2集电极有电信号传出时，经D3、C4组成的充电电路通过R8把触发电压加到三极管Q4基极，使其导通。而R8和三极管Q4组成延时电路与电源输入电路来决定LED的亮与灭。本设计中延时时间t由C4、R8的参数决定。其时间t的计算：

t=R８C4=240×103×100×10-6=24s 当MK1周围有声音、无光照时，电子开关打开，C4开始充电；电子开关关闭后，C4开始放电。

3.6 电源输入电路设计

电源输入电路如图10所示。

图10 电源输入电路

其中D4为整流二极管，C5为滤波电容，L2为电源指示灯。

4 整机电路设计

本设计整机电路图如附录中图1所示。 电路有四种工作情况如表1所示。

表1 电路工作状态 无声音无光照 LED状态 灭 灭 环境状态 无声音有光照 有声音有光照 灭 有声音无光照 亮 由Q1、R1、R2、R3和C1组成声音放大电路。为了获得较高的灵敏度，Q1的放大倍数应选用大于100的。话筒MK1也选用灵敏度较高的驻体话筒。当有声音信号从MK1接收后，经放大电路进行放大，由C2、D1、D2组成的倍压整流电路将声音变成直流控制电压。R4、R5以及光敏二极管D9组成光控电路，有光照时，光敏二极管的反向电阻阻

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值较小，光敏二极管导通，使Q3无法导通，后续电路不工作；当光线较暗时，光敏二极管截止，MK1将声音信号接收后经Q1放大，再经倍压整流电路D1、D2转变为电压信号传入光敏电路中，由于光敏二极管截止，相当于开路状态，对直流控制电压衰减很小。Q2、Q3、和R7、VD3组成的电子开关导通，使电容C4开始充电。由于充满电时间很迅速，C4充满电荷后通过R8把直流触发电压加到三极管Q4基极，Q4导通，使L1点亮。当C4中电荷放至零时，Q4恢复截止状态，此时L1熄灭。

5 电路检测

5.1 元器件检测 （1）麦克风的检测

使用r*100档将红色表笔接外壳S、黑色表笔接D，这时用口对着驻极体吹起，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高。 （2）二极管的检测

将指针表达到1K档，其次：用表笔对电容进行放电，在用表进行测试，红笔接负极，黑笔接正极：最后看指针的偏转，且还要指针还原，如能还原就表明电容正常，不能回到原位则表明电容漏电。 （4） 三极管的检测

用手拿住元件，用指针表来回测量六次，判断出基极，是PNP或是NPN型。若红笔不动-PNP型：黑笔不动—NPN型。NPN型：用手捏住三支引脚，用表笔测试两边引脚，并交换表笔；若指针偏转较大，黑表笔接的集电极，另一方则是发射集。PNP型：与NPN一样，但是指针偏转较大。黑笔接的是发射集，另一方则是集电极。 5.2 电路调试

未接入光敏二极管时光控部分失去作用。在MK1处拍击掌，由声控部分产生声音信号由Q1组成的放大电路进行放大，由C2、D1、D2组成的倍压整流电路将声音变成直流控制电压。由于光控部分失去作用，声音控制电压经过R5、R6后加在Q3基极，使Q3饱和导通，这使Q2也导通。电路对C4充电中，充电完成后，C4通过R8把直流触发电压加到Q4的基极，使其导通，L1点亮，一段时间后其熄灭。

接入光敏二极管，接通电源，灯不亮。用深色物品将光敏二极管遮住，击掌出发声响，L1亮，一段时间后L1熄灭。

当灯泡点亮过程中有新的声源出新时，C4会重新充电后重新放电，即重新计算点亮时间。如果需要改变灯亮时长，只需要更改C4或者R8的参数即可。

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6 结论

通过两周的实训，使我对声光双控开关的工作原理有了进一步的了解，同时也使我对传感器门课程产生更为浓厚的兴趣。

在调试的过程中，遇到了一些麻烦，使我意识到整个设计过程没有什么难易之分，每一个环节都至关重要，不能忽视任何一个环节。任何一个环节的疏忽大意，都可能给后续过程造成麻烦。所以，在整个设计过程中，必须时刻保持着认真的态度，不可太随意。

当调试遇到麻烦时，应保持冷静，既然出现问题，就一定是有原因。只有保持冷静，仔细去思考，才能尽快找出问题所在，然后加以克服解决。急躁是不能解决问题的。

本次试验使我深刻认识到一些课程设计之外的东西：懂就是懂，不懂就是不懂，做人要实事求是。投机取巧是不行的，想把一件事情做好，就得花时间去认真做。通过这次实训，我学会了更多东西，知道了单学理论不实践是没有用的，只有理论联系实际才能提升自己的专业水平，才知道基础的东西一定要牢固，有的东西一定要自己去推导，多去应用，这样到要用的时候才能够用的很顺手。

通过本次实训，我体会到了成功的喜悦，虽然这次我只是取得小小的成功，但我却非常开心，至少这是自己经过思考和努力得来的。这将给我未来的生活带来更多的信心，也让我找到了自己学习的目标和方向，为了我的美好的生活，我将更努力的去提升自己的专业水平。

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谢 辞

两周实训已经临近结束了，在这期间同学们都在努力学习，认真各自的作品。在此我要特别感谢各位指导老师们对我的指导，还有各位同学对我的帮助，尤其感谢老师在百忙之中抽出时间对我们制定的方案进行审核，并对我们的电路实现提供宝贵的意见，同时，还要感谢和我一起努力的各位同学，在他们对我的帮助和我自己的努力下，我才能顺利地完成这次实训。

此外，感谢学院为我们提供这个机会，让我能体验真正的自己劳动收获；感谢老师们孜孜不倦的教导我们。最后，感谢在百忙之中抽时间来对我的实训设计论文进行审阅、评议的XXX老师！

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参考文献

[1] 华成英、童诗白.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006年 [2] 张洪润. 电子线路与电子技术.北京：清华大学出版社，2006年 [3] 赵健.实用声光及无线电遥控电路.北京：中国电力出版社，2006年 [4] 周乐挺. 传感器与检测技术.北京：高等教育出版社，2006年 [5] 郑应光. 模拟电子线路(一).南京：东南大学出版社，2004年

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附 录

（1）声光双控开关电路元器件清单如下表：

表1元件清单

项目 代号 R1、R7 R2 R3 R4 R5、R9、R10 R6 R8 C1、C2 C3 C4 C5 D1、D2、D3、D4 L1、L2 Q1 Q3、Q4 Q2 MK1 D9 J1 代 号 名称、型号、规格 电阻器 10kΩ―±10% 2MΩ―±10% 47kΩ―±10% 300kΩ―±10% 4.7kΩ―±10% 100kΩ―±10% 240kΩ―±10% 电容器 1μF－±10 0.1μF－±10 100μF－±10 220μF－±10 二极管 IN4148 LED 三极管 9014（NPN） 8050（NPN） 8550（PNP） MIC 光敏二极管 2P插针 数量 10 2 1 1 1 3 1 1 6 2 1 1 1 6 4 2 4 1 2 1 1 1 1

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（2）电路原理图：

图1 电路原理图