1.绪论
1.1研究背景及意义
“绿色照明”是 20 世纪 90年代初提出的照明领域的新方针。现在，公共场所各种照明灯的应用也逐渐增多，日常生活中各种灯的应用量也加大，用电量也逐步加大。而生活中我们用的最为平常的灯则是楼道里的照明灯，住过居民楼的人都应该知道，楼道很窄，晚上行走很不方便，如果让楼道的照明灯一直亮着，则难免会浪费国家资源，因此设计一种既不浪费国家电力又很方便实用的照明灯系统是很有实用价值意义的一件事。
在学校、机关、企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。另外，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，因此声光控节能灯使用，极大的节约了资源。
用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，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，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，适合于各种楼房走廊的照明设备。因为楼道照明是非持续性的，有人经过才需要光亮，而不断的开关通断会影响荧光灯的使用寿命，所以声光控白炽灯在楼道照明领域得到广泛应用。
1.2国内外研究现状
由于近年来我国的照明器材行业的迅速崛起，中国已经成为电光源产品的主要输出国之一。加入 WTO后，国际上一些知名品牌大企业相继进入国内产销领域，使得国内竞争国际化，而努力增加节能光源和不同档次、花样、不同用途的照明器具的开发，加快绿色、节能光源产品的开发推广和应用是我国目前照明器材行业结构调整的重点，而由此带来的巨大挑战与商业利益也成为一些企业瞩目的焦点。
随着全球经济一体化，发达国家产业调整的步伐进一步加快，一般照明电器产品生产大量向发展中国家转移，而中国也逐步成为照明电器产品出口大国。展望未来的国内市场，需求仍会呈逐年增长趋势，基础设施建设、城市亮化工程建设都需要照明，这将预示着我国照明市场仍有很大的潜力可挖。根据国内外市场需求预测，我国照明电器行业的高速增长期还将继续，对未来的预测如何更加科学化是我们面临的问题。进一步提高照明产品的质量和档次，既是当前摆在我们面前的课题，也是全行业共同努力的长期目标。就国内市场需求而言，人们生活水平逐步提高，对生存环境质量的要求也越来越高，对照明电器产品也提出更高的要求。
从国际市场分析，虽然我们的出口逐年大幅度增长，但我国大部分产品在国际市场仍属中低档次，与发达国家在照明电器产品的质量、档次、生产工艺、设备、材料以及新产品开发能力等方面均存在明显差距，因此要清醒地认识错误，保证产品的质量才能不断地进步，从而目标成为照明行业中的生产强国，为照明电器行业的健康发展做出更大的贡献。
1.3本课题研究内容
本文设计并制作了声光控制灯延时开关电路，该电路具有以下功能：
1.白天光线充足时控制开关不通，即使有声音也不能点亮照明灯；在晚上或光线不足时，只要有人经过发出声音，灯泡就会点亮；
2.灯泡点亮后延时一段时间开关能自动断开，灯灭，延时时间可调30s～120s之间；
3.延时开关通过切换开关控制发光二极管或白炽灯，发光二级由DC5V电源供电，白炽灯由AC220V市电供电。
2.方案设计
2.1设计要求
本课题设计是一套声光双控的照明灯电路，该电路具有在白天时自锁，每当夜幕降临之时只要有人经过，发出声音，灯就会点亮，经过短暂延时后，灯会灭掉，而且延时的时长可以调整。本电路的照明有白炽灯和LED灯两种选择。
2.2方案选择
在本次实训的前期准备中，我通过查阅资料也找到了很多种设计方案，在权衡自身情况以及最终设计的要求后，我排除了用555定时器来设计的方案，因为555定时器虽然设计出来功能更为全面，但过程过于复杂，且本次设计只需要达到声控，光控和延时的效果，不需要过多复杂的效果。如果用单片机来设计的话，过程会简单很多，但基于目前专业知识储备不足，只能忍痛割爱，舍弃了用单片机来设计的方案，对于控制整条照明电路通断的选择，我原定的是电磁继电器，但由于其耐久度不如晶闸管，所以选择了晶闸管，最终选定了本次设计的方法。
3.硬件设计
如下图为本次设计的原理图和仿真图，这次的电路主要有声控电路，光控电路，延时电路和照明电路几个部分组成。
3.1声控电路
由驻极体话筒MK1，三极管Q1，电容 C1及电阻 R1、R2、R3、R5等组成，其中MK1为声检测元件，当环境声音很弱时，三极管Q1处于饱和状态，U1A1脚为低电平，U1D11脚亦为低电平，可控硅D2阻断，当环境声音信号达到一定强度时，通过 MK1拾音输出经 C1耦合到Q1的基极，使集电极也就是U1A1脚电位随声强而高低变化，当 1 脚处于高电平时，由于 2 脚早已处于高电平而满足了与非门翻转条件， 3 脚跳变为低电平。电容话筒的接收声音信号并将信号转化为电流信号（交流信号） ，使三极管Q1由饱和状态转为截止状态，电阻很大，基本上为 VCC电压值。所以在声音信号来到时会有三极管集电极电压的跳变现象。也正是由于这一现象使得声控功能得以实现。
3.2光控电路
光控电路由R4和D11组成，其中D11为光敏电阻，光控电路的输入端连接与非门U1A1脚。电路中可控硅D2的通断，取决于控制信号的有无。 光敏电阻D11的阻值随着光照强度的变化而变化， 当光照达到一定强度时，其电阻值变小到与R4分压后使U1A的2脚处于逻辑低电平，2脚所在的与非门被封死，这时不管有无声音信号输入，U1D11脚都是低电平，可控硅D2正向阻断。随着光照强度的减弱，D11的阻值逐渐增大，U1A2脚的电平逐渐上升，当2脚的电位上升到逻辑高电平后，即满足了开门条件，此时的声控开始起作用，3脚的逻辑电平只取决于U1A1脚电位（声控电路输入端）是否达到了逻辑高电平。
3.3延时电路
延时电路由 R8、R12、C2、D1等元件组成。结合声控电路光控电路分析，当D2被触发导通时C1上的电压降低，MK1拾音器的灵敏度降低，Q1重新饱和，U1A3脚为高电平，U2A4脚变为低电平，由于D1的隔离作用， C2上的电压仍维持9、10脚高电平，12脚也为高电平， C2上的电压通过R5、R6放电，直至C2上的电压降低至U1C逻辑低电平时，12脚变为低电平，晶闸管 q 在正负极间的电压过零时被正向阻断， C2上的电压重新升高， MK1恢复拾音灵敏度，等待下一次声控信号的输入，U1C9、10脚电位从高电平降低为低电平的时间，即为开关接通的维持时间，由 C2和R8、R12的数值确定，在这里我们的设计是可以控制延时时长的，所以我们的R12选择了可变电阻。
3.4照明电路
在设计的过程中，对于照明电路部分，我们在电路中设计了两种选择，即可以使用220v50Hz的灯泡，也可以使用LED灯来照明，多一分选择，多一分环保。
通过单刀双掷开关S1的切换我们可以在两种选择之间切换自如，在白炽灯这边我们链接的是220V的交流电，控制器件我们选择了电磁继电器来控制，通过电磁继电器，我们实现了用低电压、弱电流控制高电压、强电流甚至实现远距离操纵和自动控制，，达到四两拨千斤的目的。
4.电路分析
如原理图所示，整个电路有声控电路，光控电路，延时电路和照明电路等几大部分组成。（照明电路外接在了header2的位置）
在白天等较亮的时间，光敏电阻D11的阻值随着光照强度的变化而变化， 当光照达到一定强度时，其电阻值变小到与R4分压后使U1A的2脚处于逻辑低电平，根据逻辑与非门“有0出1，全1出0”的原则，无论声控电路输出的是高电平还是低电平，U1A3脚始终保持高电平，经过U1B、U1C、U1D的翻转后在可控硅的门极呈现的是低电平，门极无触发电压，所以可控硅保持截止状态，灯无法被点亮。
在夜晚亦或是光线较暗的时候，光敏电阻的阻值增大，与R4分压后使U1A的2脚处于逻辑高电平状态，若此时周遭没有声音，U1A1引脚则呈现低电平状态，根据逻辑与非门“有0出1，全1出0”的原则，U1A3脚始终保持高电平，经过U1B、U1C、U1D的翻转后，在可控硅的门极呈现的依旧是低电平，门极无触发电压，所以可控硅保持截止状态，灯依旧无法被点亮。
此时一旦有“有人经过”等一系列能发出声音的行为时，驻极体话筒采集声音信号，输出经 C1耦合到Q1的基极，使集电极，也就是U1A1脚电位随声强而高低变化，此时声控电路的输出端，也就是U1A1脚是逻辑搞电平状态，根据逻辑与非门“有0出1，全1出0”的原则，U1A的3脚保持低电平，经过U1B、U1C、U1D的翻转后在可控硅的门极呈现的是高电平，门极得到触发电压，可控硅保持导通状态，直至此刻灯被点亮。
但声音的信号往往转瞬即逝，所以声控电路输出的高电平亦是如此，此时正是我们整个电路中延时电路初露锋芒的时候了，当声控和光控电路均输出高电平的时候，我们的U1A输出的是逻辑低电平，此时经反相器U1B的翻转，输入延时电路的是逻辑高电平，此时C2充电，声音信号一闪而过，高电平也随之骤降为低电平，但由于包括D1在内的延时电路的存在，C2放电，使U1C的9、10脚在一定时间内仍保持逻辑高电平，慢慢降为逻辑低电平，这段时间内，我们的灯将继续保持点亮状态，并在慢慢降为低电平后灭掉，从而达到了延时的效果。
值得一提的是电路中的三个反相器，三个反相器首先起到了逻辑取反的效果，其次，我们的驻极体话筒输入的是脉动信号，而且我们的光敏电阻输入的也并非完全高电平或者低电平，对于一个本该稳定的电路来说，这些可能是致命的，而我们的反相器则起到了对信号整形的作用，将我们输入的信号整形成了标准的方波信号。我们电路的反相器还不止于此，多个反相器组成了反相器链，增强了我们逻辑门的负载能力，减少了延时，这个延时纵然微乎其微，但电路本就该精益求精。
5.仿真调试
下图为我实验过程中用Multisim软件多次仿真试验后得出的最终结果。
在仿真过程中，由于软件内元器件的限制，我们用可调电阻D11代替了光敏电阻来模拟有光或者无光的情况，用电压源V1来代替了驻极体话筒，并加上一个电键来模拟声音信号的采集。
由于灯泡和LED均受到可控硅D2的控制，所以两者结果相同，受篇幅限制，本文在经过大量试验后，仅展示多次仿真实验中最具代表性的截图。
5.1模拟白天亦或是任何有较强光照的情况
在白天等较亮的时间，我们调低可变电阻D11的阻值来模拟光敏电阻在白天的状态，此时光控电路输出为逻辑低电平，无论声控电路输出的是高电平还是低电平，可控硅保持截止状态，灯无法被点亮。
5.2模拟黑夜亦或是任何光照较弱的情况
在夜晚亦或是光线较暗的时候，我们增大可变电阻的阻值来模拟黑夜中光敏电阻的情况，光敏电阻的阻值增大，与R4分压后，光控电路输入U1A的是逻辑高电平状态。
5.2.1没有声音信号或是声音信号较弱
若此时周遭没有声音或声音较弱，声控电路对U1A的输入的始终是呈现低电平状态，光控电路输入U1A的是高电平状态，在可控硅的门极呈现的是低电平，门极无触发电压，所以可控硅保持截止状态，灯依旧无法被点亮。
5.2.2有较强的声音信号
我们闭合再打开电键S2，模拟驻极体话筒采集声音信号，声控电路的输出端是逻辑高电平状态，由于此时光控信号的输出端也是高电平，故可控硅的门极呈现的是高电平，门极得到触发电压，可控硅保持导通状态，灯被点亮。
5.3对延时电路效果的仿真
上述过程灯被点亮后，经过一定时间的延时灯会灭掉，这个过程得益于我们的延时电路，在延时电路中我接入了可变电阻R12，接下来的过程是我针对延时电路时间控制的模拟。
5.3.1较长延时的模拟
在这项模拟过程中我增大了R12的阻值，多次试验截图，最终选取了时间最接近平均值的一张结果，可以发现R12阻值较大，延时时间较长。
5.3.2较短延时的模拟
在这项模拟过程中我减小了R12的阻值，多次试验截图，最终选取了时间最接近平均值的一张结果，可以发现R12阻值较小，延时时间较短。
