1.緒論
1.1研究背景及意義
“綠色照明”是 20 世紀 90年代初提出的照明領域的新方針。現在，公共場所各種照明燈的應用也逐漸增多，日常生活中各種燈的應用量也加大，用電量也逐漸加大。而生活中我們用的最為平常的燈則是樓道裡的照明燈，住過居民樓的人都應該知道，樓道很窄，晚上行走很不友善，如果讓樓道的照明燈一直亮着，則難免會浪費國家資源，是以設計一種既不浪費國家電力又很友善實用的照明燈系統是很有實用價值意義的一件事。
在學校、機關、企業等機關的公共場是以及居民區的公共樓道，長明燈現象十分普遍，這造成了能源的極大浪費。另外，由于頻繁開關或者人為因素，牆壁開關的損壞率很高，增大了維修量、浪費了資金，是以聲光控節能燈使用，極大的節約了資源。
用聲光控延時開關代替住宅小區的樓道上的開關，隻有在天黑以後，當有人走過樓梯通道，發出腳步聲或其它聲音時，樓道燈會自動點亮，提供照明，當人們進入家門或走出較高價的電梯大廈，樓道燈延時幾分鐘後會自動熄滅。在白天，即使有聲音，樓道燈也不會亮，可以達到節能的目的。聲光控延時開關不僅适用于住宅區的樓道，而且也适用于工廠、辦公樓、教學樓等公共場所，它具有體積小、外形美觀、制作容易、工作可靠等優點，适合于各種樓房走廊的照明裝置。因為樓道照明是非持續性的，有人經過才需要光亮，而不斷的開關通斷會影響熒光燈的使用壽命，是以聲光控白熾燈在樓道照明領域得到廣泛應用。
1.2國内外研究現狀
由于近年來我國的照明器材行業的迅速崛起，中國已經成為電光源産品的主要輸出國之一。加入 WTO後，國際上一些知名品牌大企業相繼進入國内産銷領域，使得國内競争國際化，而努力增加節能光源和不同檔次、花樣、不同用途的照明器具的開發，加快綠色、節能光源産品的開發推廣和應用是我國目前照明器材行業結構調整的重點，而由此帶來的巨大挑戰與商業利益也成為一些企業矚目的焦點。
随着全球經濟一體化，發達國家産業調整的步伐進一步加快，一般照明電器産品生産大量向開發中國家轉移，而中國也逐漸成為照明電器産品出口大國。展望未來的國内市場，需求仍會呈逐年增長趨勢，基礎設施建設、城市亮化工程建設都需要照明，這将預示着我國照明市場仍有很大的潛力可挖。根據國内外市場需求預測，我國照明電器行業的高速增長期還将繼續，對未來的預測如何更加科學化是我們面臨的問題。進一步提高照明産品的品質和檔次，既是目前擺在我們面前的課題，也是全行業共同努力的長期目标。就國内市場需求而言，人們生活水準逐漸提高，對生存環境品質的要求也越來越高，對照明電器産品也提出更高的要求。
從國際市場分析，雖然我們的出口逐年大幅度增長，但我國大部分産品在國際市場仍屬中低檔次，與發達國家在照明電器産品的品質、檔次、生産工藝、裝置、材料以及新産品開發能力等方面均存在明顯差距，是以要清醒地認識錯誤，保證産品的品質才能不斷地進步，進而目标成為照明行業中的生産強國，為照明電器行業的健康發展做出更大的貢獻。
1.3本課題研究内容
本文設計并制作了聲光控制燈延時開關電路，該電路具有以下功能：
1.白天光線充足時控制開關不通，即使有聲音也不能點亮照明燈；在晚上或光線不足時，隻要有人經過發出聲音，燈泡就會點亮；
2.燈泡點亮後延時一段時間開關能自動斷開，燈滅，延時時間可調30s～120s之間；
3.延時開關通過切換開關控制發光二極管或白熾燈，發光二級由DC5V電源供電，白熾燈由AC220V市電供電。
2.方案設計
2.1設計要求
本課題設計是一套聲光雙控的照明燈電路，該電路具有在白天時自鎖，每當夜幕降臨之時隻要有人經過，發出聲音，燈就會點亮，經過短暫延時後，燈會滅掉，而且延時的時長可以調整。本電路的照明有白熾燈和LED燈兩種選擇。
2.2方案選擇
在本次實訓的前期準備中，我通過查閱資料也找到了很多種設計方案，在權衡自身情況以及最終設計的要求後，我排除了用555定時器來設計的方案，因為555定時器雖然設計出來功能更為全面，但過程過于複雜，且本次設計隻需要達到聲控，光控和延時的效果，不需要過多複雜的效果。如果用單片機來設計的話，過程會簡單很多，但基于目前專業知識儲備不足，隻能忍痛割愛，舍棄了用單片機來設計的方案，對于控制整條照明電路通斷的選擇，我原定的是電磁繼電器，但由于其耐久度不如晶閘管，是以選擇了晶閘管，最終標明了本次設計的方法。
3.硬體設計
如下圖為本次設計的原理圖和仿真圖，這次的電路主要有聲控電路，光控電路，延時電路和照明電路幾個部分組成。
3.1聲控電路
由駐極體話筒MK1，三極管Q1，電容 C1及電阻 R1、R2、R3、R5等組成，其中MK1為聲檢測元件，當環境聲音很弱時，三極管Q1處于飽和狀态，U1A1腳為低電平，U1D11腳亦為低電平，可控矽D2阻斷，當環境聲音信号達到一定強度時，通過 MK1拾音輸出經 C1耦合到Q1的基極，使集電極也就是U1A1腳電位随聲強而高低變化，當 1 腳處于高電平時，由于 2 腳早已處于高電平而滿足了與非門翻轉條件， 3 腳跳變為低電平。電容話筒的接收聲音信号并将信号轉化為電流信号（交流信号） ，使三極管Q1由飽和狀态轉為截止狀态，電阻很大，基本上為 VCC電壓值。是以在聲音信号來到時會有三極管集電極電壓的跳變現象。也正是由于這一現象使得聲控功能得以實作。
3.2光控電路
光控電路由R4和D11組成，其中D11為光敏電阻，光控電路的輸入端連接配接與非門U1A1腳。電路中可控矽D2的通斷，取決于控制信号的有無。 光敏電阻D11的阻值随着光照強度的變化而變化， 當光照達到一定強度時，其電阻值變小到與R4分壓後使U1A的2腳處于邏輯低電平，2腳所在的與非門被封死，這時不管有無聲音信号輸入，U1D11腳都是低電平，可控矽D2正向阻斷。随着光照強度的減弱，D11的阻值逐漸增大，U1A2腳的電平逐漸上升，當2腳的電位上升到邏輯高電平後，即滿足了開門條件，此時的聲控開始起作用，3腳的邏輯電平隻取決于U1A1腳電位（聲控電路輸入端）是否達到了邏輯高電平。
3.3延時電路
延時電路由 R8、R12、C2、D1等元件組成。結合聲控電路光控電路分析，當D2被觸發導通時C1上的電壓降低，MK1拾音器的靈敏度降低，Q1重新飽和，U1A3腳為高電平，U2A4腳變為低電平，由于D1的隔離作用， C2上的電壓仍維持9、10腳高電平，12腳也為高電平， C2上的電壓通過R5、R6放電，直至C2上的電壓降低至U1C邏輯低電平時，12腳變為低電平，晶閘管 q 在正負極間的電壓過零時被正向阻斷， C2上的電壓重新升高， MK1恢複拾音靈敏度，等待下一次聲控信号的輸入，U1C9、10腳電位從高電平降低為低電平的時間，即為開關接通的維持時間，由 C2和R8、R12的數值确定，在這裡我們的設計是可以控制延時時長的，是以我們的R12選擇了可變電阻。
3.4照明電路
在設計的過程中，對于照明電路部分，我們在電路中設計了兩種選擇，即可以使用220v50Hz的燈泡，也可以使用LED燈來照明，多一分選擇，多一分環保。
通過單刀雙擲開關S1的切換我們可以在兩種選擇之間切換自如，在白熾燈這邊我們連結的是220V的交流電，控制器件我們選擇了電磁繼電器來控制，通過電磁繼電器，我們實作了用低電壓、弱電流控制高電壓、強電流甚至實作遠距離操縱和自動控制，，達到四兩撥千斤的目的。
4.電路分析
如原理圖所示，整個電路有聲控電路，光控電路，延時電路和照明電路等幾大部分組成。（照明電路外接在了header2的位置）
在白天等較亮的時間，光敏電阻D11的阻值随着光照強度的變化而變化， 當光照達到一定強度時，其電阻值變小到與R4分壓後使U1A的2腳處于邏輯低電平，根據邏輯與非門“有0出1，全1出0”的原則，無論聲控電路輸出的是高電平還是低電平，U1A3腳始終保持高電平，經過U1B、U1C、U1D的翻轉後在可控矽的門極呈現的是低電平，門極無觸發電壓，是以可控矽保持截止狀态，燈無法被點亮。
在夜晚亦或是光線較暗的時候，光敏電阻的阻值增大，與R4分壓後使U1A的2腳處于邏輯高電平狀态，若此時周遭沒有聲音，U1A1引腳則呈現低電平狀态，根據邏輯與非門“有0出1，全1出0”的原則，U1A3腳始終保持高電平，經過U1B、U1C、U1D的翻轉後，在可控矽的門極呈現的依舊是低電平，門極無觸發電壓，是以可控矽保持截止狀态，燈依舊無法被點亮。
此時一旦有“有人經過”等一系列能發出聲音的行為時，駐極體話筒采集聲音信号，輸出經 C1耦合到Q1的基極，使集電極，也就是U1A1腳電位随聲強而高低變化，此時聲控電路的輸出端，也就是U1A1腳是邏輯搞電平狀态，根據邏輯與非門“有0出1，全1出0”的原則，U1A的3腳保持低電平，經過U1B、U1C、U1D的翻轉後在可控矽的門極呈現的是高電平，門極得到觸發電壓，可控矽保持導通狀态，直至此刻燈被點亮。
但聲音的信号往往轉瞬即逝，是以聲控電路輸出的高電平亦是如此，此時正是我們整個電路中延時電路初露鋒芒的時候了，當聲控和光控電路均輸出高電平的時候，我們的U1A輸出的是邏輯低電平，此時經反相器U1B的翻轉，輸入延時電路的是邏輯高電平，此時C2充電，聲音信号一閃而過，高電平也随之驟降為低電平，但由于包括D1在内的延時電路的存在，C2放電，使U1C的9、10腳在一定時間内仍保持邏輯高電平，慢慢降為邏輯低電平，這段時間内，我們的燈将繼續保持點亮狀态，并在慢慢降為低電平後滅掉，進而達到了延時的效果。
值得一提的是電路中的三個反相器，三個反相器首先起到了邏輯取反的效果，其次，我們的駐極體話筒輸入的是脈動信号，而且我們的光敏電阻輸入的也并非完全高電平或者低電平，對于一個本該穩定的電路來說，這些可能是緻命的，而我們的反相器則起到了對信号整形的作用，将我們輸入的信号整形成了标準的方波信号。我們電路的反相器還不止于此，多個反相器組成了反相器鍊，增強了我們邏輯門的負載能力，減少了延時，這個延時縱然微乎其微，但電路本就該精益求精。
5.仿真調試
下圖為我實驗過程中用Multisim軟體多次仿真試驗後得出的最終結果。
在仿真過程中，由于軟體内元器件的限制，我們用可調電阻D11代替了光敏電阻來模拟有光或者無光的情況，用電壓源V1來代替了駐極體話筒，并加上一個電鍵來模拟聲音信号的采集。
由于燈泡和LED均受到可控矽D2的控制，是以兩者結果相同，受篇幅限制，本文在經過大量試驗後，僅展示多次仿真實驗中最具代表性的截圖。
5.1模拟白天亦或是任何有較強光照的情況
在白天等較亮的時間，我們調低可變電阻D11的阻值來模拟光敏電阻在白天的狀态，此時光控電路輸出為邏輯低電平，無論聲控電路輸出的是高電平還是低電平，可控矽保持截止狀态，燈無法被點亮。
5.2模拟黑夜亦或是任何光照較弱的情況
在夜晚亦或是光線較暗的時候，我們增大可變電阻的阻值來模拟黑夜中光敏電阻的情況，光敏電阻的阻值增大，與R4分壓後，光控電路輸入U1A的是邏輯高電平狀态。
5.2.1沒有聲音信号或是聲音信号較弱
若此時周遭沒有聲音或聲音較弱，聲控電路對U1A的輸入的始終是呈現低電平狀态，光控電路輸入U1A的是高電平狀态，在可控矽的門極呈現的是低電平，門極無觸發電壓，是以可控矽保持截止狀态，燈依舊無法被點亮。
5.2.2有較強的聲音信号
我們閉合再打開電鍵S2，模拟駐極體話筒采集聲音信号，聲控電路的輸出端是邏輯高電平狀态，由于此時光控信号的輸出端也是高電平，故可控矽的門極呈現的是高電平，門極得到觸發電壓，可控矽保持導通狀态，燈被點亮。
5.3對延時電路效果的仿真
上述過程燈被點亮後，經過一定時間的延時燈會滅掉，這個過程得益于我們的延時電路，在延時電路中我接入了可變電阻R12，接下來的過程是我針對延時電路時間控制的模拟。
5.3.1較長延時的模拟
在這項模拟過程中我增大了R12的阻值，多次試驗截圖，最終選取了時間最接近平均值的一張結果，可以發現R12阻值較大，延時時間較長。
5.3.2較短延時的模拟
在這項模拟過程中我減小了R12的阻值，多次試驗截圖，最終選取了時間最接近平均值的一張結果，可以發現R12阻值較小，延時時間較短。