基于FPGA樓道聲控燈設計

1、EDA課程設計項目名稱 基于FPGA樓道聲控燈設計 專業(yè)班級 通信074 學生姓名 你個 指導教師 大力會 學 號 2013年 5 月 17 日摘 要社會的進一步發(fā)展各式各樣的燈層出不窮為了防止公物損壞節(jié)約用電設計了各種控制燈例如公共場所和居民居住區(qū)的公共樓道普遍使用機械手動開關,由于各種原因往往出現(xiàn)許多燈泡點亮長明的現(xiàn)象,故使燈泡壽命短,浪費電量,為國家、單位、個人造成經(jīng)濟損失。 另外由于頻繁開關或其他人為因素墻壁開關的損壞率很高既增大了維修量、浪費了資金又容易造成事故隱患。因此設計研制一種電路新穎、安全節(jié)電、結構簡單、安裝方便的聲控燈節(jié)能自動開關顯得相當有必要。使公共場所和居民居住區(qū)的公共

2、樓道燈在白天時不亮晚上聞聲自亮待人走后幾十秒后自動關閉既方便又省電。 所以制作了基于FPGA聲控燈。 關鍵詞：FPGA 聲控開關 控制 省電ABSTRACTFor the further development of a wide variety of light after another, in order to prevent damage to public property, saving electricity, has designed various control lights, such as public places and those who are living i

3、n the public corridor widespread use of mechanical manual switch, for various reasons are often there were many light bulbs lit Changming phenomenon, it is to make lamp life is short, a waste of electricity for the country, units and individuals causing economic losses. In addition, due to frequent

4、switching, or other man-made factors, the failure rate of a high wall switch, both increasing the amount of maintenance, waste of funds, but also easily lead to accidents. Therefore, the circuit design and development of a novel, safe energy-saving, simple structure, easy to install voice-activated

5、energy-saving automatic switch corridor lights appeared to be quite necessary.To make public places and those who are living in the public corridor lights during the day without light at night from Wen Sheng-liang, treat people left, tens of seconds automatically shut down, which is convenient, but

6、also energy saving. The following introduces the principle of voice-activated switch. Keywords: Circuit bord Voice-activated switch Contro1 Power摘 要IIABSTRACT3第1章 聲控燈工作原理5第2章 聲控燈的制作62.1 設計方法62.1.1 直流供電電路62.1.2 控制電路控制電路62.1.3延時電路72.2 元器件的介紹72.2.1 光敏電阻72.2.2 駐極體話筒72.2.3 NPN三極管92.2.4 可控硅102.2.5 cd40111

7、02.2.6 555定時器11第3章 軟件介紹及設計過程123.1 Quartus II簡介123.2 設計過程123.2.1 編寫程序代碼123.2.2 編譯執(zhí)行143.2.3 波形仿真153.2.4 仿真器件原理圖16第4章 實驗結果17結論19參考文獻20第1章 聲控燈工作原理220V交流電通過燈泡H及整流全橋后，變成直流脈動電壓，作為正向偏壓，加在可控硅VS及R支路上。白天，亮度大于一定程度時，光敏二極管D呈現(xiàn)底阻狀態(tài)1K，使三極管V截止，其發(fā)射極無電流輸出，單向可控硅VS因無觸發(fā)電流而阻斷。此時流過燈泡H的電流2.2mA,燈泡H不能發(fā)光。電阻R1和穩(wěn)壓二極管DW使三極管V偏壓不超過6

8、.8V，對三極管起保護作用。夜晚，亮度小于一定程度時，光敏二極管D呈現(xiàn)高阻狀態(tài)100K，使三極管V正向導通，發(fā)射極約有0.8V的電壓，使可控硅VS觸發(fā)導通，燈泡H發(fā)光。RP是清晨或傍晚實現(xiàn)開關轉換的亮度選擇元件。由音頻放大器、選頻電路、延時開啟電路和可控硅電路組成。它提供了一種操作簡便、靈活、抗干擾能力強，控制靈敏的聲控燈，它采用人嘴發(fā)出約1秒的控制信號“嘶”聲，即可方便及時地打開和關閉聲控照明裝置，并有防誤觸發(fā)而具有的自動延時關閉功能，并設有手動開關，使其應用更加方便。1就是因為聲控燈原理的原因，聲控燈有一種有趣的現(xiàn)象，那就是光線充足時，任你發(fā)出多大的聲音都不亮 ；但在黑夜，輕輕一聲它就發(fā)出

9、了亮光，這是為什么呢？原來聲控燈還光控電路，以使其在光線足夠的時候不工作，所以聲控燈的控制盒是聲、光同時控制的，在光亮度能達到的情況下，燈不會亮。你可以做一個小實驗，你可以用手遮擋聲控開關的光控原件然后再發(fā)出聲音，燈就會亮了。第2章 聲控燈的制作2.1 設計方法 聲控燈主要包含四部分電路，分別為：電源電路、光控電路、聲控延時電路、晶閘管開關電路，下面對其功能進行逐一分析并確定電路結構。電源電路主要為控制電路提供工作電壓，本設計采用傳統(tǒng)的電源電路設計方法，即降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓，使電路輸出12V直流電壓供給控制電路。光控電路是根據(jù)光線的強弱來優(yōu)先決定電燈的亮滅。該電路可以對聲控延時電路進行控制

10、，在白天光線較強時，光控電路輸出低電平將聲控電路封鎖；在晚上光線較弱時，光控電路輸出高電平，則聲控功能打開。本設計采用光敏電阻和其他電阻組成的分壓電路來控制555定時器的觸發(fā)輸入端2腳，并且將555定時器的2腳和6腳連接在一起，通過一電容接地，555定時器的輸出去控制聲控電路中的555定時器的復位端。聲控延時電路該電路主要在光線較弱時起作用。這主要是通過光控電路的輸出來控制的。在白天，該電路在光控電路的控制作用下，處于關閉狀態(tài)，對任何聲音信號都不響應；在晚上，光控電路將該電路的功能打開，使得該電路能根據(jù)外界聲音信號作出相應的響應。經(jīng)放大處理后的聲音信號控制處于單穩(wěn)工作模式的555定時器來實現(xiàn)聲

11、控及延時功能。晶閘管開關電路?該電路受聲控電路555定時器輸出端的控制。當其輸出低電平時，晶閘管截止，由于照明燈與晶閘管串聯(lián)，所以燈熄滅；當其輸出高電平時，晶閘管導通，照明燈點亮。2單元電路設計及分析電路由直流供電電路、控制電路、延時電路三部分組成。2.1.1 直流供電電路直流供電電路直流供電電路由D1-D4組成橋式整流電路。交流220V電壓經(jīng)橋式整流橋后變成脈動的直流電，供后續(xù)電路工作。2.1.2 控制電路控制電路控制電路控制電路由四與非門CD4011、駐極體話筒BM、光敏電阻R5、三極管9014、單向可控硅SCR等元器件組成。白天，由于光敏電阻R5阻值低，其兩端電壓低，CD4011的一腳為

12、低電平，3腳即變成高電平，導致11腳為低電平，即單向可控硅控制極G為低電平，單向可控硅截止，燈泡不亮。夜晚，由于光敏電阻沒有受到陽光照射，其阻值很高，兩端電壓較高，即1腳變成高電平，此時3腳的狀態(tài)受2腳控制，若2腳為高電平，則3腳為低電平，若2腳為低電平，則3腳位高電平。當駐極體接收到聲音信號后，經(jīng)C1的濾波作用，被三極管Q1放大，當被放大的信號達到峰值時，此時2腳即便為高電平，3腳變?yōu)榈碗娖剑?1腳高電平，單向可控硅控制極變成高電平，單向可控硅導通，燈泡點亮。當駐極體沒有接收到聲音信號時，2腳為低電平，燈泡不亮，工作原理類同白天情況。2.1.3延時電路由C3、R7組成，通過C3的充放電來維持

13、燈泡的點亮狀態(tài)，延時的時間由C3的容量及R7的阻值來決定。2.2 元器件的介紹2.2.1 光敏電阻光敏電阻 光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。1. 組成光敏電阻器是利用半導體的光電導效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，又稱為光電導探測器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。2. 工作原理光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應。在半導體

14、光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時，電流就會隨光強的增大而變大，從而實現(xiàn)光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導體的導電能力

15、取決于半導體導帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。32.2.2 駐極體話筒駐極體話筒具有體積小、結構簡單、電聲性能好、價格低的特點，廣泛用于盒式錄音機、無線話筒及聲控等電路中。屬于最常用的電容話筒。由于輸入和輸出阻抗很高，所以要在這種話筒外殼內(nèi)設置一個場效應管作為阻抗轉換器，為此駐極體電容式話筒在工作時需要直流工作電壓。1. 結構原理駐極體話筒具有體積小，頻率范圍寬，高保真和成本低的特點，已在通訊設備，家用電器等電子產(chǎn)品中廣泛應用。話筒的基本結構由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個上面有若干小孔的金屬電極（背稱為背電極）構成。駐極體面與背電極相對，中間有一個極小的空氣隙，形成 一個以空氣隙和駐極體作絕緣介質

16、，以背電極和駐極體上的金屬層作為兩個電極構成一個平板電容器。電容的兩極之間有輸出電極。由于駐極體薄膜上分布有自由電荷。當聲波引起駐極體薄膜振動而產(chǎn)生位移時；改變了電容兩極版之間的距離，從而引起電容的容量發(fā)生變化，由于駐極體上的電荷數(shù)始終保持恒定，根據(jù)公式：Q =CU 所以當C變化時必然引起電容器兩端電壓U的變化，從而輸出電信號，實現(xiàn)聲電的變換。由于實際電容器的電容量很小，輸出的電信號極為微弱，輸出阻抗極高，可達數(shù)百兆歐以上。因此，它不能直接與放大電路相連接，必須連接阻抗變換器。通常用一個專用的場效應管和一個二極管復合組成阻抗變換器。電容器的兩個電極接在柵源極之間，電容兩端電壓既為柵源極偏置電壓

17、Ucs，Ucs變化時，引起場效應管的源漏極之間Idc的電流變化，實現(xiàn)了阻抗變換。一般話筒經(jīng)變換后輸出電阻小于2千歐。2. 駐極體話筒的正確使用機內(nèi)型駐極體話筒有四種連接方式對應的話筒引出端分為兩端式和三端式兩種，圖中R是場效應管的負載電阻，它的取值直接關系到話筒的直流偏置，對話筒的靈敏度等工作參數(shù)有較大的影響。二端輸出方式是將場效應管接成漏極輸出電路，類似晶體三極管的共發(fā)射極放大電路。只需兩根引出線，漏極D與電源正極之間接一漏極電阻R，信號由漏極輸出有一 定的電壓增益，因而話筒的靈敏度比較高，但動態(tài)范圍比較小。市售的駐極體話筒大多是這種方式連接。（SONY用在MD上的話筒也是這類）三端輸出方式

18、是將場效應管接成源極輸出方式，類似晶體三極管的射極輸出電路，需要用三根引線。漏極D接電源正極，源極S與地之間接一電阻R來提供源極電壓，信 號由源極經(jīng)電容C輸出。源極輸出的輸出阻抗小于2K，電路比較穩(wěn)定，動態(tài)范圍大，但輸出信號比漏極輸出小。三端輸出式話筒市場上比較少見。無論何種接法，駐極體話筒必須滿足一定的偏置條件才能正常工作。（實際上就是保證內(nèi)置場效應管始終處于放大狀態(tài)）3. 工作原理駐極體話筒體積小，結構簡單，電聲性能好，價格低廉，應用非常廣泛。高分子極化膜上生產(chǎn)時就注入了一定的永久電荷(Q)，由于沒有放電回路，這個電荷量是不變的，在聲波的作用下，極化膜隨著聲音震動，因此和背極的距離也跟著變

19、化，也就是鎖極化膜和背極間的電容是隨聲波變化。我們知道電容上電荷的公式是Q=CU，反之U=Q/C也是成立的。駐極體總的電荷量是不變，當極板在聲波壓力下后退時，電容量減小，電容兩極間的電壓就會成反比的升高，反之電容量增加時電容兩極間的電壓就會成反比的降低。最后再通過阻抗非常高的場效應將電容兩端的電壓取出來，同時進行放大，我們就可以得到和聲音對應的電壓了。由于場效應管是有源器件，需要一定的偏置和電流才可以工作在放大狀態(tài)，因此，駐極體話筒都要加一個直流偏置才能工作。2.2.3 NPN三極管9014是非常常見的晶體三極管，在收音機以及各種放大電路中經(jīng)?？吹剿?，應用范圍很廣,它是npn型小功率三極管。下

20、面介紹9014的引腳圖參數(shù)等資料，希望大家記住。1、發(fā)射極2、基極3、集電極。1. 9014三極管參數(shù)集電極最大耗散功率PCM=0.4W（Tamb=25）集電極最大允許電流ICM=0.1A集電極基極擊穿電壓BVCBO=50V集電極發(fā)射極擊穿電壓BVCEO=45V發(fā)射極基極擊穿電壓BVEBO=5V集電極發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)=0.3V (IC=100mA; IB=5mA)基極發(fā)射極飽和壓降VBE(sat)=1V (IC=100mA; IB=5mA)特征頻率fT=150MHzHFE： A=60150; B=100300; C=200600; D=40010002. 主要用途作為低頻、低噪聲

21、前置放大，應用于電話機、VCD、DVD、電動玩具等電子產(chǎn)品（與C9015互補）1）。3. 識別方法(a) 判定基極。用萬用表R100或R1k擋測量管子三個電極中每兩個極之間的正、反向電阻值。當用第一根表筆接某一電極，而第二表筆先后接觸另外兩個電極 均測得低阻值時，則第一根表筆所接的那個電極即為基極b。這時，要注意萬用表表筆的極性，如果紅表筆接的是基極b。黑表筆分別接在其他兩極時，測得的阻值 都較小，則可判定被測管子為PNP型三極管；如果黑表筆接的是基極b，紅表筆分別接觸其他兩極時，測得的阻值較小，則被測三極管為NPN型管如 9013，9014,9018。(b) 判定三極管集電極c和發(fā)射極e。(

22、以PNP型三極管為例)將萬用表置于R100或R1K擋，紅表筆基極b，用黑表筆分別接觸另外兩個管腳時，所測得的 兩個電阻值會是一個大一些，一個小一些。在阻值小的一次測量中，黑表筆所接管腳為集電極；在阻值較大的一次測量中，黑表筆所接管腳為發(fā)射極。2.2.4 可控硅可控硅(SCR: Silicon Controlled Rectifier)是可控硅整流器的簡稱。可控硅有單向、雙向、可關斷和光控幾種類型它具有體積小、重量輕、效率高、壽命長、控制方便等優(yōu)點，被廣泛用于可控整流、調壓、逆變以及無觸點開關等各種自動控制和大功率的電能轉換的場合。單向可控硅是一種可控整流電子元件，能在外部控制信號作用下由關斷變

23、為導通，但一旦導通，外部信號就無法使其關斷，只能靠去除負載或降低其兩端電壓使其關斷。單向可控硅是由三個PN結PNPN組成的四層三端半導體器件與具有一個PN結的二極管相比，單向可控硅正向導通受控制極電流控制；與具有兩個PN結的三極管相比，差別在于可控硅對控制極電流沒有放大作用。1. 工作原理可控硅導通條件：一是可控硅陽極與陰極間必須加正向電壓，二是控制極也要加正向電壓。以上兩個條件必須同時具備，可控硅才會處于導通狀態(tài)。另外，可控硅一旦導通后，即使降低控制極電壓或去掉控制極電壓，可控硅仍然導通。 可控硅關斷條件：降低或去掉加在可控硅陽極至陰極之間的正向電壓，使陽極電流小于最小維持電流以下。42.2

24、.5 cd4011邏輯表達式：Y = A.B 真值表 A=Y.B X Y Q 動作 0 0 0禁止 0 1 1 設定 1 0 0 重置 1 1 不變 無 (1)當X=0、Y=0時，將使兩個NAND門之輸出均為1，違反觸發(fā)器之功用，故禁止使用。如真值表第一列。 (2)當X=0、Y=1時，由于X=1導致NAND-A的輸出為”1”，使得NAND-B的兩個輸入均為”1”，因此NAND-B的輸出為”0”，如真值表第二列。 (3)當X=1、Y=0時，由于Y=0導致NAND-B的輸出為”1”，使得NAND-1的兩個輸入均為”1，因此NAND-A的輸出為”0”，如真值表第三列。 (4)當X=1、Y=1時，因為

25、一個”1不影響NAND門的輸出，所以兩個NAND門的輸出均不改變狀態(tài)，如真值表第四列。 注：由于資料來源有限，請自行對應邏輯符號。 管腳功能： 1A 數(shù)據(jù)輸入端 2A 數(shù)據(jù)輸入端 3A 數(shù)據(jù)輸入端 4A 數(shù)據(jù)輸入端B數(shù)據(jù)輸入端2B數(shù)據(jù)輸入端3B數(shù)據(jù)輸入端4B數(shù)據(jù)輸入端VDD電源正VSS地1Y數(shù)據(jù)輸出端2Y數(shù)據(jù)輸出端3Y數(shù)據(jù)輸出端4Y數(shù)據(jù)輸出端VDD電壓范圍：.5Vto18功耗：雙列普通封裝700mW小型封裝500mW工作溫度范圍：CD4011BM-55-+125CD4011BC-40-+85。2.2.6 555定時器555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結合的中規(guī)模集成器件。一般用雙極型工藝制作的

26、稱為 555，用 CMOS 工藝制作的稱為 7555，除單定時器外，還有對應的雙定時器 556/7556。555 定時器的電源電壓范圍寬，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，輸出驅動電流約為 200mA，因而其輸出可與 TTL、CMOS 或者模擬電路電平兼容。555定時器成本低，性能可靠，只需要外接幾個電阻、電容，就可以實現(xiàn)多諧振蕩器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生與變換電路。它也常作為定時器廣泛應用于儀器儀表、家用電器、電子測量及自動控制等方面。它內(nèi)部包括兩個電壓比較器，三個等值串聯(lián)電阻，一個 RS 觸發(fā)器，一個放電管 T 及功率輸出級。它提供兩個基準電壓VCC

27、 /3 和 2VCC /3。555 定時器的功能主要由兩個比較器決定。兩個比較器的輸出電壓控制RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當 5 腳懸空時，則電壓比較器 C1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，C2 的同相輸入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于VCC /3，則比較器 C2 的輸出為 0，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時 TR 端的電壓大于VCC /3，則 C1 的輸出為 0，C2 的輸出為 1，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。它的各個引腳功能如下：1腳：外接電源負端

28、VSS或接地，一般情況下接地。2腳：低觸發(fā)端3腳：輸出端Vo4腳：是直接清零端。當此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、 TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5腳：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。6腳：TH高觸發(fā)端。7腳：放電端。該端與放電管集電極相連，用做定時器時電容的放電。8腳：外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。第3章 軟件介紹及設計過程3.1 Quartus II簡介Alter

29、a Quartus II 作為一種可編程邏輯的設計環(huán)境, 由于其強大的設計能力和直觀易用的接口，越來越受到數(shù)字系統(tǒng)設計者的歡迎。當前官方提供下載的最新版本是v12.1。Altera Quartus II （3.0和更高版本）設計軟件是業(yè)界唯一提供FPGA和固定功能HardCopy器件統(tǒng)一設計流程的設計工具。工程師使用同樣的低價位工具對 Stratix FPGA進行功能驗證和原型設計，又可以設計HardCopy Stratix器件用于批量成品。系統(tǒng)設計者現(xiàn)在能夠用Quartus II軟件評估HardCopy Stratix器件的性能和功耗，相應地進行最大吞吐量設計。Altera的Quartus

30、II可編程邏輯軟件屬于第四代PLD開發(fā)平臺。該平臺支持一個工作組環(huán)境下的設計要求，其中包括支持基于Internet的協(xié)作設計。Quartus平臺與Cadence、ExemplarLogic、 MentorGraphics、Synopsys和Synplicity等EDA供應商的開發(fā)工具相兼容。改進了軟件的LogicLock模塊設計功能，增添 了FastFit編譯選項，推進了網(wǎng)絡編輯性能，而且提升了調試能力。3.2 設計過程本設計采用Quartus II編寫程序代碼、編譯、執(zhí)行、波形仿真來實現(xiàn)本設計。完成以上工作會得到器件原理圖。3.2.1 編寫程序代碼代碼如下：module yjyj(sk,gk,clk,sk_out,gk_out);input clk;i