课程设计（论文）-楼道灯光控制电路的设计.doc

中国地质大学长城学院本 科 课 程 设 计题 目:楼道灯光控制电路的设计 系 别信息工程系学生姓名专 业电气工程及其自动化学 号指导教师职 称高级工程师2016 年6 月 13日第一章 绪论光控电路有着广泛的应用。比如城市中的路灯或楼道照明等一般都是由人工操作的,如果采用光控电路,根据光线的强弱来自动开启和关闭照明灯,做到无人自动控制,可以减轻工人的劳动强度,有效的节约能源。但光控电路有其缺陷,就是夜晚无光线的时候,照明灯将一直工作着,这样会造成资源的浪费,也会缩短照明灯的寿命。这时若在光控电路的基础上添加一个声控电路,使得照明电路在无光线的时候,只受声音的控制,当有脚步声或其它较强声响的时候,照明电路自动工作。当声音消失的时候,照明灯自动熄灭,这就需要在光控电路和声控电路联合工作的条件下添加一个延时电路,使照明灯点亮后,延时一定时间后自动熄灭。声控灯的制作目的是通过声控灯的制作，提高学习电路知识的兴趣，掌握元器件的测试方法，掌握自己制作印制电路板的方法，锻炼实际动手操作能力。 声控灯顾名思义，声控灯即是用声旨束控制电灯亮灭或亮度强弱的一种灯具，控制某一用电负载的方法多种多样，用光的强弱控制的称光控，用温度高低控制的你温控，用磁场强弱控制的称磁控，还有依靠压力、湿度的等等。使用这种照明电路,人们就不必在黑暗中摸索开关,也不必再担心点长明灯费电和损坏灯泡了。夜间只要有脚步声或其它较强的声响时,灯便自动点亮,延时一定时间后自动熄灭。特别适用自动控制路灯照明以及走廊和楼道等处的短时照明。第二章 课程设际内容与要求1.1设计内容设计声光控制照明灯。1.2设计要求要求该电路夜间有声音信号时，照明灯（用LED发光管模拟）点亮；无声时延迟5秒后熄灭;如声音间隔小于5秒，则LED持续点亮。白天有声无声均不点亮。1.3设计目的本次课程设计主要是配合模拟电子技术和数字电子技术理论课程而设置的一门实践性课程，起到巩固所学知识，加强综合能力，培养电路设计能力，提高实验技术，启发创新思想的结果。只有在天黑之后，当有人走过楼道通道，发出脚步声或其他声音时，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。楼道声控灯不仅适用于住宅处的楼道，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。第三章 系统总体方案设计及方案论证3.1楼道声控灯的基本原理该电路由声控电路、光控电路及放大电路、单稳态延时电路组成，下面对其功能进行逐一分析并确定电路结构。 光控电路是根据光线的强弱来优先决定电灯的亮灭。声音信号由驻极体话筒BM接收，经过反比放大，放大的信号送到NE555定时器的2,6脚。该电路可以对声控延时电路进行控制，在白天光线较强时，该电路在光控电路的作用下，处于关闭状态，对任何声音信号都不响应，在晚上光线较弱时，光控电路将该电路的功能打开，使得该电路能根据外界声音信号做出相应的响应。NE555定时器的输出去控制74HC123声控延时电路。该电路主要在光线较弱时起作用。这主要是通过光控电路的输出来控制的。图3.1楼道声控灯电路图3.2元器件的介绍器件清单表3.2器件清单74HC123一块NE555一个LM358一个驻极体话筒一个电阻：3302;1K/4;4.7K/5;10K/2;150K/2电位器 单圈蓝色方形一个22K电容：16V 47uF一个；16V 10uF两个；光敏电阻；发光二极管LED一个；3.2.1 电阻器电阻器的种类有很多，通常分为三大类：固定电阻、可变电阻、特种电阻。光敏电阻是一种电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的原件，光越强阻值越小，光越弱阻值越大。光敏电阻器又叫光敏电阻，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，一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转化为电的变化）。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）内就激发出电子一空穴对，参与导电，使电路中电流增强。3.2.2 驻极体话筒BM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。构造与原理驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。 声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻 极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高(Xc12tfc)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。 图3.2.2驻极体话筒2、驻极体话筒工作原理驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。 高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。 我们知道电容上电荷的公式是QCV，反之VQ/C也是成立的。驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管时有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。 3、驻极体话筒选配注意驻极体话筒价格很低，损坏后做更换处理，关于驻极体话筒选配要注意以下几点： （1）两根和三根引脚的驻极体话筒之间不能直接替代，一般情况下也不做改动电路的代替。 （2）这种话筒没有型号之分，相同引脚数的话筒可以代替，只是存在性能上的差别。 词条图册更多图册3.2.3 555定时器电路集成定时器555电路，是一种数字、模拟混合型的中规模集成电路，应用十分广泛。它是一种产生时间延迟和多种脉冲信号的电路，由于内部电压标准使用了三个5K电阻，故取名555电路。其电路类型有双极型和CMOS型两大类，二者的结构和工作原理类似。二者的逻辑功能和引脚排列完全相同，易于互换。555电路构成单稳态触发器，如图 3.2.3.1 所示。图3.2.3.1单稳态触发器555定时器内部电路见图3.2.3.2 所示。图3.2.2.3555定时器的内部结构3.2.4 74HC123 74HC123是单稳态触发器。其 RxCx (7,15) 和 Cx 端 (6,14) 接定时的电阻和电容, 即决定触发后 Q 端产生的单脉冲宽度. Rbar (3,11) 是低电平复零, 不作复零时为高电平。Abar (1,9) 是下降沿触发输入端, 通过 Abar 用负脉冲触发, 不用时保持高电平. B (2,10) 是上升沿触发输入端, 通过 B 用正脉冲触发, 不用时置低.。Q (5,13) 与 Qbar (4,12) 分别输出正负定时单脉冲。 器件中单稳触发器作用是不管触发信号持续多长时间，只固定维持外围阻容给定的一段时间就恢复触发前状态，外围电阻电容决定单稳时间，因为触发是由边缘触发，上升或下降沿。可再触发单稳不同之处是前次触发后的单稳没有恢复触发前状态而又有触发信号时，可再触发单稳将在触发边缘开始继续维持阻容给定的单稳时间，而单稳是不理会在翻转后的触发信号的。此芯片也可做多谐振荡器用。 74HC123单稳态触发器。它有两种输入，A为低电平有效，B为高电平有效。有两种输出，正好相反。用外接的电阻电容作定时元件，时间自己定，比74LS电路易用。 单稳态触发器74HC123及外围电路来实现该功能。74HC123为双可重复触发的单稳态，其输出脉冲的宽度主要取决于定时电阻R与定时电容C，脉宽的计算为电容值与电阻值的乘积即：WP=RC，在实际设计中R=5kW，C=80pF，输出脉宽为400ns、幅度约5V。脉冲快沿放大与射极跟随输出电路，主要作用是对整形与展宽后的触发脉冲进行加速和放大，以便得到有较高幅度和较快上升沿的脉冲信号去触发场效应管2SC3306。3.2.5 LM358 LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。LM358引脚图及引脚功能LM358封装有塑封8引线双列直插式和贴片式两种。LM358的特点: . 内部频率补偿. 低输入偏流. 低输入失调电压和失调电流. 共模输入电压范围宽，包括接地. 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围. 直流电压增益高(约100dB) . 单位增益频带宽(约1MHz) . 电源电压范围宽：单电源(330V)；. 双电源(1.5 一15V). 低功耗电流，适合于电池供电. 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V) 声控走廊灯开关电路工作原理电路原理如图1所示。二极管VD4VD7组成桥式整流电路。电阻R10、电容C4组成降压、滤波电路。单行晶闸管VS式照明灯HL 的无触点开关。VS导通，HL点亮；VS关断，HL熄灭。白天，由于光电二极管VD1受到环境光线的照射阻值很小，反相器F3的脚呈低电位，脚呈高电位，经反相器F4 脚呈低电位，二极管VD3呈截止状态。反相器F5的脚呈高电位，反相器F6的脚呈低电位，三极管VT处于截止状态。由于单向晶闸管VS无触发电压而关断。照明灯HL 不亮。 天黑时，光电二极管的阻值增大，虽然F3的脚电位有所上升，但仍达不到开启F3的阀值电压，故处于预备工作状态。此时，F6的脚呈低电位，照明灯HL 依然不亮。当外界有声音发出时，其声波被压电陶瓷片BC转换为电信号，经两级反相器F1和F2变换，脚输出的信号经电容C1耦合，有限流电阻R3加给F3的脚。F3的脚达到阀值开启电压，F3反相器工作，脚呈低电位，F4的 脚呈高地位二极管VD3获得正向电压而导通，并给电容C3充电（由于这种延时，可保证有效的减缓冲击电流，从而大大的延长灯泡使用寿命）。F5的脚电位升高，则脚电位降低，经F6反相，脚呈高电位，单向晶闸管VS获得高电位而触发导通，HL点亮。同时三极管VT导通。无声时，F3的脚又回到原等待电位，则二极管VD3截止。此时充足电荷的电容C3开始向电阻R8放电。由于放电过程中F6的脚仍持续高电位，HL仍旧保持照明状态。随着时间的推移，电容C3的端电压放电到一定低电位时，促使F5反相，脚电位变高，则F6的脚电位变低，VS关断，HL熄灭。电路中三极管VT主要是为了节能而设置的。当F6的脚呈高电位时，三极管VT导通，其集电极电位变低，因而使F3的脚电位下降。即使F2的脚有信号输出，由于VT的集电极的钳位作用，使得F3不受F2控制，只有当C3放电完毕后VT才会截止。所以，外界的声音无论怎样连续发出，都不会影响电路定时的正常工作，这样既满足接受第一次声音控制，又达到了节能的目的。只有当定时完毕，电路在接收信号，才开启照明灯工作。R2为负反馈电阻。电阻R1、R9构成分压电路。VD2为隔离二极管。C2为抗干扰电容，用于消除外界的杂波影响。整流、降压、滤波电路桥式整流电路是一种将交流电压变换为单向脉动的直流电压，原理图中用VD4-VD7四个二极管组成了桥式整流电路。桥式整流电路的工作原理如下：e2为正半周时，对D1、D3和方向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成e2、Dl、Rfz 、D3通电回路，在Rfz ，上形成上正下负的半波整洗电压，e2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成e2、D2Rfz 、D4通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。上述工作状态分别如右图（A） （B）所示。 如此重复下去，结果在Rfz ，上便得到全波整流电压。其波形图和全波整流波形图是一样的。从图5-6中还不难看出，桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小 图3-1桥式整流电路工作状态图滤波电路是一种能使有频率信号通过，同时抑制无用频率成分的电路，R10、C4组成降压、滤波电路，经C4的滤波率去交流成分，电阻R10分得一部分电压起到降压的作用。声控走廊灯开关电图3-2声控走廊灯开关电路原理图图3-3声控走廊灯开关电路PCB图第四章 硬件电路安装及调试在进行硬件安装的过程中，我们遇到了很多的问题。第一次使用电路板，对它内部的连接并不熟悉，从而出现了很多的错误。首先是安装元件，把他们的位置摆放好。两两之间的关系在电路板上有一个好的体现，使人一目了然，而且要达到美观和线路连接简易，尽量用到最少的线，是它看起来不乱。然后要做的就是分析电路图，在电路板上配线，用到的工具有各种钳子，镊子等。焊接，一般常用焊锡做焊料。它具有较好的流动性和附着性。在一定温度、湿度及振动冲击下有足够的机械强度。而且具有耐腐蚀性，使用方便等优点。焊剂：作用是除去油污，防止焊件受热氧化，增强焊锡的流动性。常用的电烙铁有外热式、内热式和速热式三种。一般功率不能过大，若选用的功率过大，不易掌握火候，很容易使元件过热而损坏。焊点的质量直接关系到整块电路板能否正常工作，也是每个操作人员要学会并掌握的基本功。焊接顺序及方法先测量，作好记录、清洁、挂锡焊接、最后在检查测量。焊接方法：1、右手持电烙铁。左手用尖嘴钳或镊子夹持元件或导线。焊接前，电烙铁要充分预热。烙铁头刃面上要吃锡，及带上一定量焊锡。2、将烙铁头刃面紧贴在焊点处。电烙铁与水平面大约成60度角。以便于熔化的锡从烙铁头上流到焊点上。烙铁头在焊点处停留的时间控制在23秒钟。3、抬开烙铁头。左手仍持元件不动。待焊点处的锡冷却凝固后，才可松开左手。4、用镊子转动引线，确认不松动，然后可用偏口钳剪去多余的引线。待线路连接好了之后，进行调试。正确的现象是接通电源灯亮一会熄灭，将光敏电阻遮住，拍一下手，灯亮，过几秒之后灯灭。但在我们的设计过程中出现了错误：首先是线路有短路，没有测量好电路板的内部连接，接地线没有接到一起 调试在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路图按照一定顺序逐级检测，特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管是否接反，轻轻拨一拨元器件，观察焊点是否牢固。安装保险管后才能给电路通电。电源接通后首先保证安全，观察电路中是否有冒烟、起火等现象。如果有，应立即断电，故障排除后继续通电，并注意观察各器件引脚电压是否正常。打开电源，给系统加上激励信号源（如系统的啪手声、打击声），用眼睛直接观察灯泡是否亮和按时熄灭。先用万用表测量电路有关点电位是否正常。检查发光二极管是否正常工作。发现不正常现象时，及时找出原因进行修改，注意接线不得有误，接入电源，使脉冲发生电路正常工作。在光电二极管有光与无光的情况下看总体电路的工作情况。观察灯泡是否按要求进行亮暗变化。如不能顺利完成以上功能，则应认真检查电路的连接及功能设计是否有误并作出相应调整。在本电路调试中，发现无论光电二极管遮光与否，灯一直保持两的状态不变，测得三极管各引脚、单向晶闸管两端、及六反相器均无电压，用万用表测量整流桥损坏。换上新的整流桥后测得：三极管基极电压0.6V、集电极电压0.1V、发射极电压0V单向晶闸管A极4.5V、G极0.8V