模电课程设计.doc

*学院模拟电子技术课程设计 题 目 声光控制灯感应系统 学生姓名 专业班级 11级自动化三班 学 号 201142074 院 （系） 电气工程学院 指导教师 完成时间 郑州科技学院模拟电子技术课程设计任务书专业 11自动化 班级 3班 学号 00000000 姓名 一、设计题目 声光控制灯感应系统 二、设计任务与要求1. 设计课题任务设计一个应用声光控制原理的声光控制灯感应系统。2要求如果有光有声音控制灯不亮，没光有声音控制灯亮。三、参考文献1 华成英 童诗白. 模拟电子技术基础（第3版）M. 北京 ：高等教育出版社.2006.1941952 江晓安 董秀峰. 数字电子基础（第3版）M. 陕西：西安电子科技大学出版社.2008.1891923郑雪峰. 模拟电子技术. 西安：西安电子科技大学出版社4王慧玲. 电路基础. 北京：高等教育出版社四、设计时间 2013 年 05 月 27日 至 2013 年 05月31 日指导教师签名： 2013年 05 月31日目 录1 课程设计的目的.12 总体设计方案与要求.1 2.1 设计任务.1 2.2 设计要求.13 设计方案与论证23.1 方案选择与论证23.2 声光控制灯的原理方框图54 设计原理与功能说明54.1 元器件选用原理.54.2 总体电路图95 单元电路设计95.1 整流电路105.2 声控电路.115.3 光控电路136 硬件的制作与调试136.1 电烙铁的使用136.2 电子产品的调试与仿真177 总结18参考文献19附录一：总体电路原理图20附录二：元器件清单211 课程设计的目的 通过理论设计和实物制作解决相应的实际问题，巩固和运用在模拟电子技术中所学的理论知识和实验技能，掌握常用模拟电路的一般设计方法，提高设计能力和实践动手能力，为以后从事电子电路设计、研发电子产品打下良好的基础。1、 学习声光控制灯感应系统的设计方法；2、 研究声光控制灯感应系统的研究方案；3、 掌握声控原理、光控原理以及可控硅的工作原理；4、 掌握三极管管脚极性的判断方法；5、 掌握电烙铁的使用方法。2 课程设计的任务与要求2.1 设计任务 设计一个应用声光控制原理的声光控制灯感应系统。 2.2 设计要求 光照度强（白天）路灯不点亮，光照度弱（夜晚）路灯由声音控制；有声音时路灯点亮，否则不点亮。 （1）电路稳定性和可靠性要高。这是控制电路性能的最基本要求，否则自控 能力弱，严重时会失去自动控制功能； （2）功耗要小。控制电路一直接于交流220伏电路上，若功耗特别是静态功 耗大，则不利于节能，甚至还会大大缩短控制电路的寿命； （3）灵敏度要能调节。这是控制电路正常工作时，对声光控制信息信号的最低要求，控制信号的灵敏度应满足不同的环境要求； （4）带负载能力要强。被控灯的功率不尽相同，因此要求控制电路的一定范围的驱动能力； （5）触发延时时间要能按要求调节。延时时间至少在1分钟内可以调节。3 设计方案与论证 3.1 方案选择与论证一般声光控制楼道灯的原理很简单，声光即声音与光线，声音的控制是由一个拾音器（俗称话筒）来做传感器的，声音的大小直接可以引起拾音器内金属膜震动，就像我们耳膜一样，震动即引起了电路内电容的变化，声控电路是根据电容的变化来控制开关的。光线就更简单了，里面有一个光敏器件作传感器，光敏器件在不同的光线下电阻是不一样的，光控电路是根据电阻的大小来控制开关的。方案一：此声光控制电路主要由六非门IC(TC4069UBP)，光敏器件，压电陶瓷片MIC和单向晶闸管VTH等元件组成。系统框图如图所示。 图3-1 TC4069UBP系统框图电路工作原理： 与照明电路中白炽灯串联的是经过VD1-VD4整流，R1限流降压，C1滤波后为IC14脚提供约3.2V的工作电压。白天，光敏器件因受光阻值很低，IC13脚呈低电平，继而使8脚保持低电平，把晶闸管VTH的G极拉为低电平，使晶闸管失去触发而截止，照明灯BCD没有电源通路而熄灭。 黑夜到来，光敏器件失去光照，呈高阻值，但因其一端接地，所以IC13脚仍为低电平。一旦有脚步声等声音信号被MIC检测到，就有脉冲电压从IC1脚输入，继而使4脚输出正脉冲信号，经C3耦合至13脚，从而在IC内部各反相器及外围阻容元件的作用下，令8脚输出高电平，再经R2到晶闸管的G极，触发晶闸管导通，使照明灯BCD有电源回路而点亮。方案二：声光控制延时节能电灯电路图,延时节能电灯电 路包括声控,光控传感元件,放大器和由555构成的单稳态时电路及降压整流电路。 图3-2 555系统框图方案三：此声光控制楼道灯电路中BCD是被控制的照明 灯，单向晶闸管V5和晶体二极管VD1-VD4组成了开关的主回路。CMOS数字集成电路CD4011与光敏器件和声控器件等组成了自动控制电路：电阻器R7,R8和电容器C3组成了电阻降压滤波电路，输出直流电，供电制电路工作用电。 图3-3 CD4011系统框图电路工作原理： 接通220V电源，控制电路处于守候状态，与非门U1的两个输入端电压中至少有一个低于其值电平（1/2VDD）,与非门U2和与非门U4均输出低电平，VS因无触发信号而阻断，被控电灯BCD不亮。当夜晚话筒B接收到附近走路的脚步声或说话声时，三极管VT输出放大后的音频信号，人器正脉冲电压经与非门U1,与非门U2整形后，使与非门U2输出高电平。该高电平一面通过VD1向C2充电，一面通过与非门U3整形后控制与非门U4输出高电平，使VS导通，BCD通电自动发光。声响过后，C2通过R5缓慢放电，维持与非门U4继续输出高电平，使EL延时点亮约1min。随后，C2两端电压下降至1/2VDD以下。控制电路恢复守候状态，EL自动熄灭。如果是白天，由于光敏器件，受光照呈现阻值，与RL相连接的与非门U1输入端为低电平（1/2 VDD），与非门U1被“封锁”，声音信号无法加到后面的延时电路，故VS始终保持关断状态，BCD不亮。 选定方案三,电路中使用了数字集成电路cd4011，其内部含有4个独立的与非门VD1VD4，使电路结构简单，工作可靠性高，且成本较低。3.2 声光控制灯的原理方框图 图3-4 声光控制灯原理方框图 如图1所示,本设计主要由桥式整流电路、降压滤波电路、声音信号输入电路、光信号输入电路、延时控制电路以及外接电路6部分组成。桥式整流电路将220V市电变成脉动直流电压，再经过限流、稳压、滤波输出12V直流电压，为集成块及三极管提供电源。声音信号和光敏电阻感受到的光信号以“与”的关系来控制集成块输出高低电平，构成的延时电路，实现自动延时，然后集成块的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡的亮与灭。4 设计原理与功能说明4.1 元器件选用原理1、光敏器件： 光敏器件是指能将光信号转变为电信号的元件。与发光管配合，可以实现电光、光电的相互转换。常见的光敏元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管。 方案三中的光电二极管是由一个PN结构成的半导体器件。不是用作整流元件，而是通过它把光信号转换为电信号，即它是一种光电转换器件。如图所示，光电二极管的两管脚有正、负极之分，靠近管键和色点的是正极，另一管脚为负极；较长的一脚为正极，较短的一脚为负极。 图4-1 发光二极管的原理图 光电二极管是在反向电压下工作的，在黑暗状态下，由于本征激发微弱，反向电流(此时电流称为暗电流)很小。当有光照时，随着本征激发的增强，少数载流子浓度增加，使得反向电流迅速增大到几十微安，此时的电流称为光电流。光照的强弱变化引起了光电二极管光电流大小的变化，这样就可以很容易地实现光电信号的转换。在入射光照强度一定时，光电二极管的反向电流为恒值，与所加反向电压大小基本无关。 光电二极管的检测方法： 图4-2 发光二极管的检测方法 （1）用万用表Rl00或Rlk挡，与测普通二极管一样，其正向电阻应为10k左右。 （2）对掉两表笔，使光电二极管工作在反向状态用一物体遮住光电二极管的透明窗口，测得的电阻值应接近无穷大。 （3）去掉遮光物，表笔指针应向右偏转至几千欧处，光线越强电阻值越小。若测得的正反向电阻都是无穷大或零，说明管子已损坏。2、声控器件： 驻极体话筒也称驻极体传声器，它是利用驻极体材料制成的一种特殊电容式“声电”转换器件。其主要特点是体积小、结构简单、频响宽、灵敏度高、耐震动、价格便宜。 驻极体话筒是目前最常用的传声器之一，在各种传声、声控和通信设备（如无线话筒、盒式录音机、声控电灯开关、电话机、手机、多媒体电脑等）中应用非常普遍。电子爱好者在制作或维修各种具有“声电”转换功能的电路时，不可避免地要跟驻极体话筒打交道，掌握驻极体话筒的识别与正确使用方法是很有必要的。驻极体话筒的工作原理是这样的：当驻极体膜片遇到声波振动时，就会引起与金属极板间距离的变化，也就是驻极体振动膜片与金属极板之间的电容随着声波变化，进而引起电容两端固有的电场发生变化（UQ/C），从而产生随声波变化而变化的交变电压。由于驻极体膜片与金属极板之间所形成的“电容”容量比较小（一般为几十波法），因而它的输出阻抗值（XC=1/2fC）很高，约在几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与一般音频放大器的输入端相匹配的，所以在话筒内接入了一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。通过输入阻抗非常高的场效应管将“电容”两端的电压取出来，并同时进行放大，就得到了和声波相对应的输出电压信号。 驻极体话筒内部的场效应管为低噪声专用管，它的栅极G和源极S之间复合有二极管VD，主要起“抗阻塞”作用。由于场效应管必须工作在合适的外加直流电压下，所以驻极体话筒属于有源器件，即在使用时必须给驻极体话筒加上合适的直流偏置电压，才能保证它正常工作，这是有别于一般普通动圈式、压电陶瓷式话筒之处。驻极体话筒构成图如下 图4-3 驻极式话筒的内部结构图3、 CD4011 CD4011选用comos数字集成电路CD4011，其里面含有四个独立的与非门电路。 图4-4 CD4011与单向可控硅的结构图内部结构见图4-4，vss是电源的负极，vdd是电源的正极。可控硅t选用1 a400v的进口单向可控硅1 00-6型，如负载电流大可选用3a、6a、10a等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图4-4所示。4.2 总体电路图 图4-5 总体电路图系统采用CD4011为核心控制晶闸管的通断。其工作电路如图4-5所示。二极管D2-D5组成桥式整流电路将220V市电变成脉动直流电压，再经过R7限流、D6稳压、C2滤波输出12V直流电压，为集成块CD4011及三极管Q1提供电源。驻极体话筒MIC的声音信号和光敏电阻RG感受到的光信号以“与”的关系来控制CD4011输出高低电平，经过C3和R6构成的延时电路，实现自动延时，然后CD4011的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡的亮与灭。此开关在光线强度低于2.5LM时，只有说话声、脚步声、拍手声等声源，本开关就能自动把电灯点亮。人离开约1分钟后自动熄灭，从而达到节电和延长电灯寿命。5 单元电路设计5.1 整流电路 所谓桥式整流电路，就是用二极管组成的一个整流电桥，整流电路如图5-1所示，它是由图中的极管D1、D2、D3、D4、组成，其功能是将220V的交流市电转换为直流电压以提供后续声控电路、光控电路延时电路及开关电路等电路所需的工作电压。 整流电路的工作原理桥式整流电路是最基本的将交流电转换为直流电的电路，整流电路中的二极管作为开关使用，具有单向导电性，根据图5-1中的桥式二极管整流电路以及图5-2中的整流波形图可知当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到的是正弦波的正半周当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到的是正弦波的负半周在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压，再经降压滤波后就可为后续电路提供所需的工作电压。 图5-1整流电路的工作原理 图5-2桥式二极管整流电路波形5.2声控电路 设计声控电路时，以对声音信号感应的灵敏度应能接收到像人的说话声、拍手声、脚步声等比较常见的声音信号为准。而比较常用的声音传感器有电容式和磁电式两类。电容式声音传感器是通过声音的振动，从而引起电容量的改变，来得到声音信号到电信号的转化。目前常见的有驻极体话筒，磁电式声音传感器是通过用声音的振动，带动导线切割磁力线产生电流，以达到声音信号向电信号的转化，目前常见的就是动圈式话筒。在这里使用驻极体话筒，利用驻极体话筒采集外界声音信号并转换成电信号，实现声音信号到电信号的转换。驻极体话筒的基本结构是由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极构成，驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成的一个平行板电容器，电容的两极之间有输出电极，高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久自由电荷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，因此驻极体和背极的距离也跟着变化，即改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量C发生变化，而驻极体上的自由电荷数Q始终保持不变，根据公式： 当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化,从而输出电信号,实现声音信号到电信号的变换。由于所形成的电容器的电容量很小,使得驻极体话筒转化来的电信号相对较弱,转换的电信号必须经过一定放大才能起到良好的控制作用,这里采用晶体三极管组成的放大电路来放大驻极体话筒产生的电信号,不仅简化了声控电路的结构设计,而且对声音信号的控制作用也更荣易实现。 声控电路如图5-3所示,由Q1、R1 、R2 、R3 、C2 、MIC组成。其中MIC为驻极体话筒,它把采集到的声音信号转化为电信号,经电容C2耦合至三极管Q1的基极,然后通过与门电路与光敏电阻转化来的电信号一起送入后续电路。外界有声音信号时,如果环境的声音信号很弱,三极管Q1仍处于饱和状态,集电极输出为低电平当外界声音信号达到一定强度时,驻极体话筒将转化来的电信号经C2耦合到Q1的基极,三极管由饱和进入放大状态,集电极电位随着声音信号的强弱而高低变化,当声音信号达到一定强度时,其集电极由低电平转变成高电平，声控电路导通，并将信号传递至开关电路，控制灯的亮或灭。 图5-3 声控电路原理5.3 光控电路光控电路一般可由光电传感器和电子元器件构成，首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号，此处可以选用光敏电阻作为光信号采集元件，在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光照强度的增加而变大，从而实现光电转换，光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。光信号的强弱由光敏电阻转化成电信号的强弱，然后与声控电路采集到的电信号一起送到延时开关电路，只要转化来的电信号强度能够达到一定程度就能触发开关电路，使其导通或截止，从而达到光信号自动控制声控信号的目的。 图5-4 光控电路原理图 光控电路如图5-4所示，由R4和RG组成，设计所用的光敏电阻亮电阻为20K-30K,暗电阻约为10M，在光敏电阻上串接的电阻R4的阻值应该大于30K,小于10M，具体阻值在调试时依据对光信号感应灵敏度而定。6 硬件的制作与调试6.1 电烙铁的使用常用就是内热式和外热式两种，还有可调温的，焊台，专用于拆卸电子原件的吸锡电烙铁等，20几W到上百W的都有;烙铁头有尖头，平头，斜头，弯头等，有用纯铜做烙头还有长寿电烙铁头，初学者焊电路可以用30W长寿烙铁头的外热式。外热式是烙铁头插到发热材料中，内热式是烙铁头在发热材料外. 一般来说，称职专业的高级技工（电工高级技师）家里都储存有几把电烙铁，以供不同场合需要，我家里就有九把不同的电烙铁。使用别人用过的电烙铁，或买二手市场的烙铁，一定要注重质量、反复检查。市面上粗制滥造的产品很多，应该有所认识和提防，否则，会把性命搭上。电烙铁提倡专用，一般不应该公用和混用。 烙铁头的形状有多种多样，选择的要点是，能经常保持一定的焊锡，能快速有效地熔化接头上的焊锡，不产生虚焊、搭锡、挂锡，焊点无毛刺，不烫坏板子和元件。机器上的焊点崭新锃亮，则烙铁头的何 截面可大些，用扁平或椭圆头，传热快自然操作利索。锡面氧化层较厚，烙铁头相对要尖些，便于突破。元器件密度大，需要选用对应尖细的铁合金头，避免烫伤和搭锡。装拆IC块，常使用特殊形状的烙铁头。有时因为焊不到，和避免烫坏塑料件，选用弯烙铁头。当然，也要看各人的操作习惯和嗜好。 内热式电烙铁上锡，刚锉好的烙铁头不一定能蘸锡，因为通电加热，金属表面又氧化了，这时可以把锉过的表面涂了松香，或浸在松香里，放在锡块上磨，锡融化后就在下边的硬木或环氧板上拖着锡珠磨，这样蘸锡相当可靠。一边加热一边烙铁头，这样容易蘸锡，但也很危险，万一烙铁质量不可靠，会发生意外。不要把烙铁头前端都蘸满锡，否则，也会搭锡。而恒温烙铁的铁合金头是镀锡的，普通方法不能行成足够厚的锡合金层，不蘸锡了只有换新。蘸锡不好的烙铁，常常给修理带来巨大的麻烦。 电烙铁的握法基本有两种，一种是满把抓住手柄，实握，初学者都这种方法，能够做到心应手;另一种是头子朝下，象拿钢笔一样，虚握，老资格都这样拿，虚握操作时速度快，效率高，特别是装拆小型元器件。当然，生产线上也有跟着设计文件来的其他拿法。不能让头发和电线绞在一起，手汗大的，要带上手套焊接。操作电源插头，手一定要捏牢绝缘部分，用力适度，防止松脱、损坏和伤害。每天要用的电烙铁，应该加装电源开关，而不是操作接插件。烙铁头别长时间浸在助焊剂里，其他部位不能碰到助焊剂。不能使用其他腐蚀性很强的化工产品作助焊剂。松香属于经典助焊剂，也有性能更好的新型液态焊剂，只是价格稍贵。松香盒应采用层压板或硬木板制作，为了搪锡的热效率，一般不使用金属材料。掌握焊接应该多进行练习，对各种型号的烙铁都要有实际操作。最好有老师傅指导，把各种零件、元器件、焊片、接线端子，都试着焊一些。刮脚、蘸锡、搪锡，一定要非常娴熟，多练会使功夫变扎实。充分运用松香，会使焊接可靠、美观。焊锡完全凝固后，焊点才能受力，否则一定虚焊。拆零件时，烙铁应该往锡多的地方靠，这样传热快。装配时，焊锡丝应该往印板铜箔或接线端子上送，往烙铁上送,常发生虚焊。有的地方，为了焊接强度，焊锡要多用点，有时为了减少整机重量，则焊锡要少用。焊接前烙铁要预热，通电时间短，温度不够不要焊接；操作完毕要及时切断电源，也不要用断电后的余热焊接。 普通电烙铁应该放在带散热器的支架上，不焊时避免升温过高，焊接时减小热波动，延长烙铁寿命保障焊接质量。烙铁等不能随便乱放，避免烫坏物品，引起火灾，同时，也给工作带来麻烦。有时想象和规律并不一致，小功率烙铁因为热量不够，焊的时间长，把机器烫坏了，而功率稍大些，热量充足，一会而就焊好了，焊点反而接受的热能量小，不会损坏。类似的道理很多，要在实践中反复推敲，慢慢领悟。电烙铁的电源应采用单相三线制，并且要装有漏电自动开关，或接在工作台的隔离电源上，人生安全不是儿戏。在经常焊接IC的场合，应采用低压24V、12V的烙铁（我们的焊台几乎都是24V的），避免感应静电损坏MOS 器件。内热式的烙铁头，壁厚要保证，要有一段实心的铜柱，以确保储能。足够质量的紫铜，才便于热量的贮存和传输，避免烙铁心发出的热量，焊接时不够用，烙铁头钉在焊点上；不焊时又太多，氧化铜层层剥落。电烙铁匹配使用，基本没有氧化屑，在大多数情况下，是要及时清理氧化物的。烙铁头变薄变细变短，都要及时更换。 电烙铁的电源线应使用花线，与塑料线相比，织物耐烫，橡胶受热时气味大，能提醒人。电烙铁使用了一段时间，特别是频繁使用后，要更换电源线，或适当截短后重新联结，防止根部内部折段。电烙铁坏了，修理时一定要细心。压紧螺丝未松，千万不能旋动烙铁手柄。内热式电热心最易折段，外热式烙铁心穿管用力稍猛，引线就会拉脱，更换时要掌握好。各螺丝必须拧得恰到好处，焊接的一定焊牢，小瓷管一定要穿，压紧螺丝下的绝缘套管不能漏装，内部短路绝不是闹着玩儿的。电烙铁要保持干燥，避免摔落和敲击，定期测定绝缘，发现情况及时处理。 图6-1 使用电烙铁的方法6.2 电子产品的调试与仿真 图6-2电子产品实图 在有光照射条件下,无论外界有没有声音信号,测量三极管Q1的集电极C应为低电平,集成电路U1A的1脚为低