声控开关的设计与制作课程设计报告.doc

HarbinHarbinHarbin InstituteInstituteInstitute ofofof TechnologyTechnologyTechnology 课程设计说明书（论文）课程设计说明书（论文）课程设计说明书（论文）课程设计说明书（论文） 课程名称： 数字电子技术基础 设计题目： 声控开关的设计与制作 院 系： 电气工程及其自动化学院 班 级： 设 计 者： 学 号： 指导教师： 设计时间： 2011.11.212011.12.4 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学课程设计任务书哈尔滨工业大学课程设计任务书 姓 名： 院 （系）：电气工程及其自动化学院 专 业： 测控技术与仪器 班 号： 任务起至日期： 2011 年 11 月 24 日 至 2011 年 12 月 4 日 课程设计题目： 声控开关的设计与制作 已知技术参数和设计要求： 技术参数： 电阻 200 100k 6.2k 4.7k 300 1 k 电位器 100k 瓷片电容器 0.01F 电解电容器 100F 555 定时器 74LS90 74LS47 共阳极数码管 发光二极管 话筒 技术要求：给出声音信号后，发光二极管可以发光并维持一段时间，并且维持时间可调；二极管 发光时计数器进行计数，并且可以调节技术的速度，二极管停止发光时，计数器自动 清零。 1、接收到一定强度的声音后，声控开关点亮发光二极管（电流 510mA） ，延时时间 在 115s 之间可调。 2、延时时间用数字显示（采用共阳极数码管） ，时间单位可调，显示 工作量： 一、根据声控开关原理，构思设计电路实现方法，并用 Multisim 软件仿真。 二、在面包板上，利用所发元器件，进行电路的搭接。 三、进入科技园实验室分模块（模拟部分和数字部分）调试电路。 四、利用示波器，观察输出波形。 五、撰写实验报告。 工作计划安排： 11.24-11.27 根据声控开关原理，构思设计电路实现方法，并用 Multisim 软件仿 真 11.27-11.30 在面包板上，利用所发元器件，进行电路的搭接 12.01-12.03 分模块（模拟部分和数字部分）调试 12.03-12.04 整理报告 同组设计者及分工： 同组设计者： 具体分工：在搭建电路的过程中，我俩分模拟电路和数字电路两部分，一人负责一部分。调试过 程，仿真过程以及最后的验收过程是两个人并肩奋战，协同攻关的。 指导教师签字_ 年 月 日 教研室主任意见： 教研室主任签字_ 年 月 日 * *注：此任务书由课程设计指导教师填写。注：此任务书由课程设计指导教师填写。 声控开关的设计与制作声控开关的设计与制作 摘摘 要要 声控开关，全称是声控延时开关，是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响 效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节 能电子开关。 生活中，好多地方都使用声控灯照明，声光双控延时照明灯白天自动关闭，夜间 有人走动时，其脚步声或谈话声可使电灯自动点亮，声音过后 30s 电灯又会自动熄灭。 这种延时照明控制开关能有效地消除长明灯、节约电能； 声控开关，即采用模电数电混合集成电路，进行逻辑运算，控制电路中电流。其中 重要部件光控电子开关，它的“开”和“关”是通过可控硅的通断来实现，而可控硅的 通断又受自然光的亮度（或人为亮度）控制，故声控灯又名为声光控灯。该装置适合广 泛用于楼梯、走廊、路灯和厕所等场所的照明，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。 由于设计条件限制，该课程设计只涉及了声控部分和计数器部分，对光控部分不再 进行分析。本次设计主要是利用三极管基本放大电路、单稳态触发器、多谢振荡器等基本电路，利 用、等芯片实现电路声控的功能，做到声音信 号发出时，二极管可以指示发光，计数器可以同步计数，声音信号消失时，二极管熄灭，计数停止 进行清零。 声控器件，就是利用声音来控制电路的一种元件，当声音信号来临时，电路动作， 一般声控器件是对震动敏感的物质，有声音时就接通（电阻变小） ，没有声音时就断开 （电阻变的很大） 。再通过电路和芯片做个延时，就可以使有声音时电路接通一段时间。 计数器是数字系统中用的较多的基本逻辑器件，它的基本功能是统计时钟脉冲的个 数，即实现计数操作，它也可用与分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列等。例如，计 算机中的时序发生器、分频器、指令计数器等都要使用计数器。 本次直流稳压电源课程设计，使用 multisim 10 软件，对原理图进行绘制；借助示波 器和万用表等器械，对电路进行仿真分析。这一设计方案能够快速、轻松、高效地对电 路进行设计和验证产生，从而缩短建模循环。 关键词：Multisim 声控开关 集成电路 计数器 1 绪论绪论 1.1 课题描述 声控开关在实际中的应用相当广泛，是一些声控灯基本组成部分，其原理适用于很多声控器械， 它涉及到时序逻辑电路如何设计、分析和工作等方面。通过此电路更深刻的了解时序逻辑部件的工 作原理，从而掌握如何根据需要设计满足要求的各种电路图，解决生活中的实际问题，将所学知识 应用于实践中。 本课题要求根据电路原理图装配与调试声控计数器电路。本电路采用声音控制方式进行计数， 有数码管显示计数结果，计数范围是 099，它具有快捷、方便、直观和准确的优点，可用于自动控 制、统计等场合。 1.2 设计任务技术指标： 1. 任务：设计一个声控开关，控制对象为发光二极管。 2.基本要求 1、接收到一定强度的声音后，声控开关点亮发光二极管（电流 510mA） ，延时时间在 115s 之 间可调。 2、延时时间用数字显示（采用共阳极数码管） ，时间单位可调，显示范围为 115s。 1.3 基本工作原理及原理图 此方案采用 74LS90 计数器，74ls47 译码器，晶体管放大电路，555 构成的整形电 路，555 构成的单稳态触发器和多谐振荡器，还有 74ls00 等门电路。驻极体话筒接收到 一定强度的声音信号后，声音信号转换为电压信号，幅度很小，经放大、整形后，触发 单稳态延时电路，产生一个宽度可调的脉冲信号，驱动发光二极管显示。同时，这个脉 冲信号作为选通信号，使计数器计数，并用数码管显示延时。 原理框图如下： 两级放 大电路 电路 门电路时基电路 计 数 器 译 码 显 示 话筒整形 电路 单稳延 时 Vcc 原理图如下所示： 图 1 声控开关原理图 2.2. 相关芯片介绍相关芯片介绍 2.12.1 集成芯片集成芯片 555555 2.1.1 555 集成电路的框图及工作原理 555 集成电路开始是作定时器应用的，所以叫做 555 定时器或 555 时基电路。但后来经过开发， 它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可 以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制 等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555 集成电路内部有 几十个元器件，有分压器、比较器、基本 R-S 触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模 拟电路和数字电路的混合体，如图 2 所示。 图 2 集成电路的框图 2.1.2 555 芯片管脚介绍 555 集成电路是 8 脚封装，双列直插型，如图 2(A)所示，按输入输出的排列可看成如图 2(B)所 示。其中 6 脚称阈值端(TH)，是上比较器的输入；2 脚称触发端(TR)，是下比较器的输入；3 脚是输 出端(Vo)，它有 O 和 1 两种状态，由输入端所加的电平决定；7 脚是放电端(DIS)，它是内部放电管 的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4 脚是复位端(MR)，加上低电平时可 使输出为低电平；5 脚是控制电压端(Vc),可用它改变上下触发电平值；8 脚是电源端，1 脚是地端。 555 集成电路封装图 555 实物图 2.1.3 典型应用电路 555 的应用电路很多，只要改变 555 集成电路的外部附加电路，就可以构成几百种应用电路，大 体上可分为 555 单稳、555 双稳及 555 无稳(即振荡器)三类。 2.22.2 十进制计数器十进制计数器 74LS9074LS90 2.2.1 74LS90 功能：十进制计数器（2 和5） 原理说明：本电路是由 4 个主从触发器和用作除 2 计数器及计数周期长度为除 5 的 3 位 2 进 制计数器所用的附加选通所组成。有选通的零复位和置 9 输入。 为了利用本计数器的最大计数长度（十进制），可将 B 输入同 QA 输出连接，输入计数脉冲可加到 输入 A 上，此时输出就如相应的功能表上所要求的那样。 LS90 可以获得对称的十分频计数，办法是将 QD 输出接到 A 输入端，并把输入计数脉冲加到 B 输入 端，在 QA 输出端处产生对称的十分频方波。 2.1.2 真值表： ResetReset InputsInputs 复位输入复位输入 输出输出 R0(1)R0(1) R0(2)R0(2) R9(1)R9(1) R9(2)R9(2) QDQD QCQC QBQB QAQA H H L X L L L L H H X L L L L L X X H H H L LH X L X L L X L X L X X L X L L X COUNT COUNT COUNT COUNT BCD 计数顺序 输出输出 CountCount QDQD QCQC QBQB QAQA 0 L L L L 1 L L L H 2 L L H L 3 L L H H 4 L H L L 5 L H L H 6 L H H L 7 L H H H 8 H L L L 9 H L L H 5-2 进制计数顺序 74LS90 引脚图 74LS90 实物图 2.32.3 74LS4774LS47 芯片芯片 74LS47 是 BCD-7 段数码管译码器/驱动器， 74LS47 的功能用于将 BCD 码转化成数码块中的数字, 通过它解码， 可以直接把数字转换为数码管的显示数字， 从而简化了程序，节约了 单片机的 IO 开销。 因此是一个非常好的芯片！但是由于目前从节约成本的角度考虑， 此类芯片已较少用， 大 部份情况下都是用动态扫描数码管的形式来实现数码管显示。 74LS47 封装图 实物图 2.42.4 74LS0074LS00 以及数码管图片资以及数码管图片资料 输出输出 CountCount QAQA QDQD QCQC QBQB 0 L L L L 1 L L L H 2 L L H L 3 L L H H 4 L H L L 5 H L L L 6 H L L H 7 H L H L 8 H L H H 9 H H L L 74LS0074LS00 数码管 3.3. 方案说明方案说明 由上面的原理框图可知方案设有信号发生电路，共射极基本放大电路，整形电路， 单稳延时，多谢振荡器电路，计数器以及译码显示。各部分功能明确且之间的联系容易 理解，所以采用这种方案。 3.13.1 共射极基本放大电路共射极基本放大电路 共射基本放大电路的电压放大倍数可以表示为： 可见，共射级基本放大电路输出电压与输入电压反相，且具有电压放大的能力，通过调节电阻可以 调节电压放大倍数。经两级放大，可以输出放大后的正脉冲。 3.2 整形电路部分整形电路部分 声音信号转化成的电信号经过放大后持续时间还是较短，仍为一瞬间出现的脉冲信号，为了使 二极管可以稳定发光，因此使用整形电路将较大的正脉冲整形成为一个标准的负的方波信号，这要 使用芯片构成整形电路，即为施密特触发器电路，电路如下图： 3.3 单稳态电路部分单稳态电路部分 输入的脉冲信号经过电路整形，变为标准的负的方波脉冲信号，接下来还要进一步将信号时间 延长，这就要使用单稳态电路，将负的方波脉冲转化为正的方波脉冲，同时延长稳态时间，来使二 极管稳定发光，基本电路如下图： 单稳态触发器可以将输入的负的方波脉冲信号转换成为正的方波脉冲信号，高电平时间： . 故可以通过调节电阻和电容，调节脉冲时间，以此调节二极管发光时间以及芯片计数时间，作为控 制信号使用。电路要求时间可调，故在实际搭接中选用滑动变阻器。 最后再使用一级三极管共射基本放大电路，将高电平转换成低电平，此时，二极管两端电压满 足导通要求，导通发光，发光时间由单稳态电路的高电平时间决定，可以调节电位器来进行调节。 二极管发光部分基本单元电路的选用就基本完成了。 3.4 多谐振荡器部分多谐振荡器部分 接下来是数字计数部分的设计，对于数字部分，需要进行计数功能的实现，这就要使用计数器， 显示译码器以及数码管。对于计数器，需要时钟信号对其进行触发，此时，应使用定时器组 成的多谐振荡器，产生需要的时钟信号，通过调节,可以调节时钟周期，这里选用滑动变阻器代 替来对始终周期进行调节，从而可以调节计数器计数的速度，从而可以调节显示的数字大小。多 谐振荡器电路如下图： 多谐振荡器的输出波形如下图所示，其中： .（+）,=.， 故通过调节电阻和电容值可以设定的值，来产生满足要求的时钟信号驱动计数器计数。 3.53.5 计数器以及译码器部分计数器以及译码器部分 该电路将根据单稳延时电路和时基电路决定的主脉冲给计数器。计数器由十进制计数器 74ls90 构成，译码器由 74ls47 构成。 时钟信号产生后，应接入计数器，由于一般采用的芯片为十进制计数器，这时要 进行计数进制的转换，由十进制转换成为百进制，要对芯片进行级联。由于百进制计数器，个位与 十位均要计满十个数，因此可以直接将第一个芯片的高位端接入下一片芯片的端，作为 高位计数芯片的时钟输入信号，这样百进制计数器就完成了。 完成计数功能后，要进行显示，这里使用显示译码器以及共阳极数码管组合进行 数字的显示，两片芯片分别接芯片的高位以及低位芯片，再接入相应的 共阳极数码管，同时接入保护电阻即可完成数字部分的功能实现。 数字部分与二极管控制部分要实现对接，以实现声音信号对于计数器装置的控制，这时，可以 将单稳态触发器输出的正的方波脉冲信号作为清零端的控制信号，来实现计数与清零的控制，结束 一次的声音显示。由于是高电平信号清零，低电平信号计数，因此，要实现声音信号 出现时计数，就要使高电平的信号转换成为低电平信号，这里使用与非门芯片实现， 将芯片的置九端直接接地，将与非门输出信号接入清零端，这样，在控制信号来临时， 清零端输入低电平，芯片进入计数状态，当控制信号消失时，计数器的清零端悬空，相当于接入高 电平，计数器清零，这样就完成了预期的数字部分的功能。 由此，设计中的基本电路的选用就已经分析完成了。 4. 结果验收及成品展示结果验收及成品展示 4.14.1 面包板线路搭接实物图面包板线路搭接实物图 4.24.2 示波器调试波形示波器调试波形 4.2.1 话筒输出波形：为一个幅值较小的正脉冲 4.1.2 第一级放大电路输出波形：为一个幅值较大的负脉冲 4.1.3 第二级放大电路输出波形：为一个幅值更大的正脉冲 4.1.4 多谐振荡器部分的输出时钟信号 总结总结 本次设计，收获良多。 经过近多日的努力，终于将本次课程设计做完了，但由于水平有限，文中肯定有很多不恰当的 地方，请老师指出其中的错误和不当之处，使我能做出改正，我会虚心接受。在本次课程设计过程 中，我增强了自己的动手能力和分析能力。通过跟老师和同学的交流，也通过自己的努力，我按时 完成了这次课程设计。在此过程中，我学会了很多，也看到了很多自己的不足之处。在以后的学习 生活中，我会努力学习专业知识，完善自我，为将来的发展做好充分的准备。 总之，在这次课程设计中，我受益匪浅，学到了很多书本上所没有的东西