声光双控路灯控制器.doc

摘要摘要在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。另外，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。我设计的课题是声光双控路灯控制器，设计了一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便、使用寿命长的声光双控节能路灯。在本设计中声光双控路灯控制器电路由电源电路、声电转换电路、放大电路、处理电路、光电转换电路及控制电路组成，主要介绍了声光双控路灯控制器的性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好。用声光双控路灯代替住宅小区楼道上的开关路灯，白天光照好，不管过路者发出多大声音，楼道灯也不会亮。夜晚光暗，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其他声音时，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，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，可以达到节能的目的。声光控制路灯不仅适用于住宅的区的楼道，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，适用于各种楼房走廊的照明设备。关键字：自动控制；节能；信号放大整形；声电转换电路；光电转换电路；控制电路6AbstractAbstractIn schools, institutions, industrial enterprises and other units of public places and residential areas of the public corridor, a long light is widespread, which caused great waste of energy. In addition, due to frequent switching or man-made factors, the failure rate of the high wall switch, increased maintenance and waste money. issue The I design is sound and light dual-control lamp controller, a circuit design of novel, safe saving, simple structure, easy installation, long life of sound and light dual-controlled energy-saving lamps.Introduced the performance, application and working principle of an electric circuit diagram and components parameters of the design of sound and light pair of control lamp controller circuit, energy-saving effect is very obvious, but also greatly reduced the maintenance amount save money with favorable results. Dual control with sound and light lamps instead of residential quarters corridor lights switch on during the day light is good, no matter how sound passer issued by the corridor lights are cut-off. At night which the light is dark, when someone walked stairs, footsteps and other sounds the pickup circuit can detect a burst as long as the sound, automatic light corridor lantern, when people enter the home or out of the apartment, the corridor lights off automatically after a few minutes delay which can achieve energy saving. Sound and light control of street lamps not only apply to residential areas of the corridor, but also for factories, office buildings, teaching buildings, and other public places, it has small size, beautiful appearance, making easy, reliable, so is suitable for various building corridor lighting.Keyword：Automatic control；Save energy；Signal amplification and shaping；Voice conversion to electrical circuit；Light conversion to electrical circuit；Control circuit目录目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1 课题的背景和意义11.2 近年来国内外研究现状1第二章 总体设计方案与分析32.1综述32.2方案的分析和选择3第三章 硬件电路的设计与分析73.1 电源电路的设计与分析73.1.1电源电路性能指标及参数73.1.2 电路的设计与分析93.1.3元器件的选择与参数的计算143.2 信号放大整形电路的设计与分析163.2.1 电路的设计分析163.2.2元器件的选择与参数计算223.3光电转换电路的设计与分析233.3.1电路的设计与分析233.3.2元器件的选择与参数计算243.4控制电路的设计与分析253.4.1 电路的设计与分析253.4.2 555定时器的介绍273.4.3元器件的选择与参数计算313.5开关电路313.5.1电路的设计与分析313.5.2元器件的选择与参数的计算33第四章 整体电路的设计与分析364.1整体电路的设计36元器件明细表38参考文献39致谢40附录41第一章 绪论第一章 绪论1.1 课题的背景和意义在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。另外，由于频繁开关或者人为因素，墙壁开关的损坏率很高，增大了维修量、浪费了资金。用声光双控路灯代替住宅小区楼道上的开关路灯，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，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。声光控制路灯不仅适用于住宅的区的楼道，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，适用于各种楼房走廊的照明设备。降低能耗、节约能源、注重环保是当今世界的主流，高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不受欢迎。但楼道照明却限制了荧光灯的使用，因为楼道照明是非持续性的，有人经过才需要光亮，而不断地开关通断会影响荧光灯的使用寿命，所以声光控制白炽路灯在楼道照明领域得到广泛应用。 1.2 近年来国内外研究现状声光双控路灯控制器，近年来被普遍使用于各种公共场所，国内外专家们也在不断研究更优、更节能的路灯控制方案。国内外不断有新的研究成果，比如太阳能景观路灯声光控制器，电源由太阳能电池供电，既可以解决广大农村地区乡、镇、村路灯照明需求，又可以当作一个景观，美化环境，而且节约了日趋紧张的能源；红外光控制的楼道路灯系统，其利用红外光控制技术，利用行人通过楼道时切断红外光，使路灯点亮，这种路灯控制电路无噪音污染；还有一些是LED灯，成本比普通灯要高几倍，但LED灯低能耗，节省能源，其应用已经成熟按目前并没有普及，目前国际有一些公司正致力于LED灯的生产应用。因为设计的声光双控灯也有一定的缺点，如果这座楼处于马路旁则汽车通过时的鸣笛声、甚至汽车通过时的声响就能将整座楼楼道内的声控灯全部触发，使所有的楼道灯都亮起来。这种现象可称为误触发或干扰触发，这对于某些应用场所是不允许的。为了不使电路发生误触发，在某些声控设备中采用了另一种声控电路，即超声波遥控电路。目前国内外有不断的新成果涌现，共同的目是节省能源，为人们提供更环保、舒适、可持续、和谐的生存环境。第二章 总体设计方案与分析第二章 总体设计方案与分析2.1综述实现声光双控路灯控制的功能，即实现白天灯泡不亮晚上遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮，并延时一段时间后自动熄灭的电路。整个电路应当将声信号及光信号先转化成电信号，将转化后的电信号放大处理，转化后的声电和光电信号同时作为输入信号控制电路，设计出的电路能够在白天或夜晚光线比较亮时声电信号和光电信号控制路灯的开关断开，在夜晚光线较暗时开关关闭，电路接通，路灯点亮，并延时一段时间后熄灭。2.2方案的分析和选择1.方案一此方案的整个电路由电源电路、声电转换电路、放大电路、处理电路光电转换电路及控制电路等部分组成。由稳压直流电源供电，声控电路主要将声音信号转变为电信号，光控电路对外界光亮程度进行检测，输出与光亮程度相对应的电压信号，声电信号与光电信号同时输入控制电路，实现自动控制，延时电路声音消失后延长一段光照时间。从而实现白天灯泡不亮晚上遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮。必要时可加一个手动开关，以增强电路的实用性。原理框图如图2.1：声电转换电路放大电路处理电路开关声源光电转换电路路灯光源电源控制电路图2.1原理框图声源产生的声音信号，经声电转换器后转换成微弱的电信号，该信号经放大后送处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变的控制信号，该信号经处理电路达到设计要求时间与设计要求功能，经执行机构直接控制负载动作，处理电路处理后的声电信号与光电信号输入控制电路，即555电路，实现白天或夜晚光线较亮时，光控部分将开关自动关断，声控部分不起作用。当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分。电路是否接通，取决于声音信号强度。当声强达到一定程度时，电路自动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动关断，等待下一次声音信号触发。2.方案二此方案主要由电源电路、声控电路、光控电路和门控电路四部分组成。由稳压直流电源供电，声控电路的功能与方案一相同，将声信号转化成电信号，并经过放大和处理后使其能在电路中作用。光控电路的功能也是将光信号转化成可在控制电路中作用的电信号。与方案一不同的是转化后的声电信号与光电信号是通过门电路实现路灯控制的功能。原理框图如图2.2：声控电路门控电路开关路灯声源光控电路光源电源图2.2原理框图声源产生的声音信号，经声控电路处理成高低电平的控制信号。声控电路包括声电转换电路、放大电路和整形电路。声电转换器将声音信号转换成微弱的电信号，该信号经放大后送处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成高低电平的控制信号。光控电路将光信号同样处理成高低电平的控制信号。光控电路包括光电转换电路、放大电路和处理电路。光经光电转换电路转换成电信号，经放大电路放大后，被处理成高低电平的控制信号。声电信号的高低电平与光电信号的高低电平同时输入门控电路，门控电路具有与功能，将声电信号的高低电平和光电信号的高低电平与之后，输出控制信号，控制继电器实现路灯的自动通断。将声音信号处理成高电平，无声处理成低电平；光线较暗处理成高电平，光线较亮处理成高电平。A表示声信号处理成的信号的高低；B表示光信号处理成的电信号的高低；P表示输出；1表示高电平，0表示低电平。得到如表2.1所示逻辑真值表。表2-1电路输出逻辑真值表ABP000010100111由表1可以看出，有声音和光线暗时输出才为高电平，其它均为低电平，将输出信号通过继电器可实现路灯的通断，采用双触点继电器并设计自锁功能实现延时，从而实现白天或夜晚光线比较亮时路灯不亮，在夜晚光遇到声响时路灯自动点亮，并延时一段时间后熄灭。3.方案的比较选择方案一和方案二都能够实现设计要求的功能，方案二因为是用与门电路控制，容易发生竞争冒险现象，不能够很好的实现电路的功能，因而本设计采用方案一实现声光双控路灯控制器的电路设计。第三章 硬件电路的设计与分析第三章 硬件电路的设计与分析3.1 电源电路的设计与分析稳压电源（stabilized voltage supply）是能为负载提供稳定交流电源或直流电源的电子装置。包括交流稳压电源和直流稳压电源两大类。本设计所需的电源电路直流稳压电源。直流稳压电源又称直流稳压器。它的供电电压大都是交流电压，当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。3.1.1电源电路性能指标及参数对于直流电源的主要要求，除了能够输出不同电路所需要的电压和电流以外，还应做到，直流输出电压平滑，脉动成份小；输出电压的幅值稳定，即当电网电压或负载电流波动时能保持基本稳定；交流电变换成直流电时的转换效率高等。1.稳压系数稳压系数表示输入电压的变化对输出电压的影响。变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。 （3-1）由于输入电压变化而引起输出电压变化的程度，称为稳定度指标，常用稳压系数S 来表示： （3-2）S的大小，反映一个稳压电源克服输入电压变化的能力。在同样的输入电压变化条件下，S越小，输出电压的变化越小，电源的稳定度越高。通常S约为： 10-210-4。2.输出电阻小负载变化时（从空载到满载），输出电压Usc，应基本保持不变。稳压电源这方面的性能可用输出电阻表征。输出电阻（又叫等效内阻）用rn 表示，它等于输出电压变化量和负载电流变化量之比。 （3-3）rn 反映负载变动时，输出电压维持恒定的能力，rn 越小，则Ifz 变化时输出电压的变化也越小。性能优良的稳压电源，输出电阻可小到1欧，甚至001欧。3.电压温度系数小当环境温度变化时，会引起输出电压的漂移。良好的稳压电源，应在环境温度变化时，有效地抑制输出电压的漂移，保持输出电压稳定，输出电压的漂移用温度系数KT来表示： （3-4）4.输出电压纹波小纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小。所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S。5.响应速度响应速度表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。3.1.2 电路的设计与分析电源电路的种类繁多，具体采用什么电路合适，则根据主体电路及执行机构不同和可靠、价廉、有效益等要求进行选用。交流市电转换为低压直流的常规方法是采用变压器降压后在整流滤波，当受体积和成本因素的限制时，简单实用的方法是采用电容降压式电源，因为电容降压式电源具有体积小、成本低等优点。直流稳压电源一般由降压器、整流器、滤波器和稳压器四大部分组成，电源的设计结构如图3.1。降压整流滤波稳压图3.1电源结构框图1.降压器电网提供的交流电一般为220V（或380V），而本设计所需要的直流电源的幅值为+9V，因此要将电网电压先经过降压器，然后将降压后的电压再去整流、滤波、和稳压，最后可得到所需要的直流电压幅值+9V。电容降压的工作原理并不复杂。他的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。采用电容降压时应注意以下几点：a根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率；b 限流电容必须采用无极性电容,绝对不能采用电解电容，而且电容的耐压须在400V以上；c最理想的电容为铁壳油浸电容；d 电容降压不能用于大功率条件，因为不安全；e电容降压不适合动态负载条件；同样,电容降压不适合容性和感性负载；f当需要直流工作时，尽量采用半波整流。 2.整流电路本设计的整流电路的是利用具有单向导电性能的整流元件，将正负交替的正弦交流电压整流成为单方向的脉动电压。二极管具有单向导电性，因此可利用二极管的这一特性组成整流电路，将交流电压变换为单向脉动电压。整流电路有单项半波和单相桥式整流电路。单向半波整流电路的电路及波形图如图3.2。（a） （b）图3.2单向半波整流电路及波形由于二极管D具有单向导电性，只当它的阳极电位高于阴极电位时才能导通。在变压器副边电压u的正半周时，其极性为上正下负（图3.2），即a点的电位高于b点，二极管因承受正向电压而导通。这时负载电阻RL上的电压为 uo，通过的电流为io。在电压 u的负半周时，a点的电位低于b点，二极管因承受反向电压而截止，负载电阻RL上没有电压。因此，在负载电阻RL上得到的是半波整流电压uo。在导通时，二极管的正向压降很小，可以忽略不计。因此，可以认为uo的这半个波和u的正半波是相同的（图3.2）。负载上得到的整流电压虽然是单方向的(极性一定)，但其大小是变化的。这种所谓单向脉动电压，常用一个周期的平均值来说明它的大小。单相半波整流电压的平均值为式（3-5）表示整流电压平均值与交流电压有效值之间的关系。由此得出整流电流的平均值 单相半波整流电路只在交流电压的半个周期内才有电流流过负载，它的优点是结构简单，使用的元器件少。但是也有明显的缺点：输出波形脉动大；直流成分比较低；变压器有半个周期不导电，利用率低；变压器电流含有直流成分，容易饱和。单向桥式整流电路简称桥式整流电路，桥式整流电路和波形如图3.3（a） （b）图3.3桥式整流电路及波形当变压器次级绕组的电压极性上面为正下面为负时，整流硅桥中的硅整流二极管D1，D3导通，这时Dl和D3上的电压降很小(约为0.5V)，可以将D1和D3近似看成导线，电流从变压器次级线圈上端经D1，RL，D3回到变压器次级线圈的下端，这样在负载RL上得到一个半波整流电压；当变压器次级绕组的电压极性上面为负下面为正时，整流硅桥中的硅整流二极管D2,D4导通，电流从变压器次级线圈下端经D2,RL和D4构成回路，同样在RL上得到一个半波整流电压。如此重复，在负载RL上就可以得到图3.3（b）所示的电压波形。显然，全波整流电路的整流电压平均值UO比半波整流时高了一倍，即 (3-7)负载电阻中的直流电流当然也增加了一倍，即 (3-8)每两个二极管串联导电半周，因此，每个二极管中流过的平均电流只有负载电流的一半，即 (3-9)至于二极管截止时所承受的最高反向电压，从图614可以看出。当D1和D3导通时，如果忽略二极管的正向压降，截止管D2和D4的阴极电位就等于a点的电位，阳极电位就等于b 点的电位。所以截止管所承受的最高反向电压就是电源电压的最大值，即 (3-10)由图3.3（b）可见，在同样的变压器二次电压之下，桥式整流电路输出电压的波形所包围的面积是半波整流电路的两倍，因此其平均值也将是半波整流电路的两倍；且桥式整流输出电压的脉动成分也比半波整流时下降了。综上分析，桥式整流电路利用率更大且脉动成分更小等优点，且采用电容降压式降压时桥式整流电路能够提供更大的电流，因此本设计采用桥式整流电路。3.滤波器滤波器主要由电容、电感等储能元件组成。它的作用是尽可能的将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。但是，当电网电压或负载电流发生变化时，滤波器输出的直流电压的幅值也将随之而变化。对滤波电路的要求是，一方面尽量降低输出电压中的脉动成分，另一方面又要尽量保留其中的直流成分。本设计使用电容实现滤波作用。由于电容的储能作用，当二极管导电时，电容被充电，将能量储存起来，然后在逐渐放电，把能量释放出来，因此能够输出比较平滑的波形，使脉动成分明显减少。4.稳压电路稳压电路的作用是采取某些措施，使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。常用的稳压电路有硅稳压管稳压电路、串联型直流稳压电路以及集成稳压器等。稳压管工作于反向击穿区。从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增（图3.4），稳压管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管与一般二极管不一样，它的反向击穿是可逆的。当去掉反向电压之后，稳压管又恢复正常。但是，如果反向电流超过允许范围，稳压管将会发生热击穿而损坏。稳压管的伏安特性如图3.4：图3.4稳压管的伏安特性图串联型直流稳压电路的稳压过程，包括采样电阻、放大电路、基准电压、调整管四个部分，通过电压负反馈使输出电压保持基本稳定的过程。集成稳压器随着集成技术的发展也迅速的发展，集成稳压器具有体积小、可靠性高、温度特性好以及灵活多变等优点；它包括了串联型直流稳压电路的各个组成部分，另外加上保护电路和启动电路。为了既可以达到设计要求的目的又要尽量使电路简洁经济，本设计使用稳压二极管作为稳压电路。综上所述，输出为+9V的稳压直流电源电路如图3.5所示。图3.5电源电路电路简述：降压稳流部分由R1C1、全桥电路QD和滤波电容C2组成，经DW稳压后得到+9V的电压，为路灯控制电路提供了工作电压。3.1.3元器件的选择与参数的计算1. 桥式整流电路整流堆一般不用型号，说明2个参数就可以，电流和耐压。，所以QD的反向击穿电压选用1A300V以上的器件，以确保安全。2稳压二极管稳压二极管的主要性能和参数如下：（1）稳定电压UZ 稳定电压就是稳压管在正常工作下管子两端的电压。不同型号的稳压管其稳压值的范围不同；同种型号的稳压管也常因工艺上的差异而有一定的分散性。所以，稳压值一般给出的是范围值。 （2）稳定电流IZ 稳定电流是指稳压管正常工作时的参考电流。稳定电流通常在最小稳定电流与最大稳定电流之间。其中是指稳压管开始起稳压作用时的最小电流，电流低于此值时，稳压效果差；是指稳压管稳定工作时的最大允许电流，超过此电流时，只要超过额定功耗，稳压管将发生永久性击穿。故一般要求 IZmin Iz IZmax 。 （3）动态电阻rZ rZ是指在稳压管正常工作的范围内，电压的微变量与电流的微变量之比。rZ 越小，表明稳压管性能越好。 （4）最大允许耗散功率PZ 管子不致发生热击穿的最大功率损耗 PzUz IZmax 。 （5）温度系数 是指Uz受温度影响的程度。硅稳压管在UZ4V时0；在UZ7V时，0；在UZ = 47V时，很小。本设计采用+9V稳压直流电源，所以采用比较常用的2CW57，稳定电压为8.59.5V，稳定电流为10mA，最大稳定电流为26mA，反向漏电流0.5mA，动态电阻20，最大耗散功率0.25W。3.降压电容降压电容的作用是降压和限流，电容的特性是通交流隔直流，当电容连接于交流电路时其容抗计算公式：降压电容在电路中的容抗Xc为： (3-11)XC表示电容的容量，f表示交流电源的频率，c表示降压电容的容量。流过电容器降压电容的充电电流Ic为：(3-12)IC表示流过电容的电流，U表示电源电压，XC表示电容的容抗。式3-11和3-12 中U=220V，f=50Hz因为通过降压电容向负载提供的电流Io，实际上是流过降压电容的充放电电流Ic。降压电容容量越大，容抗Xc越小，则流经降压电容的充、放电电流越大。当负载电流Io小于降压电容的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁，稳压管可以正常工作的电流0.5mAIZ26mA。为保证降压电容可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压，选用耐压400V以上的金属化纸介电容器，大小为0.47。泄放电阻的选择必须保证在要求的时间内泄放掉降压电容上的电荷，泄放电阻选560k。3.其它元器件滤波器主要由电容C2组成。它的作用是尽可能的将单向脉动电压中的脉动成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压。电容两端电压不能突变，因此可以使输出平滑，滤去脉动成分，容量大了，滤波效果当然会更好，但同时会带来体积、成本问题，而且可能会对电路其他部分产生不良影响。例如：大容量工频电源，滤波电容取得过大，有可能对整流电路造成额外负担，使其故障率提高，容量小了滤波效果会达不到预期要求。有一个粗略估算公式，常用于工程计算：按RC时间常数近似等于35倍电源半周期估算： T是电源周期，电源频率为50Hz，T=0.02s，由式（3-13），可选择R2为200，C2为220时符合要求。C3为滤波电容，选择47大小。3.2 信号放大整形电路的设计与分析3.2.1 电路的设计分析1.声电传感器声传感器是一种能将声波的振动转换为电压和电流输出的声一电转换元件。常用的声电转换元件有压电陶瓷片、驻极体话筒等。其中压电陶瓷片由于其灵敏度高、结构简单、价格便宜而得到广泛应用。压电陶瓷片又称压电蜂鸣器，它是根据某些材料的压电效应而制成的。当受到外界的机械压力或振动作用时，某些材料会产生压电效应，产生电压和输出电流，其强度与作用于材料表面的机械力成正比。反之，若对此材料加上电压，则又会因材料的充电作用而产生伸缩振动，其强度和所加电压成正比。因此，它又可因振动而发声，常用作发声器件。这就是说，用这种材料制作的转换元件是一种可逆器件，既可作声电转换器件，又可作电声转换器件。压电陶瓷片因其直径的不同而具有不同的谐振频率。谐振频率和圆片半径的平方成正比，和圆片的厚度成反比。当接收到声波后，压电陶瓷片发生振动，当声波的频率与压电陶瓷片的固有频率相同时，压电陶瓷片发生谐振，输出的电流最大。具有压电效应的材料有多种，常见的有石英晶体、酒石酸甲钠、钦酸钡、钻酸铅等，这些材料常称为压电陶瓷材料。驻极体电容传声器是采用驻极体材料作声电转换元件的声电传感器。组成驻极体话筒关键元件的驻极体振动膜是由一些高电介质的塑料薄膜制成的，如聚乙烯膜、聚脂薄膜、聚丙烯和聚四氟乙烯膜等。在制作时，先在这些塑料薄膜的表面上蒸发一层金属膜作为电极，然后在高压电场下对膜进行极化处理。经过极化处理后的薄膜，便在其两个表面上分别带上正、负电荷，并能长期保留下去。这种经过电场处理后能够在其表面带上电荷并能长期保存的材料称为驻极体。驻极体由两个主要部分组成：一部分是以驻极体膜为主要元件的声一电转换部分；另一部分是以场效管放大器为主的阻抗变换输出部分。在话筒的前半部分，驻极体膜片的金属面朝外安装，并通过金属膜环与金属外壳相连。膜片的另一面通过绝缘垫片与背极连接。这样。膜片的金属面与背极之间就形成了一个电容器。驻极体膜片受到声波的冲击后发生振动，由振动引起电容器两端电场的变化，在它的输出端就会输出随声波强弱巾个同的交变电压。驻极体话筒的信号输出方式有两种：一种为引出线方式一种为引出端方式。本设计采用灵敏度高、结构简单、价格便宜的压电陶瓷片作为声电传感器。2.放大电路放大的本质是实现能量的控制，即能量的转换：用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号。放大的对象是变化量，放大的前提是传输不失真。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。放大电路的技术指标用来定量描述放大电路的有关技术性能。主要有：放大倍数，描述电路对输入信号的放大能力；输入电阻，反映放大电路从信号源索取电流的大小；输出电阻，反映电路驱动负载的能力，是从放大电路输出端看进去的等效电阻。通频带，反映了放大电路对不同频率信号的放大能力；放大电路的技术指标除了上面介绍的以外，针对不同用途的电路，还会有一些其它指标，例如最大输出幅度、非线性失真系数、信噪比、最大输出功率等。在没有明显失真的情况下讨论以上指标才有意义。放大电路实现方法很多，除了分立器件实现之外，还可以采用运算放大电路等来实现。由于本设计放大电路的放大倍数、失真系数信噪比以及最大输出功率要求不高，因此，为了既能实现设计的要求，又要节约成本和资源，本设计决定采用分立元件组合实现电路的放大作用。一般情况下，单管放大电路的放大倍数只能达到几十倍，放大电路的其他技术指标也难以达到实际工作中提出的要求，因此，在实际的电子设备中大都采用各种各样的多级放大电路。多级放大就是用两级或两级以上的放大电路，比如用两级放大电路来实现信号放大能力质的飞升，第二级把第一级输出的已经放大了的信号再次进行放大，就得到质的变化。多级放大电路内部之间的连接方式称为耦合方式，常用的有三种，即阻容耦合、变压器耦合和直接耦合。下面分别对每种耦合放大电路介绍。阻容耦合方式：将放大电路的前级输出端通过电容接到后级输入端，称为阻容耦合方式。如3.6图所示为两级阻容耦合放大电路。图3.6阻容耦合放大电路直流分析：由于电容对直流量的电抗为无穷大，因而阻容耦合放大电路各级之间的直流通路不相通，各级的静态工作点相互独立。交流分析：只要输入信号频率较高，耦合电容容量较大，前级的输出信号可几乎没有衰减地传递到后级的输入端。因此，在分立元件电路中阻容耦合方式得到非常广泛的应用。阻容耦合电路的缺点：低频特性差，不能放大变化缓慢的信号；在集成电路中制造大容量的电容很困难，因此阻容耦合方式不便于集成化。变压器耦合方式：将放大电路前级的输出端通过变压器接到后级的输入端或负载电阻上，称为变压器耦合。如3.7图所示为变压器耦合共射放大电路。图3.7变压器耦合放大电路变压器耦合电路的前后级靠磁路耦合，它的各级放大电路的静态工作点相互独立。变压器耦合的缺点是它的低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，而且体积大，工艺十分复杂，非常笨重，不容易集成化。变压器耦合的优点是可以实现阻抗变换，因而在分立元件功率放大电路中得到广泛应用。直接耦合方式：将前一级的输出端直接连接到后一级的输入端。如3.8图所示为直接耦合电路。图3.8直接耦合电路直接耦合方式的缺点：采用直接耦合方式使各级之间的直流通路相连，因而静态工作点相互影响，所以不易于调整静态工作点。有零点漂移现象。直接耦合方式的优点：电路简单，具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号和直流信号；由于电路中没有大容量电容，易于将全部电路集成在一片硅片上，构成集成电路。综上所述，阻容耦合方式和变压器耦合方式低频特性差，不能放大变化缓慢的信号，直接耦合方式具有良好的低频特性，可以放大变化缓慢的信号和直流信号；而本设计中将声信号转化成的电信号是低频信号，因而直接耦合方式的放大电路更合适。3处理电路声源产生的声音信号，经声电转换器后转换成微弱的电信号，该信号经放大后送处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变的控制信号，该信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要求功能，经执行机构直接控制负载动作，处理电路如下图3.9信号处理输出输入输出输入(a) (b)图3.9处理电路由图3.9(b)可知处理电路是将将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变的控制信号，为了实现此功能，本设计采用使用二极管的二倍压整流电路，将交流电压处理成直流电压，并实现电压的加倍。倍压整流电路适用于需用高电压、小电流的地方。二倍压整流电路如图3.10图3.10二倍压整流电路当u2正半周时节，电压极性如图所示，D3导通，D2截止；C7充电，电流方向和C7上电压极性如图所示，C7电压最大值可达。当u2负半周时节，电压极性如图所示，D2导通，D3截止；C6充电，电流方向和C6上电压极性如图所示，C6电压最大值可达。 可见，对电荷的存储作用，使输出电压（即C7上的电压）为u2电压的两倍，利用同样原理可以实现所需倍数的输出电压，并整形成前后沿突变的方波，以触发单稳态触发器使其可靠翻转。综上所述设计的信号放大整形电路如图3.113.11信号放大整形电路图电路简述：拾音器采用电压蜂鸣器HTD35A-1他的压电效应，既当有音响作用到压点陶瓷片上时，声震导致的绕曲变形就会产生相应的电效应。由于声电效应较小，设计了VT1，VT2，直耦式音频放大器，将信号放大，并由D2，D3，C7倍压整流再经T3倒相放大，触发单稳态电路。3.2.2元器件的选择与参数计算1.压电蜂鸣器HTD35A-1 为了使声控效果好，拾音器的选用直径较大的压电陶瓷片，HTD35A-1,目的是拾取教多的声压，他的谐振频率较低2.8Kh，对淬发的声音声压较好。压电蜂鸣器HTD35A-1的参数如下所示：谐振频率：2.9KHz ；谐振电阻150； 电容量40000pF （性能参数）；金属片直径D：35mm ；陶瓷片直径d：25mm； 总厚度t：0.55mm （尺寸）。2.其它元器件VT1管选用C485，的值不少于150倍。VT2和VT3用9014或3DG8型硅NPN小功率晶体管，要求电流放大系数。D2和D3的选择没有特殊要求，一般元器件即可。其它电阻与电容的阻值选择如下：R4=430k；R5=4.3k：R6=2.7k；R7=1.8k；R8=5.6k；C4=4.7；C5=10；C6=10；C7=0.68。3.3光电转换电路的设计与分析3.3.1电路的设计与分析光电转换过程的原理是光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流。实现光电转换的方法有很多，光敏元器件以及光电转换器等。本设计决定采用简单经济的光敏三极管实现光电转换电路。所谓光电转换电路就是利用光敏三极管对不同光照呈现的阻抗不同，对时基电路555的四脚进行高低电平的控制，或处于等待触发状态，或处于强制复位状态。光电转换原理：根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子-空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对（称之为光生载流子），使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光（蓝光、红光、红外光）在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子（电子），一旦漂移到耗尽层界面， 就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；彼长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。光敏三极管也有锗管、硅管两种类型，其伏安特性即光电流与反向电压间的关系，形如普通的三极管IC-UCE的关系，其伏安特性曲线如图3.12图3.12光敏三极管的伏安特性曲线光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管，结构与一般晶体管相类似，但也有其特