模拟电路声光控课程设计.docx

声光控延时开关的设计报告目 录1.设计要求.22.设计目的.23.设计具体实现.2 3.1系统概述.23.1.1控制电路.43.1.2总原理图及工作原理.153.2Multisim软件仿真.163.3 PCB版电路制作.21 4.心得体会及建议.25 5.附录.26 6.参考文献.27一.设计要求在楼房的走廊和楼道中，经常由于黑暗而发生一些事故，但这些事故是可以避免的。我们可以再里面安装一些照明设备，但对这些照明设备的控制若用普通开关已不能满足要求。故控制电路需要满足以下要求：（1）在光线足够强时，照明设备不启动。（2）在光线弱且有声音（即有人走动或说话）时启动照明设备。（3）在照明设备启动一段时间（1 3分钟，可根据需要调整）后自动熄灭。（4）电源为交流220 V市电，控制对象30 W灯泡。二.设计目的通过该设计进一步理解直流稳压电源、分立元件放大电路和电容充放电延时的工作原理，初步了解光敏、声敏传感器原理和可控硅器件控制原理；学会电子电路的一般设计方法、电路参数计算和元器件选择及调试方法。三.设计具体实现1.系统概述声源产生的声音信号，经声敏传感器转换成微弱的电信号，因信号太小，故将该信号进行放大处理转换成可控制的信号，经处理放大的信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要求功能，然后经执行机构直接控制负载作用简单的电路设计实现生后常用电器。用一些简单的电路和器件实现声光控是很现实的应用。声光控电路对照明电路的控制基本上可以分为两种，一种是将照明设备直接接在市电上面，进行控制；一种是将市电变压整流后，在接照明设备，本次设计采用后者，因为后者便于控制，而且相比之下比较安全。而且亮度也满足要求，故本次设计采用后者。在白天，光线照射到光敏电阻上时，其通过感应使电路对声音通道不起作用，则灯泡不受声音控制，即声控传感器暂时失去作用，灯泡不亮。夜间或光线较暗时，光敏电阻所组成的电路对声控电路没有封锁作用，当有人走动或有人谈话时，通过声控传感器的感应，使灯泡自动点亮，经过内部设定的时间后，灯泡自动熄灭。从功能和设计目的来看，该控制装置应该有整流、稳压、音频放大、光敏电路、可控硅开关等组成。能够通过调节电阻和电容的大小来改变灯亮的时间长短，如果时间过短，就应增大电阻或电容的值，反之则减小。组成方框图如图1所示：电源电路部分 照明设备控制电路部分图11）控制电路光控电路升压整流电路音频放大电路MIC电子开关电路延时电路 图2（1）声控开关的优点可直接代替原来的手控开关，而且不需要另外接线，经济实惠，另外声控开|关便于安装。声控灵敏度高，在其附近的脚步声、说话声等均可将开关启动。而且其寿命长。功耗小。（2）音频放大电路由于驻体式话筒Mic2接受声音信号后，产生的音频信号比较薄弱，因此需要经过放大电路将声音信号进行放大。放大电路在日常生活应用很广泛，基本上任意一个电子设备都要用到放大电路。它的核心是有源元件，如晶体管场效应管等。为了实现放大功能，必须给放大器提供能量。放大器的实质是把电源的能量转移到输出信号。输入信号的作用是控制这些转移量，是放大器输出信号的变化重复或反应输入信号的变化。本次采用的是共射放大电路，为了调节灵敏度，在基极串入滑动变阻器，以调节其灵敏度。如图3所示：图3晶体管的选择和参数的确定：晶体管选用9014型，其集电极-发射极电压 为45V，集电极-基电压 50V，射极-基极电压 5V，集电极电流0.1A，结温150，放大倍数A=60-150。本次设计电源为12V，而且为低频信号，故9014满足设计要求，故采用9014型晶体管。（3）升压整流放大后的音频信号还不足以令三极管导通，因此要经过倍压整流把声音信号变成直流控制电压。输入端到电容C2。升压整流电路如图4所示：图4放大后的声音信号经过D8、D7的升压整流电路将声音信号变成直流控制电压。倍压整流电路：利用滤波电容的存储作用，由多个电容和二极管可以获得几倍于变压器副边电压的输出电压，称为倍压整流电路。在这里运用的并不是真正的倍压电路，将其修改后运用的。（4）光敏电路及延时电路光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。基本上光敏电阻器都制成薄片形的，以便于吸收更多的光能。当有光照射时，光敏层内激发出电子 空穴对，参与导电，使电路中的电流增强。光明电阻的主要参数有光电流、亮电阻、暗电流、暗电阻、灵敏度、光谱响应、光照特性、伏安特性曲线、温度系数、额定功率。在光敏电阻的两端的金属电极之间加上电压，其中就会有电流通过，当受到适当波长的光线照射时，电流就会随着光强的增大而变大，从而实现光电的转换。而且光敏电阻没有极性之分，纯粹是一个电阻，在使用的时候可以同时加直流电也可以加交流电。图5该电路在白天有光照时，光敏电阻R9的电阻很小，从输入端来看音频信号被旁路，输出端电压较低，不能推动后续电路的工作。在光线较暗或黑夜时，光敏电阻R9电阻较大一般在5M左右，输出电压较大，可以推动后续的电路工作。R9和C4的组合，它们的值组成充放电的时间常数，实现了延时的作用。规格型号最大电压(VDC)最大功耗(mW)光谱峰值(nm)亮电阻（10Lux)(K)暗电阻（M）20系列GL205165005005605-101GL2052850050056010-202GL20537-150050056020-303GL20537-250050056030-505GL2053950050056050-1008表1在仿真时，经测试选用亮电阻在5-10K，暗电阻大于1M的光敏电阻可以使系统正常运行。故本次设计采用光敏电阻型号为GL20516。（5）控制电路电子开关由Q4和Q2组成，如下图图6所示。当有光照时，光敏电阻R9阻值很小，呈现低阻性，经放大整流的声音信号行成的电压不足以令Q4导通，是晶体管Q4处于截止状态，其发射极无电流输出，其集电极电压近似为电源电压，Q2发射结电压近似为零，不能导通，因此R8无电流流过，R8两端电压太小，即输出端点位太低，不足以令后面电路工作，此时灯泡不亮。当黑暗或光线较弱时，反之。Q4采用和放大电路一样的晶体管，即采用9014集体管。Q2为PNP型晶体管，采用9012型晶体管，其集电极-发射极电压 30V，集电极-基电压 50V，放大倍数30-90。图6（6）电子开关设计可控硅经常被用作照明设备或着其他自动控制设备的续流元件，本次设计也不例外，使用单向可控硅作为续流元件即电子开关。单向可控硅的特点，具有灵敏的控制极触发电流，导通时压降低。用途广泛应用于各种万能开关器、小型马达控制器、彩灯控制器、漏电保护器、灯具继电器激励器、逻辑集成电路驱动、大功率可控硅门极驱动、摩托车点火器等线路功率制。本次设计使用可控硅型号为MCR22-6，脚位排列1-A, 3-G, 2-K。导通电压Vgt=0.8v。具体电路如图7所示：图7P1为照明设备的接口，P2为交流市电的接口，当控制电路导通时，R8两端的电压升高，当大于晶闸管Q3的导通电压时，Q3导通，灯泡点亮。（7）电源的设计通常稳压电源都包括降压、整流、滤波和稳压四个部分，然后将市电220v交流电转换成适合自己电路的电源。由于本次设计考虑到经济因素和其他因素，就省去了降压部分。即使没有该部分，电路也正常工作。模块图如下：整流电路滤波电路稳压电路220V 图8以上各模块儿图作用：整流电路：将直流电压转换成直流电压，即将正弦波电压转换成单一方向的脉动电压。整流电路可分为全波整流和半波整流。其各自参数如下（假设输入电压有效值为U1）：a）半波整流（a）输出电压平均值：Uo(AV)= 2U10.45U1 。（b）输出电流平均值：Io(AV)=Uo(AV)RL0.45U1RL 。（c）脉动系数：S=U122U1=21.57 。说明半波整流的输出脉动系数很大，其基波峰值约为平均值的1.57倍。b）全波整流(a）输出电压平均值：Uo(AV)= 22U10.9U1 。(b）输出电流平均值：Io(AV)=Uo(AV)RL0.9U1RL 。(c）脉动系数：S=UO1MUo(AV)=230.67 。与半波整流相比，输出电压脉动系数减小很多。通过以上参数的对比，全波整流对电源的利用率高，故本次设计采用全波整流电路，即单向桥式整流电路。在选择整流二极管时，常考虑以下参数：（i）二极管的平均电流ID(AV)：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。该电流由PN结的结面积和散热条件决定。使用时应注意通过二极管的平均电流不能大于此值并要满足散热条件。（ii）二极管承受的最大反向电压URmax：指二极管两端允许施加的最大反向电压。若大于此值则反向电流(IR)剧增二极管的单向导电性被破坏从而 引起反向击穿。通常取反向击穿电压(VB)的一半作为(VR)。（iii）最高工作频率fm它是二极管在正常情况下的最高工作频率。主要由PN结的结电容及扩散电容决定若工作频率超过fm则二极管的单向导电性能将不能很好地体现。型号最高反向峰值电压(v)平均整流电流(a)代换1S16422000.5EU-14500.5IN40033001.0IN40044000.2RC220000.2TVSRC220000.2CFR10-06、RU2、2CZ317G 表2在选择时，经常选择最大整流电流IF1.1ID(AV)，最高反向工作电压URM1.12U1。在本次设计中，U1为220V，故URM343 V。因为在本次设计中，用到的是小功率元器件，故采用小功率整流二极管。因为负载为220V，30W的灯泡，其额定电流Io=302200.14A由以上的计算结果可知，URM最小要343V，为保证电路的稳定性，本次设计采用的整流二极管型号为RC2，从表1看，RC2已经完全满足本次设计要求。滤波电路： 通常整流电路输出的是单向脉动的电压，为了减小电压的脉动，需要通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。理想情况下，应将交流分量全部滤掉，使滤波电路的输出电压仅为直流电压。然而，由于滤波电路为无源电路，所以接入负载后，势必影响其滤波效果。对于稳定性要求不高的电子电路，整流、滤波后的直流电压可以作为供电电源。滤波电路可以分为以下几种： 类型性能 电容滤波电感滤波LC滤波RC或LC 型滤波Uo(AV)U21.20.90.91.2小大大小适用场合小电流负载大电流负载适应性较强小电流负载 表3因为在本次设计中，控制电路为小电流负载，故采用最常见的电容滤波电路。稳压电路：交流电压通过整流、滤波后虽然变为分量较小的直流电压，但是当电网电压波动或者负载变化时，其平均值也将随之变化。稳压电路的功能是使输出直流电压基本上不受电网电压波动和负载电阻变化夫人影响，从而获得足够高的稳定性。本次设计采用稳压值为12V的稳压二极管作为稳压元件。以下是电源的整体设计的原理图： 图9市电经D2、D4、D5和D6组成的整流电路整流后，经过指示灯D1，再经限流电阻R1，然后经电容C1滤波后，输出平滑的直流电压，然后经稳压管D3稳压，输出稳定的直流电压。输出电压为12V的直流电。a) 总原理图及工作原理图10当白天光线较强时，光敏电阻R9阻值较小，其所分得的电压较小，不足以令晶体管Q4导通，此时Q4处于截止状态，其集电极电压几乎是电源电压，此时晶体管Q2不能导通，处于截止状态，此时其集电极点位很低，即电阻R8两端的电压较低，未达到晶闸管Q3的导通电压，Q3截止，由于流经灯泡的电流很小，此时灯不亮。当晚上或光线较暗时，光敏电阻阻值很大（大约5M），当有脚步声或谈话声时，驻体式话筒MIC2和其组成电路将声音信号转化成电信号，再经晶体管Q1放大，然后经C2、D7和D8组成的倍压整流电路倍压整流后，由于此时R9电阻很大，所以经整流后的电流流经R9时，R9两端的电压较大，令晶体管Q4导通，此时其集电极点位降低，使得Q2发射结导通，令Q2导通，此时流经电阻R8电流较大，使得R8两端的电压较大，令晶闸管导通。当晶闸管导通后，其两端的电压较低，相当于短路，电源电压完全加在灯泡两端，点亮灯泡。当声音信号消失时，由于电容C4的作用，灯泡不能立即熄灭，此时C4经电阻R9放电，当C4两端电压较低时，Q4截止，灯泡熄灭。灯泡亮的时间有电容C4和电阻R9决定，取晚上时光敏电阻阻值约为5M，令灯亮2分钟，此时由=RC可得C1400F。2.Multisim软件仿真1) 仿真软件的简要介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。其仿真内容丰富可以进行很多仿真：（1）器件建模及仿真；（2）电路的构建及仿真；（3）系统的组成及仿真；（4）仪表仪器原理及制造仿真。器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：模拟器件（二极管，三极管，功率管等）；数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；FPGA器件。Multisim具有丰富的测试仪器，提供了22种虚拟仪器进行电路动作测量，而且该软件也提供了完备的分析手段，它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。集成LabEW和Signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能。另外还包含独特的射频（RF）模块和强大的MCU模块。2) 本次设计的仿真内容（1）元件的替换因为仿真软件multisim中部分元件没有，故采用其他元器件代替，代替元器件如下：a）驻体式话筒MIC2由函数信号发生器（1KHz，20mV的正弦波）与开关串联代替，模拟声音信号的出现与消失。b）光敏电阻有普通电阻代替。调节阻值大小模拟白天和晚上阻值的变化。c）220V 30W灯泡由120V 250W代替。d）220V市电由120V交流电源代替。（2）仿真原理图及仿真结果图11仿真结果：当白天阳光较强时，R3（代替的光敏电阻）较小，近似5K，晶体管Q2截止，灯不亮。当光线较暗或晚上时，R3阻值很高，当有声音时，R3两端的电压令Q2导通，推动后续电路工作，灯泡点亮，当声音消失时，灯泡两一段时间后熄灭。当无信号输入时，即开关J1断开时，Q1发射结电压UBE（图12所示）和集电极-发射极电压UCE（图13所示）分别为：从所测值可以看出UBEUon且UCEUBE，所以，晶体管工作在饱和区。但有声音信号时，经过放大的信号，再经倍压整流输出的电压已经很大（如图14所示），可以推动后续电路工作。 图12 图13 图14每一个放大电路都有其频带，下图为声频放大电路的波特图如图15所示：（a）（b）(c)图15（a图为幅频特性，b图为幅频特性，c图为相频特性）从上图图a和图b可以看出，当增益下降3dB时，其下限截止频率为639.375KHz，此时产生+45.505Deg的相移，正好符合理论。当频率ffL时，频率f每下降10倍，增益下降20dB。其输入和输出波形如下图图16所示：图16通道A为输入通道，其波形为未湿疹的正弦波，通道B为经放大的输出波形通道，其波形为饱和失真的正弦波。从波形上看正好符合静态值。3.PCB版电路制作1）软件介绍Altium Designer 是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合。2）软件功能：电子产品设计全端，包括原理图输入、电路仿真和验证及PCB和CAM文档浏览功。传统板件电路设计，验证及文档编辑。基于大规模可编程逻辑器件的数字电路设计，片上可编程可嵌入式系统软件开发。软件自动更新。增强版本控制功能，提供版本控制向导。支持高速电路设计，完善的布线和信号完整系分析功能。真正多层次，多通道的原理图输入设计功能。增强PCB设计功能，支持各种字符和图形，包括对中文的支持。增强高密度封装（如BGA），提出扇出逃逸功能。 FPGA的开发。3）制作过程（1）PCB的制作流程 根据电路功能需要设计原理图。原理图的设计主要是依据各元器件的电气性能根据需要进行合理的搭建，通过该图能够准确的反映出该PCB电路板的重要功能，以及各个部件之间的关系。原理图的设计是PCB制作流程中的第一步，也是十分重要的一步。通常设计电路原理图采用的软件是PROTEl和Altium Designer，本次设计采用Altium Designer6.9，因为它很容易由原理图生成PCB图。 正式生成PCB。网络生成以后，就需要根据PCB面板的大小来放置各个元件的位置，在放置时需要确保各个元件的引线不交叉。放置元器件完成后，最后进行DRC检查，以排除各个元器件在布线时的引脚或引线交叉错误，当所有的错误排除后，一个完整的pcb设计过程完成。 利用专门的复写纸张将设计完成的PCB图通过喷墨打印机打印输出，然后将印有电路图的一面与铜板相对压紧，最后放到热交换器上进行热印，通过在高温下将复写纸上的电路图墨迹粘到铜板上。 制板。调制溶液，将硫酸和过氧化氢按3：1进行调制，然后将含有墨迹的铜板放入其中，等三至四分钟左右，等铜板上除墨迹以外的地方全部被腐蚀之后，将铜板取去，然后将清水将溶液冲洗掉。打孔。利用凿孔机将铜板上需要留孔的地方进行打孔，完成后将各个匹配的元器件从铜板的背面将两个或多个引脚引入，然后利用焊接工具将元器件焊接到铜板上。 焊接工作完成后，对整个电路板进行全面的测试工作，如果在测试过程中出现问题，就需要通过第一步设计的原理图来确定问题的位置，然后重新进行焊接或者更换元器件。当测试顺利通过后，整个电路板就制作完成了。本次设计的原理图的绘制，在前面介绍各模块功能时已经讲述，在此就不再讲解原理图的绘制了。（2）在绘制PCB电路板时，应注意一些规则：电源线应适当粗一点。布线时尽量别让线平行太长的距离，尤其是高频电路时，如果平行距离太长，会相互产生干扰，使信号失真。 同一层面的线不能交叉。不同层面的线尽量不要保持平行，交叉最好呈九十度角，以保证信号的稳定。大功率元器件要考虑到散热问题，提高其散热面，使其能够正常工作。最好不要用该软件提供的自动布线功能，因为很可能出线错误，令信号失真。（3）以下是本次设计的PCB图：画好原理图后，编译整个工程，如果没有错误，就可以直接生成PCB文件了，然后对电路板进行布局，使走线更加方便，也是电路板更加美观。本次所制作PCB版为双面板，双面板有很所有点，容易制作，而且布线较为方便。以此采用双面板。本次布线采用的是自动布线，因为本次设计所用到的元件较少，自动布线对设计结果产生的影响不大。之后就可以制作电路板了。 图17四.心得体会及建议通过这两周的设计，在这两周的电子技术课程设计中，我做的课题是“声光控延时开关的设计”。这是一种声音和光照双控的照明设备，它可以用于跟多场合，例如楼梯、过道、库房等。在白天，由于光照较强，无论有没有人通过，都不会点亮灯泡。夜晚光线较暗，电路的接受声音的电路只要检测到有碎发声音，就会自动为行人照明，过一段时间就会自动熄灭，达到节能省电的效果。通过这次的实验设计，我对本学期学习的模拟电子技术有了更深的理解。在此设计中运用到了晶体管、光敏电阻等元件，让我进一步巩固所学知识。刚开始拿到设计课题时，不知