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电气电子毕业设计论文
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毕业设计237自制小夜灯,电气电子毕业设计论文
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新疆轻工职业技术学院 毕业论文 论文题目： 自制小夜灯 姓 名： 张宗桥 班 级： 电子信息工程 指导教师： 包全胜 二八年四月四 日 nts 1 主要目的 加强自己对理论知识的理解，理论与实际相结合，锻炼动手能力。做到学以致用，自己动手制作产品。 主要内容 环境照明度低于 5 2 勒克斯，周围声音大于 50 分贝时，制作的小夜灯就自动小夜灯就会 点亮， 发出 持续约 5min分钟的不刺眼灯光，以便处理有关事务。 具体要求 1.环境照度低于 5 2勒克斯时。 2.大于 50分贝的声响。 3.延时关闭： 5分钟左右。 指导教师评语及意见： 指导教师： 年 月 日 答辩委员会评语及综合成绩评定： 答辩委员会主任： 年 月 日 系部意见： 系主任： 年 月 日 nts 2 摘要 本产品主要应 用于夜间照顾婴儿，照顾年 迈的老人，病人半夜起床小便、凌晨醒来看钟表等，只要 环境照明度低于 5 2勒克斯，周围声音大于 50分贝时，制作的小夜灯就 自动小夜灯就会点亮， 发出 持续约 5min分钟的不刺眼灯光，以便处理有关事务。 如果时间尚早，可按动一下复位开关 SB提前关灯，以节约电能。 小夜灯主要依靠声音，光的刺激，从而启动。 关键字： 自动 照明 夜灯 nts 3 目录 摘要 . 2 引言 . 4 第一章：设计目的与要求 1.1 设计目的 . 5 1.2 设计要求 . 5 1.3 设计任务 . 5 第二章 ：元器件的选 择 . 6 2.1 555时基电路的介绍 . 7 2.2 555时基电路的 选 择 .8. 2.3 技术指标 9 第三 章：设计方案 3.1 电路基本组成 . 3 3.2 工作原理 . 3 3.3 电路工作特性 . 3 第四 章：方案应用 . 4 4.1制作与应用 . 4 4.2注释 . 4 4.3自动控制 的说明 . 4 第四章 总结 . 4 参考文献 nts 4 引言 婴儿在夜间哭闹不止，说明有事需要及时处理。年轻的母亲往往要找准开关的位置，打开电源； 又要忙于找奶瓶、尿布之类的物品；而有些 父母担心在黑暗中摸索会带来不安全因素，所以只有整夜开着电灯，而这又导致小孩子不能入睡，哭闹不止，常常弄得父母手足无措，心烦意乱。 何不动手制作一盏自动小夜灯呢！它能够在婴儿哭闹时自动点亮，持续发出约 5min(分钟 )的不刺眼灯光，以便处理有关事务。 当然，处 理完事务后，还可按动专门的复位按钮开关，随时提前关闭亮着的小灯，从而大大方便了人们的日常生活。 自动小夜灯以科学照明为理念，采用发光二极管作为光源，利用声、光，延时等控制电路对其 自动操作。具有节能、智能、方便安全、使用寿命长等突出特点。自动小夜灯属于低亮度照 明，它的亮度在满足人们 夜间临时需要活动视觉需要的同时，更重要的是这样的光线对人的眼睛没有任何刺激 ， 起到保护 视力的作用。也不必为由于强光的刺激难以继续入睡而感到苦恼。环境亮 度低于 5勒克斯时如有声响小夜灯 就 自动点亮，延时 5分钟 左右自动关闭。如 遇声响 将 再次点亮。避免了在黑暗中摸索开关导致的不安全隐患，也不必担心长时间在灯光下睡眠给您的身体带来的影响，方便实用并且不会影响到他人。 本产品利用电池供电，没有任何开关。可随意放置或手持行走。远离强电，杜绝触电的可能，因此很安全。 nts 5 第一章：设计目的与要求 1.1 设计目的 加强自己对理论知识的理解，理论与实际相结合，锻炼动手能力。做到学以致用，自己动手制作产品。 1.2 设计要求 1.环境照度低于 5 2勒克斯时。 2.大于 50分贝的声响。 3.延时关闭： 5分钟 左右。 1.3 设计 任务 当环境照明度低于 5 2勒克斯，周围声音大于 50分贝时，制作的小夜灯就发出 持续 约 5min分钟的不刺眼灯光，以便处理有关事务。还可按动专门的复位按钮开关，随时提前关闭亮着的小 夜 灯。 nts 6 第二章 元器件的选择 2.1 555时基电路 的介绍： 555 时基电路是一 种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合在同一硅片上的组合集成电路。它设计新颖，构思奇巧，用途广泛，备受电子专业设计人员和电子爱好者的青睐，人们将其戏称为伟大的小 IC。 1972 年，美国西格尼蒂克斯公司(Signetics)研制出 Tmer NE555 双极型时基电路，设计原意是用来取代体积大 ,定时精度差的热延迟继电器等机械式延迟器。但该器件投放市场后，人们发现这种电路的应用远远超出原设计的使用范围，用途之广几乎遍及电子应用的各个领域，需求量极大。美国各大公司相继仿制这种电路 1974年西格尼蒂克斯公司又在同一基片上将两个 双极型 555单元集成在一起，取名为 NF556。 1978 年美国英特锡尔公司 (Intelsil)研制成功 CMOS型时基电路 ICM555 ICM556,后来又推出将四个时基电路集成在一个芯片上的四时基电路 558 由于采用 CMOS型工艺和高度集成，使时基电路的应用从民用扩展到火箭、导弹 ,卫星 ,航天等高科技领域。在这期间，日本、西欧等各大公司和厂家也竞相仿制、生产。尽管世界各大半导体或器件公司、厂家都在生产各自型号的 555 556 时基电 路，但其内部电路大同小异，且都具有相同的引出功能端。 2.2 555时基电路的选 择 选用静态功耗很小的 CMOS时基集成电路（又称 555时基集成电路），如 5G7555或 ICM7555、 CB7555、 CH7555、 SG7555型等，它是一种模拟、数字混合集成电路，其引脚排列和功能如图 2-1所示。 nts 7 这种 CMOS 时基集成电路的静态电流非常小，只有 75mA 左右（ 4.5V 工作电压下测定），而且工作电压低，（实测不低于 2V就能正常工作）。常用普通 TTL工艺生产的 “555”时基集成电路其功耗大，要求工作电压较高（ 4.5），所以不适宜在本制作 中使用。 晶体管 VT1、 VT2均选用 9014（集电极最大允许电流 ICM=0.1A，集电极最大允许功耗 PCM=312mW）或 3DG8型硅 NPN小功率晶体三极管，要求 VT1的电流放大系数200， VT2的电流放大系数 100； VT3选用 9012（ ICM=-0.5， PCM=625mW）或 3CG23型硅 NPN中功率晶体三极管，要求电流放大系数 50。 R1 R6均用 RTX-1/8W碳膜电阻器。 C用漏电很小的优质 CD11-10V型电解电容器。 B用 27mm的压电陶瓷片，如 FT-27、 HTD27A-1型等，要求配 带简易塑料共振膜。 H用手电筒常用的 3.8V小电珠（三节干电池供电的手电筒专用）。 SB用 6mm*6mm小型卧室轻触开关。 SA可用 CKB-1型拨动开关。 G用三节 5号干电池串联（须配塑料电池架）而成，电压 4.5V。 nts 8 2.3 技术指标： 型号 XYD1 光源类型 LED高亮度白色发光二极管 光源功率 0.1瓦 照度大于 5 lx 照明角度大于 160度 电源电压 4.5V（三节 5号电池） 外壳材料 ABS工程塑料 外形尺寸 78X95X35,长 /高 /厚（毫米） nts 9 第 三 章 设计方案 3.1 电路基本组成 自动小夜灯的电路如图 3-1所示，它实际上是一个由干电池组 G供电的声控延时小灯。压电陶瓷片 B与晶体三极管 VT1、电阻器 R1和 R2等组成了声控脉冲发生电路，时基集成电路 A与电阻 R3、电容 3C等组成了典型单稳态延时电路，晶体三极管 VT2、 VT3和电阻器 R5、 R6等组成了小电珠 H的功率驱动放大电路。 单稳延时电路由接成电压比较器的单运放构成，电路如附图所示，有电路简单、调节延时方便等特点。 当负脉冲经 输入至反相端时，反相端电位低于同相端电位，输出端由低电平翻转为高电平，这个状态是不稳定的。此高电平经、分压后加至的同相端，使同相端电位高于反相端，从而保持高电平输出。同时，该高电平经和充电，当上电压被充至使反相端电位高于同相端电位时，其输出端又翻转 常态时， C1 输出保持低电平，这个状态是稳定的。 为低电平。此时，同相端电位约为零，而上的电压经迅速向输出端放电，使电路加速恢复到初始状态。电路稳定后反相端电位仍高于同相端电位，使输 出低电平得以保持。 该电路的延时时间不仅取决 于、，而且还取决于、的分压比。所以，调节延时时间十分方便，既可调整、进行延时粗调，又可调整进行细调（分压比若取 1/2 2/3，延时精度较高）。但是，该电路在上电时的状态是随机的，要使该电路上电后有唯一的输出状态，有两种方法：一是在电路中增加。这样，在上电时，由于上电压不能突变，电源电压经nts 10 、加至反相端，即可置输出于低电平；二是在同相端与地之间接一只二极管和一只开关（如虚线所示）。上电时如输出为高电平，虽然这一状态是不稳定的，但如上所述，要经过时间输出才为低 电平，而实用上往往需要电路上电时即刻复位。为此，可在上电时先将接通，若输出为高电平，则充电到即可使电路复位，大大缩短了电路上电复位的时间。复位后将断开，电路即可正常工作。 实际应用中，若取为 ，为 ，则分压比为 2/3，触发延时时间约为 。可取 ，可取 以上。可用单电源运放或比较器，如或。 设计中用的功率驱动放大器，下面简单介绍以下它的种类： （ 1） 功率放大器的分类 功率放大器电路的划分主要是由功放级输出电路 形式来决定，常见的音频功率放大器主要有下列几种 (a).变压器耦合甲类放大器电路主要用于电子管放大器中； (b).变压器耦合推挽功率放大器电路主要用于一些输出功率较大的电子管放大器中； (c).OTL功率放大器电路主要用于一些输出功率较小的放大器中； (d)OCL功率放大器是 一种常用的放大器电路，常用于一些输出功率要求较大的功率放大器中 。 (e)BTL功率放大器电路主要用于一些要求输出功率更大的场合。 OTL、 OCL和 BTL功率放大器电路主要用于晶体管放大器中。 （ 2） 功率放大器的类型 根据三极 管在放大信号时的信号工作状态和三极管静态电流大小划分，放大器电路主要有 3种放大器类型：一是甲类放大器电路，二是乙类放大器电路，三是甲乙类放大器电路。除上述三种放大器电路之外，还有超甲类等许多种放大器电路。音响系统中由于不允许存在信号的非线性失真，所以只用甲类放大器电路和甲乙类放大器电路。 nts 11 （ A） 甲类放大器 甲类放大器就是给放大管加入合适的静态偏置电流，这样用一只三极管同时放大信号的正、负半周。在功率放大器电路中，功放输出级中的信号幅度已经很大，如果仍然让信号的正、负半周同时用一只三极管来放大，这种电路 称之为甲类放大器。 在功放输出级放大器电路中，甲类放大器的功放管静态工作电流设得比较大，要设在放大区的中间，以便给信号正、负半周有相同的线性范围，这样当信号幅度太大时 (超出放大管的线性区域 )，信号的正半周进入三极管饱和区而被削顶，信号的负半周进入截止区而被削顶，此时对信号正半周与负半周的削顶量是相同的。甲类放大器电路的主要特点如下所述： (1) 在音响系统中，甲类功率放大器的音质最好。由于信号的正、负半周用一只三极管来放大，信号的非线性失真很小，这是甲类功率放大器的主要优点。 (2) 信号的正、负半周用同一只三极管放大，使放大器的输出功率受到了限制，即一般情况下甲类放大器的输出功率不可能做得很大。 功率三极管的静态工作电流比较大，在没有输入信号时对直流电源的消耗比较大。 (B) 乙类放大器 所谓乙类放大器就是不给三极管加静态偏置电流，且用两只性能对称的三极管来分别放大信号的正半周和负半周，正、负半周再在放大器的负载上将正、负半周信号合成一个完整的周期信号。 由于这种放大器没有给功放输出管加入静态电流，它会产生交越失真，这种失真是非线性失真的一种，对声音的音质破坏严重。所以，乙类放大器电路 是不能用于音频放大器电路中的。 (C)甲乙类放大器 为了克服交越失真，必须使输入信号避开三极管的截止区，可以给三极管加入很小的静态偏置电流，以使输入信号 “ 骑 ” 在很小的静态偏置电流上，这样可nts 12 以避开了三极管的截止区，使输出信号不失真。甲乙类放大器电路的主要特点如下所述： (a) 这种放大器同乙类放大器电路一样，也是用两只三极管分别放大输入信号的正、负半周，但给两只三极管加入了很小的静态偏置电流，以使三极管刚刚进入放大区。 (b) 由于给三极管所加的静态直流偏置电流很小，所以在没有输入信号时放大器对直流电源 的消耗比较小 (比起甲类放大器要小得多 )，这样具有乙类放大器的省电优点，同时因加入的偏置电流克服了三极管的截止区，对信号不存在失真，又具有甲类放大器无非线性失真的优点。所以，甲乙放大器具有甲类和乙类放大器的优点，同时克服了这两种放大器的缺点。正是由于甲乙类放大器无交越失真，又具有输出功率大和省电的优点，所以被广泛地应用于音频功率放大器电路中。 当这种放大电路中的三极管静态直流偏置电流太小或没有时，就成了乙类放大器，将产生交越失真。 (5) 推挽放大器 在功率放大器电路中大量采用推挽放大器电路，这种电路中用两只 三极管构成一级放大器电路，两只三极管分别放大输入信号的正半周和负半周，即用一只三极管放大信号的正半周，用另一只三极管放大信号的负半周，两只三极管输出的半周信号在放大器负载上合并后得到一个完整周期的输出信号。 推挽放大器电路中，一只三极管工作在导通、放大状态时，另一只三极管处于截止状态，当输入信号变化到另一个半周后，原先导通、放大的三极管进入截止，而原先截止的三极管进入导通、放大状态，两只三极管在不断地交替导通放大和截止变化，所以称为推挽放大器。 (6) 互补推挽放大器 互补是通过采用两种不同极性的三极管， 利用不同极性三极管的输入极性不同，用一个信号来激励两只不同极性的三极管，这样可以不需要有两个大小相等、相位相反的激励信号。其互补推挽电路示意图，如图 4-9所示。电路中， VT1是 NPN型三极管， VT2是 PNP型三极管，两只三极管的基极相连，在两管的基极加一个音频输入信号 Vi。 nts 13 从电路中可看出，两管基极和发射极并联，由于两只三极管的极性不同，基极上的输入信号电压对两管而言一个是正向偏置，一个是反向偏置。当输入信号为正半周时，两管基极同时电压升高，此时输入信号电压给 VT1管加上正向偏置电压，所以 VT1管进入导通和 放大状态。由于基极电压升高，对 VT2管来讲加上反向偏置电压，所以 VT2 管处于截止状态。 输入信号变化到负半周后，两管基极同时电压下降，给 VT2管正向偏置，使 VT2管进入导通和放大状态，而 VT1管又进入截止状态。 这种利用 NPN型和 PNP型三极管的互补特性，用一个信号来同时激励两只三极管的电路，称之为 “ 互补 ” 电路，由互补电路构成的放大器称为互补放大器电路。由于 VT1和 VT2管工作时，一只三极管导通、放大，另一只三极管截止，工作在推挽状态，所以称为互补推挽放大器。 nts 14 3.2 工作原理 闭合电源开关 SA，电路进入通电待工作状态。此时，由于晶体三极管 VT1的偏流电阻器 R1取值较大，所以 VT1处于不完全导通状态（趋于截止状态），其集电极输出电压高于 1/3VDD=1.5V（ VDD等于电源电压即 4.5V），与之相连的时基集成电路 A的低电压触发端第 2脚处于高电平，单稳态电路处于稳态，电容器 C两端通过 A的第 7、 1脚被 A内部导通的三极管短路， A的第三脚输出低电平， VT2、 VT3均无偏流而停 止，小电珠 H不发光。当夜间婴儿哭闹时，压电陶瓷片 B接 受到声波信号，并转换成为相应的微弱电信号。如图 3-2所示nts 15 该信号的正半周经晶体三极管 VT1放大后，从其集电极输出负脉冲电信号，时基集成电路 A的第 2脚即获得瞬间低于 1/3VDD=1.5V的低电平触发信号，是 A组成的单稳态电路受触发进入暂稳态（即延时状态）， A的第三脚输出高电平信号， VT2获得合适的偏激电流导通， VT3进入完全饱和导通状态，小电珠 H通电发出亮光。随着 A的第三脚变为高电平， A内部导通的三极管截止，解除了对电容 C的短路，电池 G即通过电阻器 R3向电容器 C开始充电。当 C两端充电电压（即 A的高电位触发端第 6脚电位）达到 2/3VDD=3V时，单稳态电路翻转恢复稳态， A内部三极管重新导通， C通过 A的第 7、 1脚放电，并被再次短路， A的第三脚输出低电平，导致晶体三极管 VT2、 VT3失去偏流而截止。小电珠 H断电自动熄灭。如果在 A的第三脚输出高电平， H发光的期间，按动一下复位按钮 SB，则 A的强制复位端第 4脚就会接地，单稳态电路即被强制复位， A的第三脚输出低电平， H立即熄灭，（可用于事情处理完毕后的提前关灯。） nts 16 3.3 电路工作特性 电路中，小电珠 H每次延时点亮的时间长短，取决于单稳态电路中电阻器 R3、电容器 C的时间常数，具体可通过公式 t=1.1*R3*C来估算。按图 3-1选择 R时点亮时间约为 5min。在晶体三极管 VT1电流放大系数 、 R1电阻值确定的情况下，通过改变 R2电阻值，可调整静态时 A的第 2脚电位高低，也就是说，通过适当调整 R2电阻值大小，可达到控制灵敏度的目的。 由晶体三极管 VT2、 VT3等构成的功率驱动放大电路，为何要采用图 3-3所示的由 NPN和 PNP两种三极管构成的互补型放大电路？这是因为采用前一种放大电路时，复合管的饱和管压降高达 .85V（为 VT2饱和管压降 0.15V和 VT3饱和管压降之和），小电珠 H工作时，两端电压只有4.5V-0.85V=3.65V，电池向 H的供电效率仅为 81%， H发光亮度自然不高，而采用后一种放大电路时由于 VT3饱和管压降仅为 0.15V，所以 H工作时两端电压可达到4.5V-0.15V=4.35V电池向 H的供电效率可达到 96.7%， H发光亮度几乎和采用三节干电池供电的手电筒亮度一样，供人们使用了。 nts 17 第四章：方案应用 4.1.制作与应用 焊接时注意：电烙铁外壳一定要良好接地，以免交流感应电压击穿 A内部的CMOS集成电路。 如果触发灵敏度太低，可通过适当增大电阻器 R2的阻值来加以调整；反之，如果嫌触发灵敏度太高，可通过适当减小 R2的阻值来加以调整。 R2阻值一般的选择范围为 10 150k。 R2阻值太大时该集成电路 A的第 2脚在静态时就已处于低电平（ 1.5V，单稳态触发器便不能正常工作，小电珠 H就会常亮不灭。如果嫌5min的延时时间太短，可通过适当增大 R3的阻值来加以调整。例如 R3的阻值分别为 300k、 560k、 1M、 2M和 3.3M时，所对应的延时时间依次为 0.5min、 1min、1.8min、 3.6min、 6min。 nts 18 4.2注释： 声音 -50分贝声音又多大？ 首先要了解什么是分贝： 分贝是声压级单位，是根据人耳的特性制定的，记为 d B 。用于表示声音的大小。 1 分贝是人刚刚能感觉到差异的声音，适宜的生活环境不应超过 4 5 分贝。 按普通人的听觉： 0 2 0 分贝 很静、几乎感觉不到； 2 0 4 0 分贝安静、犹如轻声絮语； 4 0 6 0 分贝一般、普通室内谈话； 6 0 7 0 分贝吵闹、有损神经； 7 0 9 0 分贝很吵、神经细胞受到破坏； 9 0 1 0 0 分贝 吵闹加剧、听力受损； 1 0 0 1 2 0 分贝难以忍受、呆一分钟即暂时致聋。 人们在室内正常讲话已大于 50分贝，而一般电扇最大风速时没有 50分贝。本小夜灯定制启动声音的标准是经过大量的实地试验才确定的，启动声音太大则不灵敏，又要影响他人。声音太小又过于灵敏，比如翻身的声音就启动，不需要它亮时也亮了。 现在小夜灯的声音标准是在距离小夜灯 3 5米内，轻咳的声音就能引发小夜灯发光。 延 时 -人们一次夜间的活动，比如喝水、开关窗户、上卫生间等 50秒的时间基本够用。如果定的时间短，虽然说它熄灭后有声音马上会再亮，但这种闪烁也会令人不舒服。 nts 19 4.3自动控制的说明 自动控制 是 以人的活动为中心的探测，有很多方式，例如声音、红外线、超声波等。对于其中的某一种来说，是可以能达到探测的作用，但又有它的局限性。就以红外线探测举例，做到人来灯亮，人走灯灭是没有问题的。但是，如果人始终在它的探测范围内，灯就会始终亮着。这样显然不符合夜灯的要求，如果用在过道灯的控制就会
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