声光控延时开关电路.doc

电子系统课程设计题目：声光控延时开关电路院系：信息工程学院专业： 自动化学号： 3110000000姓名： 杨指导老师：王1 目的和意义声光控制指通过利用声音以及光线的变化来控制电路实现特定功能的一种电子学控制方法。其目的主要是：为解决世界能源危机提供一点帮助。有助于我国实现可持续发展，构建节约型社会，造福于子孙后代，造福于全人类。意义：主要的意义在于省电：虽然一个灯泡耗不了多少电，但是一个学校，一个地区，一个城市的灯泡的耗电量却是不容忽略的，因此节电效率很高。其次是智能化：不需要人工去管理，实现全自动开关。本人所做的作品为一个声光控延时开关电路，用到的主要器件有：咪头，CD4011,三极管9013，发光二极管，光敏电阻，1N4007以及一些电阻和电容。本电路实现了如下功能：当咪头采集到足够强度的声信号而且外界光线足够暗（模拟黑夜），则发光二极管发光，发光二极管发光一段时间之后自动关闭；当咪头采集到足够强度的声信号，但是外界光线很强（模拟白天），则发光二极管不发光。本系统用不高于36V的供电模拟了生活中的声光控延时开关。2 方案的论证和设计2.1 具体电路的设计和参数的计算首先根据任务的要求列出真值表：以A表示声信号，以1表示采集到足够强的声信号，0表示采集不到声信号；以B表示光强，以0表示光强很强，以1表示光强很弱；以Y表示输出，以输出1表示关闭LED，以输出0表示开启LED。真值表如下。声信号（A）光强（B）输出（Y）001011101110由此可得出逻辑表达式：Y=AB + AB+AB根据数字电路知识化简可得： Y= A+ B选用器件CD4011实现以上功能。CD4011是一个四2输入与非门，即有四路2个输入端口的与非门器件。对照真值表，只要在2个输入端口同时输入逻辑“1”输出端口则会输出“0”点亮LED灯。因此使用第一路与非门实现这个功能，即在1A输入声信号，1B输入光信号，1Y输出。由于声信号通过咪头采集，电压太小，CD4011无法识别为高电平，故通过一个NPN共发射极放大电路使信号，放大再输入CD4011。另一方面，光敏电阻在受到强光时，电阻阻止迅速下降，可小至1K以下，在无光时，呈高阻态，其阻值高达1.5M以上，经过分析，通过串联一个220K电阻把光信号送入CD4011。此部分电路图以及分析如下：如上图，首先计算1A点的逻辑电位：（1）晶体管Q1截止：UA= Vcc-usR3+ R2 R2（2）晶体管Q1导通：UA=0其中us为信号源，即咪头的输入。经过查阅CD4011的芯片手册得知，CD4011输入的电压是电源电压的70%100%时，为高电平。本系统采用3V供电，所以最低被认定为高电平的电压是UH=VCC70%=3V 70%=2.1V当有声信号从b1（咪头）输入，由于声信号是交流信号，当声信号为负时通过耦合电容输入到晶体管的基极，三极管反偏截止1A点的电位可以通过（1）计算得出，当us0.1623v时，向CD4011输入高电平。当声信号0.1623us0.7v时，晶体管Q1导通，UA=0v，向CD4011输入低电平。所以只有当有声信号时才会向CD4011输入高电平。接着计算1B点的逻辑电位：根据电阻串联分压的原理不难得出：UB=Vcc GR4+G当外界为光亮环境时，光敏电阻G阻值下降到513K以下时，向CD4011输入低电平；当外界为黑暗环境，光敏电阻G阻值上升超过513K时，向CD4011输入高电平。所以当外界黑暗，且有声信号时，1A和1B同时输入高电平，1Y输出一个逻辑“0”。本系统还要一个要求是：当LED点亮之后，需要延时一段时间再关闭。经过全面分析，最终决定使用RC振荡电路来实现此功能。具体实现步骤思路是：把CD4011的2A和2B输入短接起来，3A和3B短接起来，构成两路非门。把1Y的低电平输入至2A和2B，此时2Y输出高电平，在输出端加入一个RC振荡电路来延时高电平，同时把高电平输入至3A和3B，此时3Y输出低电平，接入发光二极管的阴极，发光二极管的阳极通过一个限流电阻接入电源的正极。从而完成延时的任务。具体原理图和电路计算如下。如上图，2A和2B短接构成非门，3A和3B短接构成非门，1Y输入到2A和2B中。当1Y为逻辑“0”时，即LED需要点亮时，2Y输出逻辑“1”，2Y通过一个二极管分成两条支路，一条支路输入到3A和3B中，另一条支路接一个RC振荡电路。此时经过非门3Y输出逻辑“0”，二极管两端压降大于导通电压，发光二极管点亮。当2Y输出0时，电容C2开始向3A和3B放电，以保持3Y输出低电平，点亮LED，二极管D1在此时起作用。根据二极管的单向导电性，C2不会向2Y放电，从而避免了器件的损坏。延时时间的计算：t=-R5 C2ln（Vcc- VHVcc）本系统R5 取值1M，C2为4.7uF。t的理论计算为 t = 6.84s。2.2 电路性能测试与结果分析经过画原理图，PCB图，通过热转印法制作印制电路板，焊接和调试等步骤，作品最终完成，并且满足以下功能：（1） 当外界条件光亮，有足够大的声音信号输入时，LED灯不亮。（2） 当外界条件光亮，无声音信号输入时，LED灯不亮。（3） 当外界条件黑暗，无声音信号输入时，LED灯不亮。（4） 当外界条件黑暗，且有足够大的声音信号输入时，LED灯点亮，且延时数秒后自动熄灭。结果分析：作品最终完成课题要求的功能，且与理论分析的结果相同。作品实物图：正面图背面图2.3调试过程遇到的问题与解决的方法遇到的问题1：无论如何调节亮度，LED灯都亮着。解决办法：把R4的阻值更还成220K。3 课程设计体会通过本次课程设计，我学会了用课堂上的理论知识解决实际的问题，例如逻辑电路的计算，电路的设计；在查阅资料的时候，我学会了看英文版本的芯片资料；在面包板的搭建电路，以及后期用热转印法制作PCB的时候，我的动手能力得到加强，并且熟练地掌握了万用表，示波器，函数发生器和电烙铁的安全使用方法；在绘制电路原理图的时候能够全方面地考虑电气特性，在绘制PCB图的时候，充分考虑了元器件的摆放=问题锻炼了