声光控开关的制作.doc

感测技术课程设计报告 感测技术课程设计报告设计课题: 声光控开关的制作 姓 名: 学 院: 物理与电气信息工程学院 专 业: 自动化 班 级: 2010级（1）、（2）班 学 号:201001071620、201001071636、201001071645日 期 2012年 2月30日2012年6月30日 指导教师: 1. 设计的任务和要求21.1设计目的21.2设计指标22. 方案设计与论证32.1含555定时器、光敏三极管、双向可控硅的声光控电路32.2运用制成声光控电32.3声光控开关 IC CD4011应用电路43. 设计原理及电路图43.1设计原理43.2电路图53.3模块说明53.3.1整流模块53.3.2放大模块53.3.3驱动模块和声光控开关模块53.3.4延时模块64. 主要元件功能介绍64.1 CD401164.1.1 CD4011引脚图及引脚64.1.2 CD4011内部结构74.2 可控硅74.3 光敏电阻84.4 驻极体话筒94.5独石电容94.5.1温度补偿类NPO电介质94.5.2高介电常数类X7R电介质104.5.3半导体类Y5V电介质104.6电解电容105.注意事项和电路调试115.1实验安全115.2电路调试116.实验体会117.元器件清单12参考文献：12 声光控开关的制作1. 设计的任务和要求声光控电路是一种用光电传感器制作的能测量光线强弱的装置，用声音检测装置检测声音，使光线小到一定程度并且有声音激励时，能输出控制信号来控制一路信号的通与断。利用这个原理制作成光控开关并应用就成了我们熟悉的声光控灯。随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命变得越来越重要。声光控电路已成为人们日常生活中的必需品，它不需要开关，当有人经过时会自动点亮；它被广泛应用于各种公共场所，给人们的生活、带来了极大的方便。声光控开关是声音和光控制电路工作的电子开关。它将声音（如击掌声）和光转化为电信号，经放大、整形，输出一个开关信号去控制各种电器的工作，在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。我们在此次课设里就是要完成这样的一个声光控电路。 1.1设计目的 1. 掌握三极管的概念及相关物理量。 2. 认识声光控开关电路的结构和原理 3. 熟练掌握三极管的参数、作用及测量方法。 4. 了解效应管、可控硅等元件的作用及测量方法。 5. 掌握放大电路的简单分析。 6. 培养独立分析电路的能力。 1.2设计指标 整个电路由电源电路，放大电路，处理电路（声控电路、光控电路）及延时电路等部分组成。电源由家用220伏交流电源供电，光敏控电路对外界光亮程度的感应相对应的电压信号。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，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而要实现自动控制，延时电路声音消失后延长一段光照时间。以增强电路的实用性。 1）电路稳定性和可靠性要高。这是控制电路性能的最基本要求，否则自控能力弱，严重时会失去自动控制功能。 2）功耗要小。控制电路一直接于交流220伏电路上，若功耗特别是静态功耗大，则不利于节能，甚至还会大大缩短控制电路的寿命。 3）灵敏度要能调节。这是控制电路正常工作时，对声光控制信息信号的最低要求，控制信号的灵敏度应满足不同的环境要求。 4）带负载能力要强。被控灯的功率不尽相同，因此要求控制电路的一定范围的驱动能力。 5）触发延时时间要能按要求调节。2. 方案设计与论证 2.1含555定时器、光敏三极管、双向可控硅的声光控电路简要分析其优点：此声、光同时控制的新式照明灯用光敏三极管的输出端控制555的触发控制端，用音频放大电路控制555的复位端。555定时器接成单稳态触发器，控制双向可控硅，简单易制、成本低、节电又方便。原理图设计：设计中考虑到光敏电阻的阻值随电压升高有规律的下降，而蜂鸣器则用驻极体话筒代替。具体原理如图: 555定时器接成单稳态触发器，控制双向可控硅，当555定时器输出高电平，触发可控硅导通，灯泡亮，当555定时器输出低电平时，可控硅未导通，灯泡灭。电路由l0V稳压直流电源供电。为使声光同时控制，将光敏三极管的输出端控制555的触发复位端，音频放大电路控制555的触发端。缺点：在：该电路在声强50dB时，对照明灯的有效控制率高于94，过于敏感。很小的声音也会促使灯发光，会造成能源的浪费。 2.2运用制成声光控电简要分析其优点：声光控延时开关的电路原理图见图所示。电路中的主要元器件是使用了数字集成电路，其内部含有4个独立的与非门vd 1vd4，使电路结构简单，工作可靠性高。图为设计原理图陶瓷压电蜂呜片B把声音变成直流控制电压。通过光敏电阻的改变，使电位发生改变，从而控制晶闸管的通断，从而达到使灯自动熄灭的目的。缺点：降压功能不强，对晶闸管的冲击电流大，对灯泡的寿命有影响。 2.3声光控开关 IC CD4011应用电路 简要分析其优点：其采用集成块IC CD4011，制作起来成本低、并且节电又方便。同时，对声音的灵敏度适中，并且原件容易设计。小结：在综合了以上三种电路的优缺点后，我们决定采用第三种方案。3. 设计原理及电路图 3.1设计原理220V的市电经过灯泡和全桥整流后一路加在单向可控硅MCR 100-6上，另一路经R8限流后给本电路供电。由于一开始可控硅无触发信号，呈关断状态，灯不亮。C3为主滤波电容，四个二极管整流桥给本电路提供稳定的工作电压。Q1、R2、R3组成前级电压放大电路，对话筒MIC送来的微弱信号进行放大，然后再送入四输入与非门CD4011芯片进一步放大，经C2的正极给其充电，很快C2上就充到了门电路的翻转电压，无光时，当有声音信号时，芯片1高电平，2高电平，则通过R6输出信号为高电平使可控硅导通，电灯点亮。在这个过程中，声音信号只需一个瞬时即可，这是因为，当声音信号来时，C2上的电压很快就充到了电源电压，而这时即使声音信号消失， C2只能通过R5进行放电，所以C2上将维持一段时间的高电平，这个高电平将维持单向可控硅导通，这就是延时的效果，灯亮后所能延时的长短取决于C2上维持高电平的时间长短，所以选择C2的大小，可以控制延时的长短。当C2上的电压低时，3Y输出高电平，4Y输出低电平，单向可控硅的控制端没了触发信号截止，灯熄灭。 有光时，1B输入为低电平，不论1A为高低电平，最后4Y输出都是低电平，即可控硅MRC100-6都截止，则灯不亮。 3.2电路图 3.3模块说明 3.3.1整流模块 四只整流二极管D1D4J接成电桥的形式，固有桥式镇流之称，如下图。在正半波电流通过电灯由线路3-2-可控硅再返回负极，在副半波时候电流通过4-1-2-可控硅再返回电源正极，于是达到镇流作用，使交流电变成直流电。 3.3.2放大模块 通过一个三极管，使接受到的微弱点信号通过放大能明显作用于电路。如下图： 3.3.3驱动模块和声光控开关模块 本电路图在通过放大时也需要驱动电路并且和声光控开关同事运用，因此采用CD4011，即一举两得。 3.3.4延时模块当声音消失后需要灯泡延时亮一定时间，在本电路中采用RC延时电路 延时时间为T=RC4. 主要元件功能介绍 4.1 CD4011 CD4011内部由四2输入端与非门单元电路构成，采用N和P沟道增强型MOS晶体管提供的对称电路，具有很高的抗干扰度。逻辑表达式：Y = A.B。 4.1.1 CD4011引脚图及引脚 管脚功能：1A 数据输入端、2A 数据输入端、3A 数据输入端、4A 数据输入端、1B 数据输入端、2B 数据输入端、3B 数据输入端、4B 数据输入端、VDD 电源正、VSS 地、1Y 数据输出端、2Y 数据输出端、3Y 数据输出端、4Y 数据输出端 4.1.2 CD4011内部结构：CD4011内部由4个2输入端与非门单元电路构成，采用N和P沟道增强型MOS晶体管提供的对称电路，具有很高的抗干扰度。 4.2 可控硅可控硅是可控硅整流器的简称。它是由三个PN结四层结构硅芯片和三个电极组成的半导体器件。可控硅的三个电极分别为阳极(A)、阴极(K)和控制极(G)。当器件的阳极接负电位(相对阴极而言)时，从符号图上可以看出PN结处于反向，具有类似二极管的反向特性。当器件的阳极加正电位时(若控制极不接任何电压)，在一定的电压范围内，器件仍处于阻抗很高的关闭状态。但当正电压大于某个电压(称为转折电压)时，器件迅速转变到低阻通导状态。加在可控硅阳极和阴极间的电压低于转折电压时，器件处于关闭状态。此时如果在控制极上加有适当大小的正电压(对阴极)，则可控硅可迅速被激发而变为导通状态。可控硅一旦导通，控制极便失去其控制作用。就是说，导通后撤去栅极电压可控硅仍导通，只有使器件中的电流减到低于某个数值或阴极与阳极之间电压减小到零或负值时，器件才可恢复到关闭状态。其结构图如下：下图为可控硅管教辨别方式 4.3 光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。其结构图如下： 4.4 驻极体话筒驻极体话筒简称ECM，通称MIC（Microphone），是一种常用的能将声音信号转换成电信号的声电转换器件。它的突出特点是体积小、重量轻、结构简单、使用方便、寿命长、频响宽、灵敏度高，且价格也比较低廉。因而被广泛应用于盒式录音机、无线话筒及声控开关等电子电路中。驻极体话筒的核心器件是驻极体振动膜。它实际上是一种经永久性极化处理的电介质。其制作原理是，将一片极薄的塑料膜片的一面蒸发上一层纯金薄膜，然后将其置于高压电场之下驻极，使两面分别驻有能长期保持的异性电荷。膜片的蒸金一面向外，与金属外壳相连通，膜片的另一面与金属极板之间用很薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间便形成了一个电容。当驻极体膜片受到声波作用而振动时，就引起电容两端的电场发生变化，从而产生随声波变化的交变电压信号。其结构及常见图如下： 4.5独石电容独石电容器是多层陶瓷电容器的别称，根据所使用的材料，可分为三类 4.5.1温度补偿类NPO电介质这种电容器电气性能最稳定，基本上不随温度、电压、时间的改变，属超稳定型、低损耗电容材料类型，适用在对稳定性、可靠性要求较高的高频、特高频、甚高频电路中。 4.5.2高介电常数类X7R电介质由于X7R是一种强电介质，因而能制造出容量比NPO介质更大的电容器。这种电容器性能较稳定，随温度、电压时间的改变，其特有的性能变化并不显著，属稳定电容材料类型，使用在隔直、耦合、傍路、滤波电路及可靠性要求较高的中高频电路中。 4.5.3半导体类Y5V电介质这种电容器具有较高的介电常数，常用于生产比容较大、标称容量较高的大容量电容器产品。但其容量稳定性较X7R差，容量、损耗对温度、电压等测试条件较敏感，主要用在电子整机中的振荡、耦合、滤波及傍路电路中。在本次设计中我们只需要进行对耦合的独石电容并且电路的频率并不高，因此只需选择 第三种就可以。 4.6电解电容电解电容是电容的一种，介质有电解液，涂层有极性，分正负，不可接错。电容(Electric capacity)，由两个金属极，中间夹有绝缘材料（介质）构成。原理：电解电容器通常是由金属箔（铝/钽）作为正电极，金属箔的绝缘氧化层（氧化铝/钽五氧化物）作为电介质，电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。铝电解电容器的负电极由浸过电解质液（液态电解质）的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成；钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰，均以电解质作为负电极。并且分为有极性电解电容和无极性电解电容，有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用，无极性电解电容器通常用于音箱分频器电路、电视机S校正电路及单相电动机的起动电路。因此在本电路主要应用于时间常数的设定， 因此选用有极性电解电容。 4.7 9014 三极管：NPN集电极-发射极电压 45V ；集电极-基电压 50V；射极-基极电压 5V；集电极电流 0.1A； 耗散功率 0.4W；结温 150；特怔频率 最小 150MHZ；放大倍数：A60-150 B100-300 C200-600 D400-10005.注意事项和电路调试 5.1实验安全 平常我们做的课设或是小实验用的电源大多是干电池，对安全没有什么影响，但本次试验电路中通的是220V交流电，属于高压，因此在验证、调试电路是要注意安全，通电后注意绝缘，禁止人体直接接触电路板。此外，电烙铁工作时温度可达到300度，所以在使用电烙铁时也要注意安全。 5.2电路调试在实验电路板完成后出现了无论何种条件下灯都不亮的情况。经过各电位测量发现可控硅控制极错接致使其一直保持低电位，导致发光回路不导通，灯泡不发光，后修改电路连接解决了问题。在解决了灯泡不发光问题后，电路实现了其正常功能，暗光有声情况下发光，其他情况下不发光，发光持续一分三十五秒左右。但是接下来发现电路不稳定，总是一会好用一会不好用。具体表现为插上电源灯就亮，然后持续发光或是一会后自动熄灭；电路正常驱动后灯泡持续不灭。继续检测后发现某些时候在无声条件下CD4011中应该同时保持高电位的5、6号管脚中6号管脚是低电位，检测后发现是因为虚焊致使6号管脚接触不良，致使4号管脚无声条件下也能输出高电位，从而导致电路异常。重新修改电路后问题全部解决，电路可以保证正常工作。至此我们关于声光控开关的制作课设主体部分结束，课设成功。6.实验体会声光控制开关的制作其实是一个较为简单的课程设计。它所用到的电子元件都是些常用元件，电路原理也较为简单，好理解，所以整个的制作过程也较为顺利。其中遇到过一些小问题，比如：元器件的购买，我们先是去了实体店，可是老板嫌配件太过繁琐不卖，后来我们选择了网购，成