声光控制照明灯的设计.doc

I 课课程程设设计计报报告告 题 目 声光控制照明灯的设计 系 别 物理与电子工程学院 年 级 专 业 光伏技术与产业 班 级 学生姓名 xx 学 号 指导教师 xxx 设计时间 II 目 录 1 设计任务与要求 1 2 设计方案与论证 2 2 1 方案一 2 2 2 方案二 2 2 3 方案三 3 2 4 各方案分析比较 3 3 电路设计与仿真 4 3 1 声控电路 4 3 1 1 模块电路及参数计算 4 3 1 2 工作原理和功能说明 4 3 1 3 器件说明 4 3 2 光控电路 5 3 21 模块电路及参数计算 5 3 2 2 工作原理和功能说明 6 3 2 3 器件说明 6 3 3 单稳态可重复触发延时电路 7 3 3 1 模块电路及参数计算 7 3 3 2 工作原理和功能说明 8 3 3 3 器件说明 8 3 4 电路仿真 11 3 4 1 仿真软件简介 11 3 4 2 仿真电路图 12 3 4 3 仿真结果 12 4 电路的制作与调试 14 4 1 电路安装 14 4 2 电路调试 15 4 2 1 调试步骤及测量数据 15 4 2 2 故障分析及处理 15 III 4 3 整机性能指标测量 15 5 小结 16 参考文献 17 附录 1 电路原理 图 18 附录 2 元器件清 单 19 IV 1 1 设计任务与要求 要求完成声控灯电路的设计 仿真 制作和调试 1 采用晶体管设计电路完成一个简易声控灯的设计 2 该电路夜间有声音信号时 照明灯 用 LED 发光管模拟 点亮 3 无声时延迟 5 秒后熄灭 4 如声音间隔小于 5 秒 则 LED 持续点亮 5 白天有声无声均不点亮 6 利用仿真软件 Multisim 仿真电路 并绘制电路的原理图 要求图 纸绘制清晰 布线合理 符合绘图规范 7 制作电路 完成电路的调试 测试和分析 8 完成课程设计报告 2 2 方案设计与论证 2 1 方案一方案一 电路主要由直流供电电路 控制电路 延时电路三部分组成 控制电路采用 基本数字逻辑单元进行设计 其中各个电路功能如下所示 直流供电电路由 D1 D4 组成桥式整流电路 交流 220V 电压经桥式整流桥 后变成脉动的直流电 供后续电路工作 控制电路由四与非门 CD4011 驻极体话筒 BM 光敏电阻 R5 三极管 9014 单向可控硅 SCR 等元器件组成 由 CD4011 的选定的输出端控制晶闸管的 关闭 从而控制整个灯的关灭 光敏电阻在白天时 电阻值小 CD40011 输出 永远为低电平 晶闸管为低电压 不导通 灯不亮 光敏电阻在夜晚时阻值大 光敏电阻与声音信号的有无一起控制 CD4011 的输出 夜晚当有声音时 声音信 号经过放大 与光敏电阻控制的 CD40011 输出为高电平 晶闸管导通 灯亮 无声音信号时 不亮 延时电路有电容 C 和电阻 R 的冲放电量控制 2 2 方案二方案二 声控灯电路主要包含四部分 分别为 电源电路 光控电路 声控延时电 路 晶闸管开关电路 其中电源电路主要为控制电路提供工作电压 本设计采用传统的电源电路 设计方法 即降压 整流 滤波 稳压 使电路输出12V直流电压供给控制电路 光控电路是根据光线的强弱来优先决定电灯的亮灭 该电路可以对声控延 时电路进行控制 在白天光线较强时 光控电路输出低电平将声控电路封锁 在晚上光线较弱时 光控电路输出高电平 则声控功能打开 本设计采用光敏 电阻和其他电阻组成的分压电路来控制 555 定时器的触发输入端 2 脚 并且将 555 定时器的 2 脚和 6 脚连接在一起 通过一电容接地 555 定时器的输出去控 制声控电路中的 555 定时器的复位端 声控延时电路主要在光线较弱时起作用 这主要是通过光控电路的输出来 控制的 在白天 该电路在光控电路的控制作用下 处于关闭状态 对任何声 3 音信号都不响应 在晚上 光控电路将该电路的功能打开 使得该电路能根据 外界声音信号作出相应的响应 经放大处理后的声音信号控制处于单稳工作模 式的 555 定时器来实现声控及延时功能 晶闸管开关电路受声控电路 555 定时器输出端的控制 当其输出低电平时 晶闸管截止 由于照明灯与晶闸管串联 所以灯熄灭 当其输出高电平时 晶 闸管导通 照明灯点亮 2 32 3 方案三方案三 电路由声控部分 光控部分 施密特触发器 可重复触发单稳态电路组成 声音进入话筒转变为电信号声音进入话筒转变为电信号经过一系列进入集 成块 LM358 中 在 LM358 内部 由 3 引脚进入运算放大器的信号产生的输出信号进入负反 馈网络 对于 LM358 内的比较器 当有光照的时候 光敏电阻的阻值降低 光敏电 阻两端的电压也随之降低 进入 LM358 的 5 引脚的电压小于一值 比较器无输 出进入 NE555 此时不工作 黑天无光时 电阻增大 两端电压增大 大于一 值 使比较器的输出为 1 NE555 正常工作 当反馈电路输出的电压 U 大于一值时 NE555 输出的下降沿信号到 74HC123 的 1A 1 引脚 和 1B 2 引脚 后 灯亮持续 5 秒 可重复触发 当反馈电路输出的电压 U 小于一值时 NE555 输出的上升沿信号到 74HC123 的 1A 1 引脚 和 1B 2 引脚 后 灯亮持续 5 秒 可重复触发 当无上升沿或下降沿时 5 秒后灯熄灭 2 42 4 各方案分析比较各方案分析比较 由于方案一电路设计过于复杂 需要两个 555 计时器 并且需要变压器实 现低电压来执行各个电路 所需要的元器件多 不易实现 可行性较差 而方 案二电路设计也过于复杂 需要整流管整流 并且需要晶闸管导通 电路设计 难度大 方案三简单方便 易于实现 同时电路稳定 所用元器件少 可行性 好 故选择三号方案 4 3 电路设计与仿真 3 13 1 声控电路声控电路 3 1 1 模块电路及参数计算 图 1 声控电路原理图 要使 LM358 的声控放大电路的放大倍数为 30 50 0 1 1 V RR R V f I 即 可选用 4 7K 150 此时算得 1 f 1 R R Av 1 R f R 9 32 v A 要使 LM358 的 2 脚和 5 脚的电压为 必须选用两对VVcc5 VVcc5 2 2 1 阻值一样的电阻 这里在 5 引脚选用 4 7K 在 2 引脚选用 1K 3 1 2 工作原理和功能说明 声音进入话筒转变为电信号与 R1 分压 经过 C2 10uf 电容进行信号筛 选 由电源提供 5V 直流电压 经过 R3 4 7K 电阻与接地的 R4 4 7K 电阻产生静态工作点 Q 2 5V 直流信号从 3 引脚进入集成块 LM358 中 5 3 1 3 器件说明 1 LM324 LM324内部包括有四个独立的 高增益 内部频率补偿的四运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 它的使用 范围包括传感放大器 直流增益模组 音频放大器 工业控制 DC增益部件和其 他所有可用单电源的运算放大器的场合 LM324其内部电路及管脚排布如图2所示 图 2 LM324 内部电路及管脚排布 2 驻极体话筒 驻极体话筒 驻极体话筒具有体积小 结构简单 电声性能好 价格低的 特点 广泛用于盒式录音机 无线话筒及声控等电路中 属于最常用的电容话 筒 由于输入和输出阻抗很高 所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作 为阻抗转换器 为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压 驻极体话 筒如图 3 所示 图 3 驻极体话筒 3 23 2 光控电路光控电路 6 3 2 1 模块电路及参数计算 图 4 光控电路图 当光线充足时 光敏电阻阻值很小 LM358 的 3 脚分压小 电压比较器输 出 1 脚为低电平 NE555 电路 4 引脚为低电平有效 此时不管 2 脚和 6 脚输入 为高或低 OUT 输出端直接复位为 0 74HC123 的 1 脚和 2 脚也为低 其 Q 端输 出也为低 Q 端为高电平 发光二极管负端为高 灯不会亮 当光线不充足时 光敏电阻阻值很大 LM358 的 3 脚分压大 故电压比较器反相输入 输出为高 电平 NE555 的直接复位端 4 脚无效 3 2 2 工作原理和功能说明 对于 LM358 内的比较器 当有光照的时候 光敏电阻的阻值降低 光敏电 阻两端的电压也随之降低 进入 LM358 的 5 引脚的电压小于 2 5V 比较器无输 出进入 NE555 此时不工作 黑天无光时 电阻增大 两端电压增大 大于 2 5V 使比较器的输出为 1 NE555 正常工作 3 2 3 器件说明 1 光敏电阻 光敏电阻 又叫光感电阻 是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随 入射光的强弱而改变的电阻器 入射光强 电阻减小 入射光弱 电阻增大 通常 光敏电阻器都制成薄片结构 以便吸收更多的光能 当它受到光的照射 时 半导体片内就激发出电子 空穴对 参与导电 使电路中电流增强 如图 5 所示 7 图 5 光敏电阻 2 LM324 LM324内部包括有四个独立的 高增益 内部频率补偿的双运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用 也适用于双电源工作模式 它的使用 范围包括传感放大器 直流增益模组 音频放大器 工业控制 DC增益部件和其 他所有可用单电源的运算放大器的场合 LM324其内部电路及管脚排布如图2所示 图 2 LM324 内部电路及管脚排布 3 33 3 单稳态可重复触发延时电路单稳态可重复触发延时电路 3 3 1 模块电路及参数计算 8 图 6 单稳态可重复触发延时电路 当光线充足时 光敏电阻阻值很小 LM358 的 3 脚分压小 电压比较器输 出 1 脚为低电平 NE555 电路 4 引脚为低电平有效 此时不管 2 脚和 6 脚输入 为高或低 OUT 输出端直接复位为 0 74HC123 的 1 脚和 2 脚也为低 其 Q 端输 出也为低 Q 端为高电平 发光二极管负端为高 灯不会亮 当光线不充足时 光敏电阻阻值很大 LM358 的 3 脚分压大 故电压比较器反相输入 输出为高 电平 NE555 的直接复位端 4 脚无效 这时若有声音信号通过驻极体话筒输入 通过电容滤波后输入 LM358 声控 放大电路 经放大后输入 NE555 的 2 脚和 6 脚 正弦波形被施密特变换为反相 矩形波 NE555 的 2 脚和 6 脚输入大于的电压 3 脚输出 OUT 由低变为高 cc V 2 1 74HC123 的 1 脚和 2 脚接收到一个上升沿脉冲 输入到 74HC123 单稳态触发器 后再次经波形变换 Q 端产生一个上升沿脉冲 由于 LED 接入 74HC123 的 Q 引 脚 故其在 Q 引脚是一个下降沿脉冲 此时发光二极管负端为低 灯会亮 亮时延迟时间为脉冲宽度 声音信号消失 Q 端上升沿维持 5s 后灯会自stw5 动熄灭 要使延时时间为 5s 即使 5s 选用 150的电阻和 47uF 的电容 2ln extextw CRt 即在 14 脚和 15 脚间接入 47uF 的电容 在 15 脚和间接入 150电阻 cc V 3 3 2 工作原理和功能说明 当反馈电路输出的电压 U 大于 2 3VCC 时 即 U 大于 3 33V 时 NE555 输出 的下降沿信号到 74HC123 的 1A 1 引脚 和 1B 2 引脚 后 灯亮持续 5 秒 可 重复触发 当反馈电路输出的电压 U 小于 1 3VCC 时 即 U 小于 1 67V 时 NE555 输出 的上升沿信号到 74HC123 的 1A 1 引脚 和 1B 2 引脚 后 灯亮持续 5 秒 9 可重复触发 当无上升沿或下降沿时 5 秒后灯熄灭 3 3 3 器件说明 1 NE555 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件 555 定时器 的电源电压范围宽 可在 4 5V 到 16V 工作 输出驱动电流约为 200mA 因而其 输出可与 TTL CMOS 或者模拟电平兼容 555 定时器成本低 性能可靠 只 需要外接几个电阻 电容 就可以实现多谐振荡器 单稳态触发器及施密特触 发器等脉冲产生与变换电路 NE555 是一种应用特别广泛作用很大的集成电路 在很多电子产品中都有 应用 NE55 的作用是用内部的定时器来构成时基电路 给其他的电路提供时序 脉冲 NE555 内部结构及引脚排如下列图 7 所示 图 7 NE555 的内部结构及引脚排列 2 74HC123 74HC123 是一款高速 CMOS 器件 74HC123 引脚兼容低功耗肖特基 TTL LSTTL 系列 74HC123 遵循 JEDEC 标准 no 7A 74HC123 是双路可再触发单稳多谐振荡器 可通过多达 3 种方式实现输出 脉宽控制 74HC123 的 nA 和 nB 输入带施密特触发功能 使得电路对缓慢的输 入上升和下降具备更高的容差性 74HC123 参数 74HC123 基本参数 电压 2 0 6 0V 驱动电流 5 2 mA 传输延迟 26 ns 5V 74HC123 其他特性 逻 辑电平 CMOS 功耗考量 低功耗或电池供电应用 74HC123 封装与引脚 SO16 SSOP16 DIP16 TSSOP16 74HC123 特性 DC 通过高有效或低有效输入触发 可再触发 以适应超 长脉冲 最高可达 100 占空比 可直接复位 终止输出脉冲 除了复位输入 所 10 有输入带有施密特触发功能 ESD 保护 HBM EIA JESD22 A114 C 超过 2000 V MM EIA JESD22 A115 A 超过 200 V 温度范围 40 85 40 125 器件中单稳触发器作用是不管触发信号持续多长时间 只固定维持外围阻 容给定的一段时间就恢复触发前状态 外围电阻电容决定单稳时间 因为触发 是由边缘触发 上升或下降沿 可再触发单稳不同之处是前次触发后的单稳没 有恢复触发前状态而又有触发信号时 可再触发单稳将在触发边缘开始继续维 持阻容给定的单稳时间 而单稳是不理会在翻转后的触发信号的 此芯片也可 做多谐振荡器用 74HC123 的引脚排列 内部结构及功能表如图 8 9 及表 1 所示 图8 74HC123 引脚图 11 图9 74HC123内部结构 表 1 74HC123 功能表 74HC123 单稳态触发器 它有两种输入 A 为低电平有效 B 为高电平有效 有两种输出 正好相反 用外接的电阻电容作定时元件 时间自己定 比 74LS 电路易用 单稳态触发器 74HC123 及外围电路来实现该功能 74HC123 为双可 重复触发的单稳态 其输出脉冲的宽度主要取决于定时电阻 R 与定时电容 C 脉宽的计算为电容值与电阻值的乘积即 WP R C 在实际设计中 R 5kW C 80pF 输出脉宽为 400ns 幅度约 5V 脉冲快沿放大与射极跟随输出 电路 主要作用是对整形与展宽后的触发脉冲进行加速和放大 以便得到有较 高幅度和较快上升沿的脉冲信号去触发场效应管 2SC3306 3 发光二级管 发光二极管简称为 LED 由镓 Ga 与砷 AS 磷 P 的化合物制成的 二极管 当电子与空穴复合时能辐射出可见光 因而可以用来制成发光二极管 在电路及仪器中作为指示灯 或者组成文字或数字显示 磷砷化镓二极管发红 光 磷化镓二极管发绿光 碳化硅二极管发黄光 它是半导体二极管的一种 可以把电能转化成光能 发光二极管与普通二 极管一样是由一个 PN 结组成 也具有单向导电性 当给发光二极管加上正向电 压后 从 P 区注入到 N 区的空穴和由电子 在 PN 结的附近分别与 N 区的电子和 P 区的空穴复合 产生自发辐射的荧光 不同的半导体材料中电子和空穴所处 的能量状态不同 电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的 释放出的能 量越多 则发出的光的波长越短 常用的是发红光 绿光或黄光的二极管 如 12 图 10 所示 图 10 发光二极管 3 43 4 电路仿真电路仿真 3 4 1 仿真软件简介 Multisim本是加拿大图像交互技术公司 Interactive Image Technoligics简称IIT公司 推出的以Windows为基础的仿 真工具 被美国NI公司收购后 更名为NI Multisim 而V12 0是其 即 NI National Instruments 最新推出的Multisim最新版本 NI Multisim 12具有较为详细的电路分析功能 可以完成电路的瞬态分析 和稳态分析 时域和频域分析 器件的线性和非线性分析 电路的噪声分析和 失真分析 离散傅里叶分析 电路零极点分析 交直流灵敏度分析等电路分析 方法 以帮助设计人员分析电路的性能 3 4 2 仿真电路图 图 11 声控灯仿真原理图 13 3 4 3 仿真结果 图 12 电路仿真结果图 图 13 声控灯电路仿真结果图 当白天时可调电阻最小 无论声音信号有无 灯皆不亮 当黑夜时可调电阻任意 但不是最小 此时声音信号频率 振幅达到一区域 值 灯亮 随着振幅逐渐减小 灯灭 14 4 电路的制作与调试 4 14 1 电路安装电路安装 15 图 14 电路安装完图 首先先将元器件中声控电路部分全部安装在是电路板上 依次连接电线 接 着依上分别把其他电路全部安装连接完 然后调节电源电压 调至需要的电 压 最后将电源与电路连接 并按要求改变各参数以观察 检测电路是否符 合要求 4 24 2 电路调试电路调试 4 2 1 调试步骤及测量数据 1 调试白天电路工作情况 调节滑动变阻器R4为较小值时 模拟白天 按下电源开关 发出声音 16 相当于驻级接受到声音信号 灯泡不发光 调试结果符合电路原理 在调 试的时候 用直流电压表测试各关键点的电位 验证与理论值相符合 2 调试夜晚电路工作情况 调节滑动变阻器R4为较大值时 模拟夜晚 按下电源开关 发出声音 即驻级接受到声音信号 灯泡发光 然后马上停止发声 灯在5秒后灭掉 即通过调试结果可以观察到灯亮 且能延时5秒左右 如果声音不断快速 在5 秒内 发出 灯会持续亮 直到最后一次断开5秒后 灯熄灭 4 2 2 故障分析及处理 故障一 第一次调试电路时 发现各部分接触良好 元器件位置正确 但 是发声 灯不亮 处理方法 经过检查 发现 LED 灯有损坏 经调换后 灯亮 故障二 解决麦克风问题后 进一步测试电