传感器课程设计——声音传感器应用电路设计.doc

东北石油大学 课 程 设 计 2011 年 7 月 22 日 课 程 传感器课程设计 题 目 声音传感器应用电路设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 测控二 10 1 学生姓名 高超 学生学号 100601220112 指导教师 殷海双 宋金波 任务书 课程 传感器课程设计 题目声音传感器应用电路设计 专业 测控技术与仪器 姓名 高超 学号 100601220112 主要内容 主要内容 根据所学的传感器原理与应用和 Protel 软件应用等知识 设计一个基于声音 传感器的声光控延时电路 实现声控开关灯 并延时的电路 白天光照好 无论 过路者发出多大声音 都不会是灯泡发亮 夜晚光暗 电路的拾音器只要检测到 有碎发声响 就会自动亮为行人照明 过数十秒后又自动熄灭 节能节电 基本要求 基本要求 1 明确设计题目 确定方案 2 单元电路的设计和元器件的选择 要列出元器件清单 3 利用 Protel 软件画出完整的电路原理图和必要的波形图 4 计算出各元器件的主要参数 并标在电路图中恰当的位置 主要参考资料 主要参考资料 1 李文革 赵凌云 常用传声器的分类 结构及工作原理 J 科技信息 2006 10 47 97 2 代庆瑜 季振洲 声音传感器节点的设计 J 微计算机信息 测控自动化 2006 22 5 1 146 147 3 徐海英 蒋永梁 光纤麦克风传感探头的设计研究 J 传感技术学报 2004 4 716 719 4 邴志刚等 计算机控制 基础 技术 工具 实例 M 北京 清华大学出版社 北 京交通大学出版社 2005 完成期限 2011 7 13 2011 7 22 指导教师 专业负责人 2011 年 7 月 12 日 传感器课程设计 摘 要 本文主要设计声光控延时电路 文中介绍了多种声光控路灯控制器的组成 性能 适用范围及工作原理 给出各电路原理图及元件参数选择 节电效果十分 明显 同时也大大减少了维修量 节约了资金 使用效果良好 声光控是通过光 敏电阻来实现的 当光敏电阻在背光的的时候灯就会慢慢的熄灭 此时行人已经 通过 白天光照好 无论过路者发出多大声音 都不会是灯泡发亮 夜晚光暗 电路的拾音器只要检测到有碎发声响 就会自动亮为行人照明 过数十秒后又自 动熄灭 节能节电 关键词 电路放大 延迟电路 传感器 光敏电阻 声音传感器 传感器课程设计 目 录 一 设计要求一 设计要求 1 1 1 功能与用途 1 2 课题意义 1 3 发展现状 2 二 方案设计二 方案设计 2 2 三 传感器工作原理三 传感器工作原理 4 4 四 电路的工作原理四 电路的工作原理 5 5 五 单元电路设计 参数计算和器件选择五 单元电路设计 参数计算和器件选择 6 6 1 单元电路设计 6 2 参数计算 7 3 器件选择 8 六 六 总结总结 9 9 传感器课程设计 1 声音传感器应用电路设计 一 设计要求 1 功能与用途 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 而且贴近我们的实际生活 声光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品 它不需要开关 当有人经 过时会自动的亮 广泛应用于走廊 楼道招待所等公共场所 给人们的生活 带 来极大的方便 因此 得到了广泛的应用 声光控电路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 由于 本电路广泛应用于人们的日常生活中 所以 有很大的重用作 用 随着现代科技的高速发展 照明灯的需求也在不断地发展 人类有意识地采 用各种方法改进它 照明 不仅改变了人们 日出而作 日落而息 的生活方式 也丰富了我们的精神世界 是的 也许你不禁要问 为什么一个小小的照明灯 有如此神奇的功效 我想这要归功它的结构及发明原理啊 这当中到底包含了 多少值得我们去探索 发现的奥秘呢 带着这个问题 我会从我的设计中给你答 案 2 课题意义 通过这次的课题研究我希望在理清它的发展脉络上进一步了解它的发明原理 将平时所学习的知识运用到实验探索上 这对提高我的动手能力 创新意识及锻 炼思维活动无疑是一个莫大的帮助 同时我也希望这次的设计能让同学们进一步 地了解照明灯 而不是仅局限于课本知识以内 从小的突破点入手 掌握又一项 科技知识 从而实现课堂外的又一次提高 为现代教育科学尽一份力量 用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关 只有在天黑以后 当有人 走过楼梯通道 发出脚步声或其它声音时 楼道灯会自动点亮 提供照明 当人 们进入家门或走出公寓 楼道灯延时几分钟后会自动熄灭 在白天 即使有声音 楼道灯也不会亮 可以达到节能的目的 声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼 道 而且也适用于工厂 办公楼 教学楼等公共场所 它具有体积小 外形美观 制作容易 工作可靠等优点 适合于各种楼房走廊的照明设备 降低能耗 节 约能源 注重环保是当今世界的主潮流 高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来 传感器课程设计 2 越不受欢迎 继公布 欧盟后年封杀白炽灯 的时间表后 世界各地陆续抛弃白炽 灯已成定局 环保型节能荧光灯是白炽灯的替代者 节能荧光灯 VS 白炽灯 胜券在握已无悬念 但楼道照明却限制了荧光灯的 使用 因为楼道照明是非持续性的 有人经过才需要光亮 而不断的开关通断会 影响荧光灯的使用寿命 所以声光控白炽灯在楼道照明领域得到广泛应用 3 发展现状 由于近年来我国的照明器材行业的迅速崛起 中国已经成为电光源产品的主 要输出国之一 照明器材行业属一般性竞争行业 是我国轻工业对外开放较早的 行业之一 WTO 后 国际上一些知名品牌大企业相继进入国内产销领域 使得 国内竞争国际化 努力增加节能光源和不同档次 花样 不同用途的照明器具的 开发 加快绿色 节能光源产品的开发推广和应用是我国目前照明器材行业结构 调整的重点 我国照明器材行业将面临着前所未有的机遇和挑战 而由此带来的 巨大商业利益也成为一些企业瞩目的焦点 随着全球经济一体化 发达国家产业调整的步伐进一步加快 一般照明电器 产品生产大量向发展中国家转移 而中国又是一个比较适合的国家 一是中国具 备生产这些产品的条件 二是劳动力成本比较低 从而使中国逐步成为照明电器 产品出口大国 展望未来的国内市场 需求仍会呈逐年增长趋势 以上强力因 素都预示着我国照明市场仍有很大的潜力可挖 基础设施建设方面 机场 铁路 港口 城市轨道交通等讯速发展 每一项工程均需要照明 城市亮化工程方面 城市广场 绿地 道路 建筑物泛光照明 已从大城市发展到中小城市 根据国内外市场需求预测 我国照明电器行业的高速增长期还将继续 对未 来的预测如何更加科学化是我们面临的问题 进一步提高照明产品的质量和档次 进一步提高照明产品的质量和档次 这既是当前摆在我们面前的课题 同时也是 全行业共同努力的长期目标 就国内市场需求而言 人们生活水平逐步提高 对 生存环境质量的要求也越来越高 对照明电器产品提出更高的要求 新的建筑照 明标准已完成制订工作 即将批准执行 新标准基本与国际接轨 对不同场合的 照明提高了要求 也需要我们生产企业适应新标准的要求 为各类照明场所提供 相应的产品 二 方案设计 根据设计要求 提出以下三种设计方案 1 利用门电路来完成声光控的调节 电路图如图 1 所示 传感器课程设计 3 图 1 门电路声光控延时照明灯电路 2 采用 LM324 运算放大器制作而成的声 光控楼梯走道延迟照明开关 采 用二线制接法 可以直接取代普通照明开关 而不必更改室内原有布线 图中 接成四只电压比较器的运放 A1 A4 可采用一块单电源四运放集成电路 LM324 其他元件如图所示 无特殊要求 电路图如图 2 所示 图 2 运放集成电路 LM324 完成声光控延时照明灯电路 3 使用了数字集成电路 CD4011 其内部含有 4 个独立的与非门 VD 1 VD4 使电路结构简单 工作可靠性高 电路图如图 3 所示 传感器课程设计 4 1 1 2 2 3 3 6 6 7 7 8 8 9 9 10 10 11 11 12 12 13 13 14 14 4 4 5 5 CD 4011ICVD 1 VD 4 R1 120K R2 47K R4 22M R5 1M R3 47K R7 470K R8 5 1M 1 2 3 4 VD 1 VD 4 IN 4011 C1 100u L LA MP T 100 6 VD 5 IN 4001 VT 9014 C3 10u Rg 625A R6 10K C2 10u AC 220 BM 54 2dB 图 3 利用 IC CD4011 声光控延时照明灯电路 在这几个方案中 由于我在学校学了数字电路和门电路 而且这个方法比较 简单 又实用 能充分体现出我在校期间对所学知识掌握的程度 所以我选择了 第三种方案 三 传感器工作原理 本设计使用的声音传感器为电容式传感器 电容传声器核心是平板电容器 振动膜片是一片表面经过金属化处理的轻质弹性薄膜 当膜片随着声波的压力的 大小产生振动时 膜片与后极板之间的相对距离发生变化 膜片与极板所构成电 容器的量就发生变化 极板上的电荷随之变化 电路中的电流也相应变化 负载 电阻上也就有相应的电压输出 从而完成了声音信号与电信号的转换 平板电容器 其电容量为 1 0r AA C dd e ee 其中 电容极板间介质的介电常数 e 0r ee e 真空介电常数 0 e 极板间介质的相对介电常数 r e 两平行板所覆盖的面积 A 两平行板之间的距离 d 电容传感器输出特性 传感器课程设计 5 在差动式平板电容器中 当动极板位移 d时 电容器C1的间隙d1变为d0 d 电容器C2的间隙d2变为d0 d 则 2 0 02 0 01 1 1 1 1 dd CC dd CC 在 d d0 1时 按级数展开得 3 3 0 2 00 02 3 0 2 00 01 1 1 d d d d d d CC d d d d d d CC 电容值总的变化量为 4 5 0 3 00 021 2 d d d d d d CCCC 四 电路的工作原理 声光控延时电路的电路原理图见图 3 所示 顾名思义 声光控延时开关就是 用声音来控制开关的 开启 若干分钟后延时开关 自动关闭 因此 整个电 路的功能就是将声音信号处理后 变为电子开关的开动作 明确了电路的信号流 程方向后 即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元 由此可画出图 4 所示 的方框图 图 4 声光控延时电路工作图 传感器课程设计 6 结合图 4 来分析图 3 声音信号 脚步声 掌声等 由驻极体话筒 BM 接收并 转换成电信号 经 C1 到 VT 的基极进行电压放大 放大的信号送到与非门 VD1 的 2 脚 R4 R7 是 VT 偏置电阻 C2 是电源滤波电容 为了使声光控开关在白天开关断开 即灯不亮 由光敏电阻 Rg 等元件组成 光控电路 R5 和 Rg 组成串联分压电路 夜晚环境无光时 光敏电阻的阻值很大 Rg 两端的电压高 即为高电平间 t 2 R8C3 改变 R8 或 C3 的值 可改变延时时 间 满足不同目的 VD3 和 VD4 构成两级整形电路 将方波信号进行整形 当 C3 充电到一定电平时 信号经与非门 VD3 VD4 后输出为高电平 使单向可控 硅导通 电子开关闭合 C3 充满电后只向 R8 放电 当放电到一定电平时 经与 非门 VD3 VD4 输出为低电平 使单向可控硅截止 电子开关断开 完成一次完 整的电子开关由开到关的过程 二极管 VD1 VD4 将交流 220V 进行桥式整流 变成脉动直流电 又经 R1 降压 C2 滤波后即为电路的直流电源 为 BM VT IC 等供电 五 单元电路设计 参数计算和器件选择 1 单元电路设计 1 电源电路设计 电源电路的主要作用是为路灯控制器的负载提供电源 同时为其中的控制电 路提电源 其由220V交流电源经过一个桥式整流的整流作用 再经过电阻R1 R2分压 C1滤波 使电压稳定在10V左右 为数字集成电路TC4011BP和其他负 载电路提供稳定直流电压 同时经桥式整流过的电压经过开关管给光源负载供电 2 延时电路 延时电路的作用主要是完成保持晶闸持续导通一段时间 维持发光二极管持 续发光一段时间 持续时间的长短由延时电容的放电时间来决定 延时电容的放 电时间即为照明的持续时间 当充电电容通过电阻放电 从开始放电开始直到放 电结束的这一段时间 即由R C 来决定 只要改变电阻值或电容值 即可改变 充放电时间长短 从而维持TC4011BP的8 9脚的高电平在一段时间内保持不变 从而决定灯泡的发光的时间长短 即维持照明的时间改变 其组成只要由电阻 电容 电容是通过电阻放电的 改变电阻阻值和电容容量可以改变灯泡维持点亮 的时间 3 传声器电路 控制电路的主要作用是完成对声控和光控电路的控制 即照明电路的亮与不 传感器课程设计 7 亮都由控制电路来控制完成 控制电路是路灯控制电路中的主体电路 它包括声 控和光控电路 只有当声控和光控电路同时起作用时 即既有光信号又有声音信 路时 控制电路才会作用 开关打开 该部分电路主要有声音信号转换电路 光信号转换电路和TC4011BP构成 光控部分采用光敏电阻的感光特性来工作的 即当有光线的时候 其处于低 电阻状态 其上几乎不分得电压 在没有光线或者光线较暗的时候 其处于高阻 状态 光敏电阻的光电特性如图4所示 此电路就是利用光敏电阻的光电特性输 出高低电平信号来起到光控作用的 声控部分主要是通过话筒等声音接收电路来把声音信号转化为电信号 三极 管V1在没有声音信号时处于饱和状态 当有声音信号时 声音信号通过电容的耦 合 短时间内拉低V1基极的电位 使三极管V1的瞬间截止 V1的集电极上产生 一个瞬间高电平送入控制电路 经过处理 从而达到声控的目的 4 开关电路 开并电路由一个开关管和一个电阻组成 由开关管的开关作用来控制发光管 的亮与灭 该部分工作原理如下 当TC4011BP的11脚输出高电平时经过R7降压后供给 MCR控制级2 V左右的开关信号 使开关管MCR导通 灯泡发光 当TC4011BP的 11脚为低电平时 开关管关断 灯泡熄灭 直到11脚变为高电平时才亮 5 照明电路 此路灯控制电路设计的初衷是节能 照明电路采用的是高亮度的能小灯泡 亮度即能满足场合需要又达到节能降耗的要求 2 参数计算 1 单管放大电路参数的设置 经测试 得知r 164 实测9013的导通电压为 给定电源电Uon Ube 0 4V 压 Vcc 6V 在静态工作的时候 要使三极管发处于放大状态 则Vce一般取大于2V小于 Vcc的2 3 又由于Vce是根据公式 Vce Vcc Vr4 Vr5 而得 Vr4 Vr5 Rc Re Ice 而 Ice Vr3 0 4 Re Vr3 Rb2 Rb2Rb1 Vcc 先假定 则有 此时Rb26 8K Rb175KRc24KRe2K Ice Vr3 0 4 Re 0 1mA VceVcc RcRe Ice3 43V Vbe0 4Ice Re0 50V 这些参数满足使三极管工作在放大状态 传感器课程设计 8 2 Au的计算 AuUo Ui r Rc Rbe 其中 r164 RbeRbb 1 r Ut Ice Ut26mV 经计算得出 Rbe43 1kAu95 47 图2 3中C1的作用是对电源进行滤波 通常取得较大 这里取C1 100UF R1 取10K是为了给麦克风起保护作用 3 器件选择 IC选用CMOS数字集成电路CD4011 其里面含有四个独立的与非门电路 VSS是电源的负极 VDD是电源的正极 可控硅t选用1a 400v的进口单向可控硅 100 6型 如负载电流大可选用3a 6a 10a等规格的单向可控硅 驻极体选用的 是一般收录机用的小话筒 光敏电阻选用的是625A型 有光照射时电阻为20k以 下 无光时电阻值大于100mq 说明该元件是完好的 二极管采用普通的整流二 极管1n4001 1n4007 总之 元件的选择可灵活掌握 参数可在一定范围内选用 其他元件按表1所述即可 系统需要的元器件清单 表 1 元器件清单 序号元器件类型元器件规格数量备注 1集成电路CD40111IC 2单向可控硅100 61T 3三极管90141VT 4整流二极管IN40115VD1 VD5 5驻极体54 2dB1BM 6光敏电阻625A1RG 7电阻器10K 120K2R6 R1 8电阻器47K2R2 R3 9电阻器470K 1M2R7 R5 10电阻器2 2K 5 1K各 1R4 R6 11瓷片电容1041C1 12电解电容10uf 10V2C2 C3 传感器课程设计 9 六 总结 时间总是过得很快 经过两周课程设计的学习 我已经能自己制作一个简易 声光控延时照明灯电路 这其中的兴奋是无法用言语表达的 为了做好这次课程设计 我在网上搜索了课程设计的相关内容 也到学校图 书馆借相关书籍 经过不断比较与讨论 最终敲定了设计声光控延时照明灯的电 路原理图 尽管现在只是初步学会了声光控延时照明等电路的设计 但学习的这段日子 确实令我收益匪浅 不仅因为它发生在特别的时间 更重要的是我又多掌握了一 门新的技术 付出的过程中我已经收获了很多快乐 回顾这段时间真是收益匪浅 以前对知识的了解仅限于理论知识 而且是有 的能够理会 有的只是停留在似懂非懂的状态 对于器件就不知道有什么用途 也就更加难以理解 但这一周之后 我对传感器有了更深的理解 知道了自己的 不足 同时也明白了所学知识的重要性 培养了自己对课程设计学习的兴趣 这 次课程设计不仅巩固了先前学的传感