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光电探测大作业声光控延时开关照明系统1目录第1章引言2第2章单元电路设计321设计思路322声光信号处理3221声音放大电路3222声控电路设计5223光控电路设计723照明灯控制电路设计9231器件选择9232延时电路设计1024电源电路设计11241整流电路12242滤波电路13243电源电路工作原理1525整机电路16第3章电路仿真1831系统仿真及原理图制作使用平台1832整机仿真测试18第4章实物制作214实物制作测试21附录元件明细表232引言根据国内外市场需求预测,我国照明电器行业的高速增长还将继续。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。在地球资源日渐衰竭的今日,环保、节能是当今各产业发展的重心,尤其是需要消耗大量电力的照明产业,基于此目的的研发工作更是趋向环保、节能的特性上著眼。因此,开发新型高效、节能、寿命长、环保的电路对居家照明节能具有十分重要的意义。声光控开关是只有在满足了无光线和有声音才可以启动开关使灯泡点亮一段时间,无需人去手动的打开和关闭灯泡开关方便了人们,同时避免了灯泡常亮的情况因而达到了节电的目的。白天光线较强时,受光控自锁,有声响也不通电开灯;当傍晚环境光线变暗后,开关自动进入待机状态,遇有说话声、脚步声等声响时,会立即通电,亮灯,延时半分钟后自动断电;能延长灯泡寿命6倍以上,节电率达90。二者都为人们的日常生活提供诸多方便。3第2章单元电路设计21设计思路此设计是为了实现声控光控延时开关的功能。在白天时无论是否有声音,照明灯都不能被点亮,在夜晚当有声音产生时,照明灯被点亮,且在声音消失后,照明灯能够维持一段时间亮度,有足够的时间让人通过。它由电源电路、声光处理电路和控制电路等部分组成。流程方框图如图11所示。图11设计方框图22声光信号处理声光信号处理电路就是对采集到的声信号和光信号进行处理后提供给控制电路。211声音放大电路声音放大电路采用BJT三极管,常见的BJT三极管的工作方式有三种共射电路、共集电路、共基电路。1共射电路共射电路如图21所示,直流电源VCC一方面通过RC、RB为三极管提供合适的4静态偏置电压,另一方面为电路提供能量,一般为几伏至几十伏。其中C1、C2为耦图21共射放大电路合电容,起到传递交流,隔断直流的作用。C1、C2一般为电解电容器,一般为几微法到几十微法。RC是集电极直流负载电阻,保证三极管有合适的静态偏置外,还可将三极管的电流信号转换成电压信号。RC一般为几百欧到几千欧。信号有三极管的基极输入、输出。基极与发射极构成输出回路,而发射极是输出、输入的公共端,共射工作方式具有电压和电流的放大作用,放大关系是U0UI,电流同样如此。2共集电路共集电路如图22所示,信号从基极输入,从发射极输出,集电极是输入、输出回路的公共端,共集电路因此而得名。图22共集放大电路电源VCC给三极管V提供反偏电压,又通过基极偏置电阻RB给发射结提供正偏电压,使三极管V工作在放大区。输入信号电压UI通过输入耦合电容C1加到三极管V的基极,输出信号电压U0从发射极通过输出耦合电容C2送到负载RL上。共集电路具有电流的放大作用但是没有电压的放大主作用,所以又叫做射击跟随器。3共基电路5共基电路如图24所示,其中RC为集电极电阻,RE为发射极偏置电阻,RB1、RB2为基极分压偏置电阻,他们共同构成分压式偏置电路。图23共基放大电路大电容CB使基极对地交流短路。其信号从发射极输出,基极是输入、输出回路的公共端。共基电路的输入电流大于输出电流,没有电流放大作用,但电压放大倍数较大。4分析由于本次设计中声音信号产生的电压信号很小,因而只能用具有电压放大的电路,再从电路的复杂程度等方面考虑,共射放大电路更适合作为声音信号放大电路。222声控电路设计声控电路由驻极体话筒、电阻R3、R4、R5,晶体管VT、电容C3、C4组成如图25所示。驻极体话筒将声音信号转化为微弱的电信号,微弱的电信号经C3滤波后导入由三极管VT组成的共射放大器进行放大,放大后的电信号经C2隔直后输出。声控电路参数计算一般情况下,人正常说话的声音的幅度约为4050分贝,经驻极体话筒转化为电信号有效值约为UBM40MV,要使产生的信号经过放大后电压基本上在5V左右,放大倍为(21)125MV40放大倍数有125倍的三极管有9011、9013、9014、9015等。这些都是较为常见6的三极管,任意一种都可以用于这次设计,我选用9014型三极管,9014参数如表21所示。表219014参数参数名称符号典型值单位集电极耗散功率PCM300MW集电极最大电流ICM100MA电流放大系数60300特征频率FT150MHZ根据三极管放大公式(22)ICB由于9014允许最大电流ICM为100MA所以(23)MA10CMBI根据欧姆定律(24)K12VIUR所以(25)4由于声音信号电流的叠加选择电阻R4为200。电阻R4的功率(26)MW09642CR4V要保证三极管输出电压在5V左右,那么UCE电压就应当为5V左右。所以UR3电压为7V左右。又由于ICM为100MA,同样根据欧姆定律得到R370,要尽量使IC小些,所以选择R3为39。K所以三极管的静态工作点为7(27)A804C4BEQCBQRVUI(28)MI(29)312CQC电阻R3的功率(210)W049632R3I由于R5是为BM提供一个偏置电压所以选择阻值为39的电阻,C2、C3都K是起隔直作用一般选择电容值为33的电容,R8为三极管后的负载电阻阻值为8F。K22光控电路设计我们的题目中,是要使用一种光电探测器件来通过探测光的强弱达到一种可以开关电路的目的,当光比较强的时候,可以关闭电路当光比较弱的时候,可以打开电路。我们从以下几个方面最终选择出了光敏电阻来作为我们要使用的光电探测器件(1)光电特性我们的要求中光电探测器件仅作开关使用,只要满足可以很好的区分白天和夜晚的照度即可,下面以我们所选择的5516型光敏电阻来做分析。该光敏电阻的在10LX的光照下的阻值为510K欧姆,取10K欧姆计算,05查阅资料得到在晴朗的天气室内照度为1002000LX,阴天室内照度为550LX,月夜照度为00203LX,分别取为1000LX,10LX,01LX根据实际情况,我们以阴天室内的照度为是否打开开关的界限。根据课本的公式,其中B的照度是A的10倍。根据以上条件,我们可以求得在/LGBAR上面三种情况下光敏电阻的阻值。计算得到三种条件下的阻值分别为1K、10K、100K。以上分析证明,使用光敏电阻可以很好的达到区分白天黑夜亮暗的目的。(2)光谱特性由于我们的装置是要用于检测可见光的亮暗,可见对光的具体波段没有很大的要求,只需要在可见光波段可以有较好的灵敏度即可,我们选择的光敏电阻峰值波长在550NM,正是用于可见光波段的光电器件8(3)频率特性我们的装置要用在楼道中来检测楼道中的亮度是否足够亮,大致是以天为周期进行亮暗的变化,而我们选用的光敏电阻的响应时间是不到秒的量级,远远满足使用条件。(4)温度特性我们的装置使用在室外的楼梯中,考虑极端情况温度范围在负20摄氏度到40摄氏度之间,我们选用的光敏电阻的温度适用范围包含了这一部分。(5)功率限制仍然用我们选的5516型光敏电阻来做分析。由(1)中的分析,考虑到使用环境楼道的密闭性,可以用1K欧姆作为光敏电阻可能拥有的最小阻值。由于光敏电阻的最大功耗为90MW,计算可知光敏电阻两端能承受的最大电压为949V。我们只需要在设计时使用10V或者以下的电源为开关模块供电便可以达到光敏电阻的功率限制。(6)价格因为我们的装置是要用在每个楼道的每个楼层,使用量非常之大,所以使用的光电探测器要成本越低越好。虽然除了光敏电阻,还有很多种的光电探测器可以达到我们的要求,但是光敏电阻的一个最大的优势是价格便宜。一下是随意截取的一家商家的图片,按照起批的价格,是不到1分钱一个光敏电阻,而且还量大从优。光敏电阻5516CDS参数如表22所示。表22光敏电阻参数型号最大电压(VDC)最大功耗(MW)环境温度()光谱峰值NM亮电阻(K)暗电阻(M)5516CDS15090307054051005光控制电路设计如图25所示,电路由电阻R2和RG串联进行分压来提取光信号。9图25声光处理电路R2阻值计算(211)GR21U(212)7M0V522根据计算,R2的阻值为07。M白天光较强时,光敏电阻RG的阻值较低(约为5),这时它和R2(07K的阻值相比较,R2远大于RG,RG上分的电压基本上为0V,此时输出电压为M0V(低电平)。晚上光线较暗时,光敏电阻RG的阻值变大(约为05),R2、RG串联对M12V电压进行分压,此时A点输出电压为5V(高电位)。23照明灯控制电路设计控制电路主要是由控制芯片74LS00,延时电路,可控硅组成如图26所示。声音信号进入13引脚,光信号进入12引脚,经过与非门从3引脚输出控制信号,控制信号通过可控硅间接控制照明灯。10图26控制电路电路231器件选择1四二输入与非门74LS00主控芯片74LS00外形如图27所示,它是采用晶体管制造工艺在硅晶片上生产四个各自独立的二输入与非门电路如图28所示,然后采用DIP14标准封装而成的双列14脚直插式结构。逻辑关系为。ABY图2774LS00外形图2874LS00内部排列2可控硅可控硅也称作晶闸管外形如图29所示,它是由PNPN四层半导体构成的元件,有三个电极,阳极A,阴极K和控制极G。可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制,以小电流控制大电流,并且不像继电器那样控制时有火花产生,而且动作快、寿命长、可靠性好。在调速、调光、调压、调温以及其他各种控制电路中都有应用。图29可控硅外形由于可控硅只有导通和关断两种工作状态,所以它具有开关特性,这种特性需要一定的条件才能转化,此条件见表23表23可控硅导通和关断条件11232延时电路设计声光处理电路的光信号和声音信号由A、B端口输入,经过两次与非门后由8号引脚输出并提供给延时电路C5和R7。延时电路由C5和R7组成,它是利用电容充放电的原理工作的如图210所示。图210延时电路电路当电容C5已有电压U0时,且二极管无正偏截止时,电容器立即对电阻R7惊醒放电,放电开始时的电流为U0/R。放电电流的实际方向与充电时相反,放电时的电流与电容电压随时间均按指数规律衰减为零,电流与电压的数学表达式为ICU(213)C0C1RTEU(214)CTUI公式(214)中为电容器的初始电压。放电时和的变化曲线如图2110UICU所示。12图211电容放电曲线RC电路的时间常数用表示,的大小决定了电路充放电时间的快慢。TTRCT对于充电而言,时间常数时电容电压从零增长到632U0所需要的时间;对放CU电而言,是电容电压从下降到368所需的时间。TCU0U0R7的阻值为250K,C2为100则有F(215)S25F1K527RT所以电路延迟时间为25S。R6为74LS00保护电阻,选择阻值为1K。24电源电路设计电源部分是整个电路的重要组成部分是为整个电路提供能量的源泉,它相当于人类的心脏,如果没有电源部分那么整个电路将无法工作。电源电路一般是由整流、降压、滤波、稳压电路组成。241整流电路整流电路的作用就是将交流电转换成脉动的直流电,整流电路分为单相半波整流电路、单相全波整流电路、单相桥式整流电路。1单相半波整流单相半波整流电路如图212所示,工作原理是市电经过变压器变成低电压再经过VD整流,若U2的正半周期间二次绕组电压瞬时极性上端A为正,下端B为负,二极管VD正偏通,二极管和负载上有电流通过,则U0U2。在负半周期间,二极管的瞬时极性上端A为负,下端B为正,VD反偏截止,RL上电压UDU2,RL上无电压,所以该电路只利用了电源电压U2的半个周期,电源利用率不高。整形前后波形如图213所示。13图212半波整流电路图213整形前后波形2单相全波整流单相全波整流电路如图214所示,设电源电压二次绕组电压U2正半周时瞬时极性上端为正,下端为负。二极管VD1正偏导通,VD2反偏截止。负载电流途径为AVD1RLC。在U2的负半周时瞬时极性上负下正,二极管VD1反偏截止,VD2正偏导通。负载电流途径为BVD2RLC。整流电路中VD1和VD2轮流导通,所以在交流电的整个周期内都有电压输出,提高了电源的利用率,整形前后电路图如图215所示。图214全波整流电路图215整形前后波形3单相桥式整流单相桥式整流电路如图216所示,设电源变压器二次绕住电压U2正半周时瞬时极性上端A为正,下端B为负。二极管VD1、VD4正偏导通,VD2、VD3反偏截止。导电回路为AVD1RLVD4B,负载上电压极性为上正下负。负半周时U2瞬时极性A端为负,B端为正,二极管VD1、VD4反偏截止,VD2、VD3正偏导通,导通电路为BVD2RLVD3A,负载上电压极性同样为上正下负,这样在交流电的整个周期内都有电压输出,提高了电源的利用率。整流后波形图如图217所示。14图216桥式整流电路图217整形前后波形4分析由于单相半波整流电路负半周能量都消耗在了二极管上对电源的利用率较低;单相全波整流电路要用到中心抽头的变压器,因而电路的结构复杂;单相桥式整流电路对电源的利用率大且电路简单工作稳定,因而本设计选择单相桥式整流电路。242滤波电路经过整形的交流电变成了有一定波动的直流电,这种直流电只能用在对于输出电压平滑程度要求不高的电子设备中。如果用在要求交高的电子设备中时,会引起严重的干扰。因此电路整流后一般都要加滤波电路,滤波电路一般有电容滤波电路、电感电容滤波电路、形滤波电路。RC1电容滤波电容滤波电路如图218所示。设滤波电容C初始电压值为零,当U2由零逐渐上升,在T0T1期间二极管VD正向导通,电流分成两路,一路流经负载RL,另一路对电容进行充电。设R为二极管导通的正向电阻及变压器二次绕组的电阻之和,充电时间常数为RC(RRL)C,R很小,一般RL远远大于R,所以,RCRC很小。电容器两端电压UC达到U2的峰值U2。由于二极管的阳极电位是随U2的变化,而阴极电位是随UC变化的,T1时刻,U2UCU2,因此二极管零偏截止。电容C开始向负载RL放电,放电时间常数RCRLC,由于RL远大于RC,因此放电过程缓慢即UC下降缓慢,而二极管阳极电位却随输入电压U2的迅速下降,导致二极管在某一段时间截止状态,以后输入电压自正半周向正半周上升,直到T2时刻,二极管电位开始大于阴极电位,VD开始导通,并向电容C迅速充电,在T2T3期间,U0波形按图219所示变化。到T3时刻,UCU2,二极管有截止,使得电容有对负载RL放电。15图218电容滤波电路图图219滤波前后波形2电感电容滤波电感电容滤波电路如图220所示,工作频率越高、电感量越大,滤波效率越高。LC滤波电路适用与电流较大、要求输出电压脉动较小的场合,尤其适合高频整流,负载变化较大且对输出电压的脉动程度要求不太高的场合。图220电感电容电路3RC形滤波形滤波电路如图221所示。它是利用电阻和电容对输入回路整形后的电RC压的交直流分量的不同分压作用来实现滤波的作用的。电阻R对交直流分量均有同样的分压作用,但是因为电容C2的交流阻抗很小,这样电阻R与C2及RL配合以后,使交流分量较多地降在电阻R两端,而较少地降在负载RL上,从而起到滤波的作用,R越大,C2越大,滤波效果越好。但R不能太大,R太大将使直流压降增大,能量无谓地消耗在R上。图221RC滤波电路164分析由于这次的设计对电压的脉动程度交小且形滤波电容电感滤波的电路都RC没有电容滤波的电路简单因而选择电容滤波电路。243电源电路工作原理根据前面整流和滤波的优缺点和使用的场合最终确定电源电路如图222所示。二极管VD1VD4将市电转变成脉动的直流电,再经过R1降压和电容C1滤波得到直流电,然后通过稳压二极管VD5得到一个电压稳定在12V的直流电。图222电源电路电源电路参数由于后级的负载电阻RL大约为4,R1的作用主要是起到对稳压管VD5的保K护作用,R1的阻值取1得到二极管中的电流ID(216)A022后1DRUI最大电流IF(217)M643DFII滤波后输出电压U0(218)V21后0U二极管承受的最高反向电压(219)3740M桥式整流电路中的二极管选用最大反向工作电压为1000V,额定工作电流为1A的硅整流二极管1N4007。由滤波电容选取公式的(220)F321032366L1RTCU017电容耐压值(221)V396150CMU取标称值为400V,电容量为47的电容,选择12V的稳压二极管。F25整机电路总结前面的单元电路设计可以得到如图223所示的整机电路图。图223整机电路原理图工作原理驻极体话筒将声音信号转换为电信号经过C4隔直耦合后送到VT进行放大,放大后的信号经过C3隔直后送入74LS00的13脚,光敏电阻和R2分压后将光信号送入12脚。有声有光时74LS00的13号引脚为高电平12号引脚为低电平,经过两次与非后由8脚输出低电压,低电压再经过两次与非后仍然为低电压。因而3号引脚输出的为电压为低电压可控硅断开,灯泡不亮。有声无光时74LS00的13号引脚和12号引脚都为高电平,经过两次与非后由8脚输出高电位。因而3号引脚输出的电压电压为高电压可控硅导通,灯泡亮,由于RC电路的延时作用使3脚持续输出高电压,起到延时的作用。无声无光时74LS00的13号引脚为低电平12号引脚为高电平,经过两次与非后由8脚输出低电压,低电压再经过两次与非后仍然为低电压。因而3号引脚输出的为电压为低电压可控硅断开,灯泡不亮。无声有光时74LS00的13号引脚为低电平12号引脚为低电平,经过两次与非后由8脚输出低电压,低电压再经过两次与非后仍然为低电压。因而3号引脚输出的为电压为低电压可控硅断开,灯泡不亮。18第3章电路仿真31系统仿真及原理图制作使用平台系统仿真采用INTERACTIVEIMAGETECHNOLOGIES公司推出的WINDOWS环境下的电路仿真软件MULTISIM10此软件最适合于模电数电仿真,不仅可以完成电路瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、噪声分析和直流分析等基本功能,而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等电路分析方法,并具有故障模拟和数据储存等功能。原理图的制作则是PROTEL99SE,此软件是一个32位的设计软件,可以完成电路原理图设计,印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作,可以设计32个信号层,16个电源地层和16个机加工层。32整机仿真测试(1)无声有光将连接好的电路原理图对照设计的电路图认真核对一遍,若无错误(阻值的大小,19导线连接短路等)现象,将光敏电阻阻值调小和MIC及函数信号频率调到最低,打开右上脚的RUN开关,发现灯泡不亮。图33无声有光电路仿真图(2)无声无光即YABY100,此时灯泡应该不亮,(Y为满足条件,A代表光线,B代表声音,“1”表示满足条件“0”则反之)当光线暗与上有声时才为真(1),调节滑动电位器R7,将其阻值逐渐增大,MIC即函数信号发生器频率信号最低,此时发现灯泡不亮。图34无声无光仿真图20(3)有声有光即YABY010,此时灯泡应该不亮,将滑动电位器调到最小,函数信号的频率逐渐增大(50HZ以上),此时只有声音信号放大了,而光控则最低。图35有声有光仿真图(4)有声无光即YABY111,此时灯泡应该亮,调节滑动电位器,将其阻值增大(至少为50),再将函数信号的频率增大(50HZ以

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