声光控+微波控制开关课设

1、北京交通大学电气工程学院 电子技术 课程设计说明书课题名称： 声光双控开关组成的楼道灯 （微波和光控开关）学 院 _电气工程学院_专 业 _电气信息类_班 级 电气1005 学 号 10291150 姓 名 指导教师 _王强_2012年 6月 28日目 录1 绪论1.1 设计要求1.1.1 研究的目的及意义1.1.2主要研究方向和要求1.1.3 基本思路1.2 电路工作原理1.2.1 电路原理1.2.2 基本系统1.2.3 元件的选择1.3 电路仿真1.4 电路板的制作与元件的安装及调试1.4.1 安装制作1.4.2 调试2 实物外观图3 结论4 收获与体会5 参考文献关键字： 信号放大 光电

2、开关 声控电路 光控电路 延时电路 施密特触发器1 绪论1.1 设计要求1.1.1 研究的目的及意义声光控制延时开关可以代替住宅小区或办公大楼内楼道上电灯手动的开关。天黑有人走过楼梯通道时，当有脚步声或其它声音（如人的说话声或拍手声）时，楼道灯会接收到感应自动点亮，提供照明，当人们走远后进入家门或走出公寓，此时楼道灯延时一段时间后会自动熄灭。在白天，即使有声音。楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。声光控制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、教学楼等许多公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，也不像以往的手动开关那样易于损坏，为人们生活和工作提供了更大方

3、便，适合于许多地方安装应用。在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。在本设计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。天黑有人走过楼梯通道时，当有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。1.1.2 主要研究方向和要求方向：传感器技术研究+数字电路技术研究要求：1光线较强或无声音，开关关闭；2光线较弱并且有声音，开关闭合，延时十秒后自动断开开关；

4、3器件：功率集成电路+分立元件；4仿真设计与硬件设计1.1.3 基本思路顾名思义，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，变为电子开关的开关动作。明确了电路的信号流向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元。电路中的主要元器件是使用了数字集成电路 CD4011，CD4069，CD4093 。CD4011其内部含有 4 个独立的与非门 D1 D4 ，电路结构简单，可靠性高。CD4069由六个反相器电路组成。CD4093由四个2输入端施密特触发器电路组成，每个电路均为在两输入端具有施密特触发功能的2输入与非门。每个

5、门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压(V P)T和下降电压(V N)之差定义为滞后电压(V T)。1.2 电路工作原理1.2.1 电路原理声光双控楼道灯在白天，即使有声响也不会亮。在夜晚，当有人走过楼梯通道发出的脚步声或有其它声响时，楼道灯便会自动点亮，然后延时一段时间自动熄灭。声光双控楼道灯其电路原理图如图所示。电路主要由声控电路、光控电路及执行电路三大部分组成。声控电路主要由驻极体话筒BM、非门1、2、3组成的放大电路组成以及由施密特触发器1、非门4组成的整形延时电路构成。光控电路由光敏二极管VD2及施密特触发器组成。施密特触发器2组成门控电路，VT1和继电器K1等构成执行电路。

6、夜晚，当驻极体话筒BM拾到脚步声或其他声音后，将声信号转换为电信号，经C1耦合至由非门1、2、3组成的交流放大器进行电压放大，再经施密特触发器1整形，通过非门4倒相，VD1、C2、R4及施密特触发器2等延时控制，使VT1导通，继电器K1吸合，其触点K1-1闭合，点亮楼道灯H。白天，由于环境光线较强，光敏二极管VD1导通，通过施密特触发器3使施密特触发器2关闭，声控信号不起作用，楼道灯H不会被点亮。与非门构成的基本RS触发器特征表（由施密特触发器2和3组成）RDSDQnQn+1000X001X010001101001101111001111特征方程：Qn+1 = SD + RDQnRDSD =

7、01.2.2 基本系统声音信号 ( 脚步声、掌声等 ) 由驻极体话筒 BM 接收并转换成电信号，经 C1 耦合到非门1、2、3组成的交流放大器进行电压放大，再经施密特触发器1整形，通过非门4倒相，VD1、C2、R4及施密特触发器2等延时控制，使VT1导通，继电器K1吸合，其触点K1-1闭合，点亮楼道灯H。其基本系统如图所示，感 光VD2检 音 BM 延 时 反 相 放大 , 反相 整 形控制门电 子开 关 VT1灯H 1.2.3 元件的选择IC 选用 CMOS 数字集成电路 CD4011，CD4069和CD4093 。 CD4011 有四个独立的与非门电路，内部功能见图 3 ， Vss 是电源

8、的负极， VDD 是电源的正极。 CD4069由六个COS/MOS反相器电路组成。此器件主要用作通用反相器、即用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路中。CD4093由四个2输入端施密特触发器电路组成。每个电路均为在两输入端具有斯密特触发功能的2输入与非门。每个门在信号的上升和下降沿的不同点开、关。上升电压(V P)T和下降电压(V N)之差定义为滞后电压(V T)。CD4069 9013三极管选用9013（NPN） 型，放大倍数为。像9013 NPN的用万用表检测他们的引脚，黑表笔接一个极，用红笔分别接其它两极，两个极都有5K阻值时，黑表笔所接就是B极。这时用黑红两表笔分别接其它两极，

9、用舌尖同时添（其实也可以先用舌头添湿一下手指然后用手指去摸，反正都不卫生）黑表笔所接那个极和B极，表指示阻值小的那个黑表所接就是C极。（以上所说为用指针表所测，数字表为红笔数字万用表内部的正负级是和指正表相反的。）驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，1和5是接线圈，2和3以及6和7是常闭，2和4以及6和8是常开。它的测量方法是：用 RX100 档将红表笔接外壳的 S 、黑表笔接 D ，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高；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 100M ，说明该元件是完好的。二极管采用普通的整流二极

10、管1N4007 。电磁继电器采用直流12V驱动的HRS2H-S-DC12V，总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。其它元件按图 1 所示的标注即可。 1 2 3 45 6 7 8（继电器） 驻极体话筒1、先确定集电极要通过的最大电流。2、测出管子的放大倍数即贝他值。将集电集电流除以放大倍数，就是基极需要的电流值，只要基极电流大于这个值，9013管就处于开关状态了。比如说电压12V，负载阻值为120欧，负载电流就是100毫安，如果放大倍数是200，则基极电流需要500微安。如果基集电阻为10K的话，电流超过1毫安，三极管肯定处于稳定的导通状态。但9013属于小功率管，电流要在管子允

11、许的范围之内。微波探测器探测原理图 1、微波天线发射时具有良好的定向性，因此很容易控制微波探头的作用范围。2、微波在传输过程中较易被衰减、吸收和反射，遇到墙壁等遮挡物时会被遮挡，因此墙壁等遮挡物外的物体对其干扰很小。 常用的微波探测器是借助微波多普勒效应探测布防区域内是否存在移动目标。探测器内的主要微波组件为微波传感器，其工作频率多选择在微波的S-波段，X-波段，K-波段，常用微波传感器的技术构成分为平面微带型和波导谐振型。我们探讨微波传感的技术构成、频段选择对移动目标探测的影响，希望对探测器的选型和使用有一定的帮助。微波是指频率在300MHz-300GHz范围内极高频电磁波，其波长范围从1m

12、到1mm。微波具有直线（视距）传播，不受其他电磁波干扰，频带宽，系统体积小等特点，首先在通信领域得到广泛应用。微波技术另一最重要应用当属雷达，使用微波雷达对远距离飞行目标测速，测距，测方位早在第二次世界大战中就已成功应用。随着微波半导体技术的规模化应用，微波技术的物理实现不仅十分简单、廉价，而且体积甚小，各种物体探测装置中都可以放进火柴盒大小的微波传感器，成为目标探测装置中常见的组件。不同于红外探测器，这种微波组件对各种可以反射微波的物体都很敏感，且不受环境温度的影响，因此广泛用于工业、交通及民用装置中，如车辆测速、液位测定、自动门、自动灯、自动盥洗、生产线物料探测、倒车雷达等。报警产品中微波

13、探测器使用这种微波传感器组件，配合周边的电子器件，基于多普勒效应的应用就构成了移动目标微波探测器，即多普勒雷达。元件清单：名称型号规格位号数量集成块CD4069IC1集成块CD4093IC1集成块CD4011IC1话筒54+-2DBBM1二极管1N4007VD15电解电容1uF/50VC1、C22继电器HRS2H-S-DC12VK13电阻10KR21电阻1MR31电阻5.1KR1、R4、R51三极管9013VT11发光二极管蓝超亮（3.23.4）H8光敏二极管普通VD21微波探测器普通W11.3 电路仿真对电路进行仿真测试的软件我们采用produce。按照元件清单在软件中找出与电路相匹配的所需

14、元件，并按照电路原理图将各元件按位置摆放好和用导线相互连接起来，检查电路连接无误，按下仿真按钮，对电路进行仿真。如电路仿真结果出现错误或有所偏差，检查电路，对电路连接做些调整或稍微改动元件的参数。然后反复进行仿真测试，直到仿真结果合适，能够达到设计要求，确定电路方案。仿真电路图：1、全局电路：2、上面（光控）开关闭合，下面开关（声控）闭合，灯亮，如下图：3、上面（光控）开关闭合，下面开关（声控）断开，灯灭4、上面开关断开，无论下面开关断开与闭合，灯都不亮1.4 电路板的制作与元件的安装及调试1.4.1 安装制作按照电路原理图制作,制作出电路板的铜导线线路，然后转孔与安装元件。对照元件清单买到电

15、子元器件后，首先对照材料清单将各材料认真清点一遍，并用万用表粗略地 ( 因出厂前已测量过 ) 测量一下各元件，做到心中有数。焊接时注意先焊接无极性的阻容元件，电阻采用卧装，电容采用直立装，紧贴电路板，焊接有极性的元件如电解电容、话筒、整流二极管、三极管、单向可控硅等元件时千万不要装反，注意极性的正确。否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。1.4.2 调试调试前，先将焊好的电路板对照电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路等现象发生。通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。如用万用表检测时，将万需表两表笔接触电路板相应处即可。本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住，将 AB 分别

16、接在电灯的开关位上，用手轻拍驻极体，这时灯应亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体，这时灯不亮。说明光敏电阻完好，这时表示制作成功。若不成功请仔细检查有无虚假错焊和拖锡短路现象。1.4.3 电路板的焊接和焊接的方法根据PCB板通过雕刻机的雕刻制成印制电路板后，按照元器件清单进行焊接。由于焊接技术在电子工业中的应用非常广泛，在电子产品制造过程中，几乎各种焊接方法都要用到，但使用最普遍、最有代表性的是锡焊方法。锡焊是焊接的一种，它是将焊件和熔点比焊件低的焊料共同加热到锡焊温度，在焊件不熔化的情况下，焊料熔化并浸润焊接面，依靠二者原子的扩散形成焊件的连接。其主要特征有以下三点：（1）焊料熔点低于焊

17、件；（2焊接时将焊料与焊件共同加热到锡焊温度，焊料熔化而焊件不熔化；（3）焊接的形成依靠熔化状态的焊料浸润焊接面，由毛细作用使焊料进入焊件的间隙，形成一个合金层，从而实现焊件的结合。除了含有大量铬、铝等元素的一些合金材料不宜采用锡焊焊接外，其它金属材料大都可以采用锡焊焊接。锡焊方法简便，只需要使用简单的工具（如电烙铁）即可完成焊接、焊点整修、元器件拆换、重新焊接等工艺过程。此外，锡焊还具有成本低、易实现自动化等优点，在电子工程技术里，它是使用最早、最广、占比重最大的焊接方法。焊接的物理基础是“浸润”，浸润也叫“润湿”。要解释浸润，先从荷叶上的水珠说起：荷叶表面有一层不透水的腊质物质，水的表面张

18、力使它保持珠状，在荷叶上滚动而不能摊开，这种状态叫做不能浸润；反之，假如液体在与固体的接触面上摊开，充分铺展接触，就叫做浸润。锡焊的过程，就是通过加热，让铅锡焊料在焊接面上熔化、流动、浸润，使铅锡原子渗透到铜母材（导线、焊盘）的表面内，并在两者的接触面上形成Cu6-Sn5的脆性合金层。在焊接过程中，焊料和母材接触所形成的夹角叫做浸润角，图4-5 (a)图中，当焊料与母材没有浸润，不能形成良好的焊点；图4-5 (b)图中，当时，焊料与母材浸润，能够形成良好的焊点。仔细观察焊点的浸润角，就能判断焊点的质量。图4-5 焊料和母材接触显然，如果焊接面上有阻隔浸润的污垢或氧化层，不能生成两种金属材料的合

19、金层，或者温度不够高使焊料没有充分熔化，都不能使焊料浸润。进行锡焊，必须具备的条件有以下几点：（1）焊件必须具有良好的可焊性所谓可焊性是指在适当温度下，被焊金属材料与焊锡能形成良好结合的合金的性能。不是所有的金属都具有好的可焊性，有些金属如铬、钼、钨等的可焊性就非常差；有些金属的可焊性又比较好，如紫铜、黄铜等。在焊接时，由于高温使金属表面产生氧化膜，影响材料的可焊性。为了提高可焊性，可以采用表面镀锡、镀银等措施来防止材料表面的氧化。（2）焊件表面必须保持清洁为了使焊锡和焊件达到良好的结合，焊接表面一定要保持清洁。即使是可焊性良好的焊件，由于储存或被污染，都可能在焊件表面产生对浸润有害的氧化膜和

20、油污。在焊接前务必把污膜清除干净，否则无法保证焊接质量。金属表面轻度的氧化层可以通过焊剂作用来清除，氧化程度严重的金属表面，则应采用机械或化学方法清除，例如进行刮除或酸洗等。（3）要使用合适的助焊剂助焊剂的作用是清除焊件表面的氧化膜。不同的焊接工艺，应该选择不同的助焊剂，如镍铬合金、不锈钢、铝等材料，没有专用的特殊焊剂是很难实施锡焊的。在焊接印制电路板等精密电子产品时，为使焊接可靠稳定，通常采用以松香为主的助焊剂。一般是用酒精将松香溶解成松香水使用。（4）焊件要加热到适当的温度焊接时，热能的作用是熔化焊锡和加热焊接对象，使锡、铅原子获得足够的能量渗透到被焊金属表面的晶格中而形成合金。焊接温度过

21、低，对焊料原子渗透不利，无法形成合金，极易形成虚焊；焊接温度过高，会使焊料处于非共晶状态，加速焊剂分解和挥发速度，使焊料品质下降，严重时还会导致印制电路板上的焊盘脱落。需要强调的是，不但焊锡要加热到熔化，而且应该同时将焊件加热到能够熔化焊锡的温度。（5）合适的焊接时间焊接时间是指在焊接全过程中，进行物理和化学变化所需要的时间。它包括被焊金属达到焊接温度的时间、焊锡的熔化时间、助焊剂发挥作用及生成金属合金的时间几个部分。当焊接温度确定后，就应根据被焊件的形状、性质、特点等来确定合适的焊接时间。焊接时间过长，易损坏元器件或焊接部位；过短，则达不到焊接要求。一般，每个焊点焊接一次的时间最长不超过5s

22、。焊接前的准备镀锡为了提高焊接的质量和速度，避免虚焊等缺陷，应该在装配以前对焊接表面进行可焊性处理镀锡。没有经过清洗并涂覆助焊剂的印制电路板，要按照第5章里介绍过的方法进行处理。在电子元器件的待焊面（引线或其它需要焊接的地方）镀上焊锡，是焊接之前一道十分重要的工序，尤其是对于一些可焊性差的元器件，镀锡更是至关紧要的。专业电子生产厂家都备有专门的设备进行可焊性处理。镀锡也叫“搪锡”，实际就是液态焊锡对被焊金属表面浸润，形成一层既不同于被焊金属又不同于焊锡的结合层。由这个结合层将焊锡与待焊金属这两种性能、成分都不相同的材料牢固连接起来。使用电烙铁进行手工焊接，掌握起来并不困难，但是又有一定的技术要

23、领。长期从事电子产品生产的人们是从四个方面提高焊接的质量：材料、工具、方法、操作者。其中最主要的当然还是人的技能。没有经过相当时间的焊接实践和用心体验、领会，就不能掌握焊接的技术要领；即使是从事焊接工作较长时间的技术工人，也不能保证每个焊点的质量完全一致。只有充分了解焊接原理再加上用心实践，才有可能在较短的时间内学会焊接的基本技能。下面介绍的一些具体方法和注意要点，都是实践经验的总结，是初学者迅速掌握焊接技能的捷径。掌握正确的操作姿势，可以保证操作者的身心健康，减轻劳动伤害。为减少焊剂加热时挥发出的化学物质对人的危害，减少有害气体的吸入量，一般情况下，烙铁到鼻子的距离应该不少于20cm，通常以

24、30cm为宜。电烙铁有三种握法，如图4-6。 反握法的动作稳定，长时间操作不易疲劳，适于大功率烙铁的操作；正握法适于中功率烙铁或带弯头电烙铁的操作；一般在操作台上焊接印制板等焊件时，多采用握笔法。焊锡丝一般有两种拿法，如图4-7于焊锡丝中含有一定比例的铅，而铅是对人体有害的一种重金属，因此操作时应该戴手套或在操作后洗手，避免食入铅尘。电烙铁使用以后，一定要稳妥地插放在烙铁架上，并注意导线等其他杂物不要碰到烙铁头，以免烫伤导线，造成漏电等事故。电烙铁有三种握法 焊锡丝拿法 将本设计所需要的各种电子元器件焊接到电路板中去,焊接的时候要注意到焊接的工艺,焊接要牢固,不虚焊,漏焊等。首先将电子元件焊接

25、在电路板上，留下光敏电阻，稍后进行焊接。先进行声控的调试，将电路板接上电源和电灯，这里电源和电灯都应串连连接。接上电源后发现电灯亮，我们等待40秒后，会发现电灯自动熄灭，我们可以通过发出声响观察电灯有没有看，若亮表示声控是好的，如果不亮，我们检查驻极体是好不好，正负极又没与接反，或是观察元件是否焊接正确，焊点有没有空隙等。再将光敏电阻焊接在电路板上，接通电源，等待电灯的戏，熄灭，第一步把电路板放置于有光出，并发出声响，发现灯不亮，第二步用一块黑布挡住光敏元件后，发出声响，发现灯亮。表明光敏的控制室良好的。这样声光控灯的调试完成，实物图如下所示。2 结论这次声光控制开关的设计，对于第一次对电路板

26、进行设计和制作的我们的确是有不小的难度，也是一种对自己的挑战。经过几星期的忙碌，从对方案的初步设想，电路连接与仿真，元件挑选到电路板制作，元件焊接与调试。由于能力有限，虽然最终制作出来的电路还未能完全达到设计所需要的要求，但在今后的学习中我们会继续努力。同时，声光控制开关在如今的应用是相当普遍的，节约能源的同时也极大方便了广大用户，依然有着相当可观的利用价值和开发前景。相信在今后的努力研发中一定会有更优越和更方便于人们的声光控制产品产生。3 收获与体会经过一星期的搜集资料和紧张制作，在这次课程设计中得到了不少的收获，学到了自己应该要学到的东西。感谢学校给我们创造了这次得以动手实践的机会，感谢老师在整个课程设计过程中给予的指导和提供元件的帮助。让我们能够提高自己的设计思考能力和动手制作能力，以及进一步接触和了解有关我们专业方面的知识。同时，还要感谢的是在设计和制作过程中一同努力，相互帮助的同学们，在我做不出来的时