模拟电子技术课程设计 声控走廊灯开关设计

模拟电子技术课程设计模拟电子技术课程设计题目：声控走廊灯开关设计摘要本设计运用了模拟电子技术，课程运用了模拟电路的基本知识，声控开关内部有光敏电阻、碳晶咪头、晶闸管、三极管、电容器等电子元件。声控开关一般都是串接在白炽灯泡电路声控开关内部有光敏电阻、碳晶咪头、晶闸管、三极管、电容器等电子元件。声控开关一般都是串接在白炽灯泡电路中的。220V交流市电经过灯泡送达声控开关。开关内部有一个整流桥。可以将交流电整流成直流电。社会的进一步发展，各种各样的灯层出不穷，为了防止公物损坏，节约用电，设计了各种控制灯，例如公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关。由于各种原因常常出现许多灯泡点亮长明的现象，故使灯泡寿命短，浪费电量，为国家，单位，个人造成经济损失，由于频繁开关和其他人为因素，墙壁开关的损坏率很高，既增大了维修量，浪费了资金，又容易造成事故隐患。因此，设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的走廊声控灯能自动开关就显得格外重要。使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便又省电。目录第1章 绪论 模拟电子技术设计课程绪论1.1设计背景和意义由于今年国内政府的房地产调控，地产经济的不景气，导致房产销量降低，对整个住宅行业及相应电子设备产业会起到一定的打压作用，智能声控灯的市场所面临的客户群体将有所减低。但业内人士普遍认为“机遇与挑战并存”，楼市调控对智能声控灯行业不会带来太大的震动。早在2008年住房和城乡建设部发布的《关于进一步加强住宅装饰装修管理的通知》，就已经在政策层面上，引导和鼓励新建商品住宅一次装修到位或菜单式装修模式。因此，楼市控制将迫使地产商走精品路线，推出“量少质精”的项目工程，做差异化营销，智能声控灯显然是最大的卖点，这对智能声控灯行业发展的影响是积极的。而且从长期来看，由于房屋成交量的减少，必将导致房产公司竞争的加剧，就会增加功能性的装修，所谓增加功能性就是为智能声控灯的发展带来了机会。同时，投资客的减少，就会增加部分别墅或者大户型的自住率，因此，有可能会让智能声控灯从不选择，变成可选择方案。1、未来5年触摸控制，将成为智能声控灯普及型的控制方式，通过一个智能触摸控制屏实现对家庭内部为灯光，电器，窗帘，安防，监控，门禁等智能控制，这是必配的。2、智能手机，将成为未来智能声控灯最重要的移动式智能控制终端，通过手机的智能声控灯客户端软件或WEB方式，实现对家庭内部的远程监控与控制，实现对家里远程开锁，客人图像确认，远程开启空调以及暖器设备。这将成为每个人必需要移动控制方式。3、无线与有线控制系统，将会无缝结合，干线区域采用布线控制系统，小区域采用无线控制系统，这将是未来智能声控灯控制系统与技术的发展方向。智能声控灯在未来可能有两大发展方向：1、智能声控灯将成为家庭版的物联网，实现家庭内部所有物体的相互通讯将是智能声控灯未来发展方向；2、智能声控灯系统将于智慧国家智能系统，智能城市系统，智能楼宇与智能小区，实现无缝联接，所有的智能声控灯系统，都必然会兼容与以上大系统的无缝控制联动。1.2设计的任务和要求1、巩固加深对模拟电子技术基础的理解，提高综合运用所学知识的能力，培养学生独立分析问题、解决问题的能力。2、通过查找资料、选方案、设计电路、写报告等环节的训练，熟悉设计过程、步骤。为今后从事电子线路的设计、研制电子产品打下良好的基础。3、设计模拟和数字电子混合电路，实现特定功能。学习这一技能，积累这方面的经验。4、办公楼或居民楼应用的声控开关；5、白天光线充足时，灯不亮；6、晚上光线暗，若无人声，灯不亮；若有人声，则灯亮。第2章设计理论本设计主要由桥式整流电路、降压滤波电路、声音信号输入电路、光信号输入电路、延时控制电路以及外接电路6部分组成。原理如下：由四个二极管组成的桥式整流电路将输入电路的220V50Hz交流电压变换成脉动直流。该脉动直流电压一路有R3和R1、C3分压并滤波后得到传感及逻辑控制电路所用的电压VCC；另一路接到晶闸管BT169的阳极。当BT169的控制级（栅极）为高电平且输入的交流信号Vi=COS(wt+Φ)处于正半周期时，电流由D2→地→D4→灯流过而将灯点亮。当Vi处于负半周期时，电流由灯→D3→地→D1而将灯点亮。当BT169的控制级为低电平时，晶闸管截止，此时不会产生驱动灯的电流，此时灯是熄灭的。由此可见，灯的亮灭是由晶闸管的控制级电平决定的。因此，关键问题是如何控制其栅极电平的高低。有光时灯灭；无光无声时灯灭；无光有声时灯亮。对光敏电阻RW而言，当有光时，RW<2kΩ，此时HD14011的1脚即第一个与非门的一个输入端为低电平（地），所以3脚为高电平、4脚为低电平，10脚为高电平，11脚为低电平，则此时晶闸管截止，灯泡是灭的。相反，如果无光时，RW>2MΩ，此时HD14011的1脚是高电平，此时第一个与非门的输出取决于2脚的状态，而2脚的状态将由噪声传感器来决定，当没有声音时，2脚为低电平，因此A为高电平，B为低电平，C为高电平，D为低电平，此时晶闸管截止，灯泡灭。当有声音产生时，在麦克风两端产生一个交流信号，经过电容而将2脚置为高电平，此时A为低电平，B为高电平，C为低电平，D为高电平，从而将晶闸管触发导通，灯泡点亮，同时由于B为高电平，可对电容C2充电，这样，当声音消失后，由于C2和R7的存在，使C点维持在低电平直到C2放电结束，在此过程中，灯泡将会一直保持在亮的状态直至此过程结束。第3章仿真测试电路设计3.1VCC值的确定可由R3、R1的分压作用将家用电压经整流后所得电压V0=220x1.414=311V，输入电压的表达式为：Vcc=R1*V0/(R1+R3)，算的VCC=5V。3.2延迟的确定图3.1延迟电路部分由R7、C2组成延迟电路，要求延迟时间为1min，与非门工作高低电平为3.4V，0.3V，延迟T计算公式：T=R7C2ln(Vt+/Vt-)，算得R7=1.1MΩ，C2=22uf3.3与非门的高低电平的输入确定如果无光时，RW>2MΩ,与非门有一脚是高电平，此时第一个与非门的输出取决于另脚的状态，此脚的状态将由噪声传感器来决定。当没有声音时：灯不亮，要求第一个与非门的一脚为低电平，即使三极管工作在饱和区满足条件且输入的电压为0.3V。此时A为高电平，B为低电平，C为高电平，D为低电平，此时晶闸管截止，灯泡为暗[13]。由三极管的工作参数得:Ibs=(Vcc-Vce)/R8β=0.2uAIb=(Vcc-Vce)/R2=1.4uA在饱和工作区不满足IC=βIb且Ib>Ibs令Ib=10Ibs由此可得R8=510KΩR2=3MΩ当有声音时：灯亮，要求第一个与非门的一脚为高电平，三极管工作在放大区且输出高电平3.4V。在麦克风两端产生一个交流信号，经过电容而将脚置成高电平，此时A为低电平，B为高电平，C为低电平，D为高电平，从而将晶闸管触发导通，灯泡点亮。R=R6//R2算得R=35ΩI=Ib+Vce/R算得I=20mA满足声音传感器的额定电流I=20mA电压1~12V。图3.23.4整流电路的设计整流电路有单相桥式整流电路，单相半波整流电路，单相全波整流电路等，本系统选用单相桥式整流电路。整流电路的工作原理：桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图3.4所示。整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。根据图3.4的桥式二极管整流电路和图5的整流波形图可知：当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周[12]。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。3.3桥式二级管整流电路3.4波形参数计算：二极管桥式整流电路输入、输出之间的数量关系及二极管选择的条件：输出电压VO、输出电流IO与输入电压V2的关系：VO=2×0.45V2=0.9V2IO=0.9×(VO/RL）二极管所承受的电流及耐压值IV=IO/2=0.45×(VO/RL）VRM=V2m单向桥式整流电路二极管选择条件：IVZ≥IO/2=0.45×(VO/RL）VRM≥V2m3.5电容滤波电路滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应该与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可以滤掉一部分交流分量，改变了直流成分的比例，减小了电路的脉动系数[11]，改善了直流电压的质量。滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等，本系统设计在单相桥式整流电路直接接并联电容构成电容滤波电路，经过此电容滤波电路去整流输出电压纹波。电容滤波电路如图3.5中滤波原理：若电路处于正半周，二极管D2、D4导通，变压器次端电压V2给电容C充电。此时C相当于并联在V2上，所以输出波形同V2，是正弦形。所以，在t1到t2时刻，二极管导电，C充电，VC=VL按正弦规律变化；t2到t3时刻二极管关断，VC=VL按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。图3.5电容滤波电路当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，二极管关断时间加长，导通角减小，见图7中的曲线；反之，RLC减少时，导通角增加[10]。显然当RL很小，即1L很大时，电容滤波的效果不好，见图7中的曲线。反之，当RL很大，即1L很小时，尽管C较小，RLC仍很大，电容滤波的效果也很好，见图3.5中曲线。3.6晶闸管的工作原理晶闸管的工作原理分析：晶闸管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图8所示。当晶闸管的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时BG2导通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始导通【8】，BG1导通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和导通状态。电路很快从截止状态进入导通状态，这是栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持导通状态不变。如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和BG2均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少，BG1和BG2的基极电流也将减少【9】，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从导通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。在实际应用中，我们可通过一个开关来短路晶闸管的阳极和阴极从而达到晶闸管的关断【7】。3.7元器件表3.7元器件清单列表序号元器件名称型号位号数量1与非门74LSOO12噪声传感器CZN-15EMic13二极管IN4007D1~D554光敏电阻随光度变化Rw15电阻10KΩR116电阻3MΩR217电阻590ΩR318电阻18KΩR419电阻35ΩR6110电阻1MΩR7111电阻510KΩR8112电阻43KΩR9113电容22ufC2~C4314电容0.1ufC1115灯泡220V/100W116晶闸管SCRBT169S11第4章调试及结果分析4.1仿真图仿真图4.14.2调试在通电调试之前，必须认真检查电路连线是否正确，对照电路图按照一定顺序逐级检测,特别要注意电源是否接错，电源与地是否有短接，二极管是否接反，轻轻拨一拨元器件，观察焊点是否牢固。安装保险管后才能给电路通电。电源接通后首先保证安全,观察电路中是否有冒烟、起火等现象。如果有，应立即断电，故障排除后继续通电，并注意观察各器件引脚电压是否正常。打开电源，给系统加上激励信号源(如系统的啪手声、打击声)，用眼睛直接观察灯泡是否亮和按时熄灭。先用万用表测量电路有关点电位是否正常。检查发光二极管是否正常工作。发现不正常现象时，及时找出原因进行修改,注意接线不得有误，接入电源，使脉冲发生电路正常工作。在光电二极管有光与无光的情况下看总体电路的工作情况。观察灯泡是否按要求进行亮暗变化。如不能顺利完成以上功能,则应认真检查电路的连接及功能设计是否有误并作出相应调整。总结白天的时候，光敏电阻的阻值较小。就会屏蔽掉咪头的信号输入。这样即使有很大的声音。但是因为光敏电阻的下拉导致信号无法继续传送，所以白天的时候不亮。夜晚的时候，光敏电阻阻值变大。此时如果有较大的声音的话。声音会通过咪头转化为电信号。然后后级的放大电路将此小信号放大。最后推动晶闸管导通，此时灯泡就会点亮。在晶闸管驱动电路