声控开关课程设计报告11

青岛农业大学海都学院传感器课程设计报告设计题目声光控开关学生专业班级08级电子信息科学与技术二班学生姓名（学号）指导教师完成时间2011年7月8日实习（设计）地点硬件实验室2011年7月8日一、课程设计目的和任务设计目的：掌握光敏传感器及其电路应用原理设计任务：声光控延时开关采用行人脚步，拍手或咳嗽声来控制灯的开启。灯光延时一定时间自动关闭。白天光线强时将其闭锁，即使有行人的脚步声开关始终处于闭锁状态也不会开启。实现声来灯亮、声离灯灭，令我们无论在家里还是在别处，方便自如，都能够乐在其中”。ZX2027灯头型声光控延时开关，在灯头上装上白炽灯安装在走廊、楼梯间或厕所里，白天不亮，晚上只要你发出声响灯就亮20秒，人离开后灯熄灭。设计要求：（1）了解声光控延时开关电路的组成及工作原理。（2）熟悉驻极体话筒和光敏电阻器的特性。（3）学习声光控延时开关电路设计。（4）光线暗时，声音触发开关接通灯亮，延时一定时间（20秒左右）后自动熄灭二、分析与设计设计任务分析声光控开关电路应由电源电路、声控电路、光控电路、延时电子开关电路四大部分组成。如图：声光控延时开关实现在白天呈关闭状态，只有在晚上且存在声响情况下（如人的脚步声等）才开启，开启后延时一段时间后又能自动关闭。设计方案论证：通过查阅资料，得到当外部条件变化（天色变暗、有明显声响）时，光敏和声敏元件电位及电阻明显变化，微弱信号经放大器放大后足以使的控制开关开启，是电路导通。我认为此设计方案可行。详细设计：1）电路工作原理：开关电路中声音检测采用驻极体话筒MIC，三极管T2组成放大器。无声响静态时T2是处于饱和导通状态，当有声响时，话筒MIC接收声响信号，可使T2截止。亮度检测由光敏电阻RG完成。电路使用的CMOS数字集成电路CD4011，内含有四个2输入端与非门。CD4011中除其中一个直接用为2输入端与非门作为判别电路外，其余三个均接成反相器作放大器用。D6、R6、C4组成延时电路。开关采用可控硅T1。二极管D1~D4与可控硅T1组成可控整流电路，当T1导通时，灯泡发亮；T1截止时，灯泡熄灭。白天时，光敏电阻RG受光照呈低阻态，CD4011eq\o\ac(○,13)脚始终为低电平。这时不管CD4011eq\o\ac(○,12)脚为高电平（有响声使T2截止）还是低电平（无声响T2饱和导通），与非门输出eq\o\ac(○,11)脚始终为高电平。经三次反相后，eq\o\ac(○,10)脚输出为低电平，可控硅T1截止，灯泡不亮。可见由于光敏电阻RG受光照作用，白天灯泡一直不会亮。晚上天黑时，光敏电阻RG无光照呈高阻态，CD4011eq\o\ac(○,13)脚始终为高电平。这时如果无声响，T2饱和导通，eq\o\ac(○,12)脚为低电平，则与非门输出eq\o\ac(○,11)脚仍然为高电平，电路状态与白天相同。但当有声响发生时，话筒MIC接收声响信号使T2截止，eq\o\ac(○,12)脚为高电平，与非门输出eq\o\ac(○,11)脚变为低电平，经一级反相放大后，eq\o\ac(○,3)脚输出高电平。此时eq\o\ac(○,3)脚输出的高电平经导通的D6迅速对电容C4充电，使eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)脚升至高电平，再经两级反相后，eq\o\ac(○,10)脚输出为高电平，由此触发可控硅T1导通，灯泡点亮。声响消失后，T2恢复饱和导通，eq\o\ac(○,12)脚为低电平，eq\o\ac(○,11)脚输出高电平，经一级反相放大后，eq\o\ac(○,3)脚输出低电平。此时由于C4还来不及放电，D6截止。随后C4通过R6缓慢放电，C4两端电压即eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)脚电压逐渐下降。当eq\o\ac(○,5)eq\o\ac(○,6)脚电压下降至低电平电压值（1V左右）时，eq\o\ac(○,4)脚输出高电平，eq\o\ac(○,10)脚输出低电平使T1截止，灯炮熄灭。由此可见，灯泡发亮的维持时间主要取决于C4的放电时间常数。改变电阻R6的阻值，可调整延时时间，通常设计延时45~60秒左右。调整电阻R5，可改变电路白天到黑天的亮度阈值。话筒灵敏度可由R2调整。2）光控电路光控电路它是用外来的光源来控制电路的设备。其作用是把外来送入的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。常用的电路有：发光器件电路、光敏器件电路和光电显示器件电路。本次实验的中我们选用光敏电阻作为传感器来实现光控。光敏电阻器又叫光感电阻，其工作原理是基于内光电效应。光敏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。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。3）声控电路我们选择MIC做为接收信号源，工作原理：话筒将声音信号转化为负极性的电信号。声控电路通过声音信号控制可控硅的导通状态，其特征在于，所述声控电路包括电源部分，谐振放大部分及触发器，电源部分通过电容降压、整流及稳压提供声控电路所需的直流电压，谐振放大部分包括多极三极管放大，话筒接在第一级放大三极管的基极上并由电容耦合，一个由电感和电容构成的振荡电路接在末级放大三极管的基极上，放大后的信号影响触发器的翻转，并最终控制可控硅的控制极的电位。当光线不足或黑夜时，MIC接收到声信号，开始工作。4）延时电子开关电路延时电子开关电路它是用电路中送入的信号进行控制电路的设备。其作用是用送入来的信号去控制电路，使电路达到延时的效果。常用的延时电路有按键延时电路、感应延时电路、开关控制延时电路、光控延时电路、声光双控延时电路等。而本电路延时电子开关电路使用主要的电路为声光双控延时电路部分。声光双控电路是声、光控开关的组合。它是利用驻极体话筒是否采集到声音信号，光敏电阻感应光线的明暗来改变信号的高低电平，以达到控制电路输出高低电平的目的，再利用稳压管高电平导通的原理来控制灯泡的亮灭。延时电子开关电路的设计，采用集成CD4011。延时电路的设计主要由C3和R9组成。当夜晚有响声（如脚步声、说话声等），话筒接收到信号后内阻增大，CD4011的8、9脚为高电平，10脚为低电平，VD9截止，C3通过R9放电，放电的时间长短决定了灯亮的时间，直到C3上的电放完到CD4011的15脚，这时为低电平，灯泡熄灭，等待下一次信号。集成电路CD4011是一个包含4个与非门的CMOS电路（如图3-2），每个与非门有2个输入端一个输出端，与非门的特点是，输入端有低电平输出高电平，输入端全部高电平输出低电平，逻辑表达式为：。图3-2CD4011内部结构5）整流电路的设计整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路。根据电压的充分利用整流电路选用单向桥式整流电路。单向桥式整流电路是由电源变压器T，4只整流二极管VD1～VD4和负载RL组成。电路图如2-1图所示。图3-1桥式整流电路原理图工作原理：利用4个二极管接成电桥使在U2的正负半周的电压经过两只二极管交替导通，即在负载上形成了单方向的全波脉冲电压。其中单向桥式整流电路对电压的利用率高。原理图及元器件清单等1）电路原理图：2）元器件清单：序号名称型号规格位号数量序号名称型号规格位号数量1集成电路CD4011IC1块12集成电路插座14脚1个2三极管9014VT1支13五金螺口件1个3单向可控硅100-6T1支14异形垫圈、磷铜簧片各1片4整流二极管1N4007VD1-VD66支15印制板1块5驻极体54+-2dbBM1支16粗导线4根6光敏电阻625ARG1支17平灯座、园盖板1套7电阻器18K、27KR2、R6各1支18小焊片3.2mm2片8电阻器47K、1.5MR5、R4各1支19自攻螺丝3*8mm4粒9电阻器180K、3.9MR1、R8、R7、R3各2支20元机螺丝3*8mm2粒10瓷片电容104C11支21螺帽2粒11电解电容10u、22uC3、C2各1支系统实施(系统实现与调试过程中遇到的主要问题分析和系统运行的结果)根据电路原理图，选择出需要的电子元器件，依据电路图正确焊接，焊接完成后，重新检查电路板有没有虚焊、短路等问题。检查完毕后通电试验。在第一次的试验中出现了一点问题导致灯泡不亮，后经改进后，又出现一些新的问题---灯泡点亮时间太短没有进行延时。有关问题分析如下：灯泡一直不亮这种情况可能是灯泡断路．也可能是电源或控制电路出现故障。在确认灯泡正常的情况下先检查C1两端是否有10V以上直流电压。如果没有，说明整流二极管VD1~VD4或电阻或焊点出现开路性故障．或C1损坏．应逐一检查确诊。若C1两端电压正常，再检查光敏电阻是否正常．光敏电阻在用黑纸包裹起来后测量其阻值应在1MΩ以上。在有光照射下阻值应只有数百欧姆．否则应予更换。当确认光敏电阻正常后，用黑纸严密包裹起来．然后在四个与非门输入端依次加入人为触发信号．并用万用表监测其输出端电平是否改变。若不变．在外围元件正常的情况下，说明CD4011损坏。若证明CD4011正常。在CD4011（11）脚有高电平输出的前提下．灯泡仍不亮．那只有是R3或可控硅出现开路性损坏。若在CD4011各输入端人为加入触发信号，CD4011能正常翻转且灯泡能点亮。则应检查话筒、C3、VT1。灯泡点亮时间太短这主要是C2、R6时间常数太小．常见原因是C2漏电．其次是二极管VD5的反向漏电流太大。检查并更换后故障即可排除。四、总结与体会：本次设计涉及到传感器和电子技术的一些理论知识。其中包括光敏电阻的结构和工作原理，驻极体的工作原理等。通过本次设计加深了传感器的认识和应用的能力，懂得如何设计整流电路最高效，如何设计延时电路等。学会如何分析电路，解决实验中出现的问题以及分析问题解决问题的方法。另外，对于本次设计在生活中的应用有以下想法。随着国家的可持续发展战略的实施，节能是可持续发展的手段。往常的开关路灯，在无人的时候也亮着，无疑的是一种浪费。而在一些学校、办公楼、街道设施等公共设施大多的灯都是通过开关电路控制，这种浪费不仅加大了财政支出，且对于用电高峰时无疑是一种负担；为了节约用电大多数设施都采用节能灯。同时，也越来越多的学校、企业重视这个问题，采用声光控来做为节能的一个重要环节，未来生活中声光控电路不仅应用于灯开关，还可以应用很多的自动开关电路，甚至还可以做成简易的报警电路；做为学电子信息的一名学生，我们还可在这一领域探讨研究，将声光控电路加以改进。五、参考书目：1.刘笃