1、声光控延时开关*大学课程设计说明书设计题目 声光控延时开关 专 业 姓 名 学 号 指导教师 2012年1月6日时间2011年12月26日2012年1月6日地点科技楼211课程设计内容1. 功能与技术指标：声光双控延时开光不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公室、教学楼等公共场所，它是公共场所照明开关的理想选择，被人们誉为“长明灯的克星”。本课题设计的是一个灵敏度较高的声光控制开关，行人只要拍个巴掌就能电路触发，将电灯打开。其功能是在白天，电路总是关断。在黑暗条件下，电路处于等待工作状态，当有声音出现时（或有人经过），可控硅导通，驱动灯泡发光，并开始进入延时状态，一段时间后可控硅自动关
2、断，灯泡熄灭，节电环保。 系统直接接入市电。要求以白炽灯作为控制对象，带负载能力：小于6 0W，平均延时时间30秒-60秒。2.原理框图 设计思想：白天或晚上光线较亮时，光控部分将开关断开，声控部分起不了作用。当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分。电路能否接通就看声音信号强度。当声音强度达到一定程度时，电路自动接通，白炽灯点亮，并开始延时，延时时间到开关自动关闭，等下一次声音信号触发。 元件选择：MIC用驻极体话筒，RG用一般光敏电阻即可，U1用一片低工耗COMS四与门电路CD4081，Q1用9014低频管，放大倍数越大灵敏度越高，D5用IN4148，C2、C3用
3、电解电容、D6可选用MCR100-6A的单向可控硅，电阻均为1/8w炭膜电阻，阻值按图。D1-D4用IN4007，反向漏电必须小。电灯的功率25W。 3.电路图图二 实验电路图 图三 实验电路仿真图工作原理：电路如下图，220V市电通过灯丝、D1-D4、降压整流后，经过R1限流、R6、C2稳压滤波为电路提供稳定的工作电压。R5、RG组成分压电路，白天由于光照RG阻值变小，U1脚电位被拉低，由与门的逻辑关系可知此时U1脚输出为低电平，D5截止后级电路不动作。晚上光线暗RG阻值变大，U1脚电位升高，如果此时有声音被MIC接收，经C1耦合T1放大，在R3上形成音频电压，此电压如高于1/2电源电压，则
4、U1脚输出高电平，输出的高电平经D5向C3瞬间充电，使R3输入端接近电源电压，经R6触发可控硅导通，电灯正常点亮。（此时则由C3向电路供电）如此后无声被MIC接收，则U1输出恢复为高电平，C3通过R8缓慢放电，当C3电压下降到低于1/2电源电压时，可控硅（D6）截止电灯关闭，等待下次触发。4.方案论证整流电路采用桥式整流电路，二极管稳压电路加上滤波电容。可控硅开关起开关作用，非常重要，由这个开关去控制整流电路的工作与否，从而控制灯的亮和熄。稳压电路需8.2V稳定电压，并要求不高所以我们采用它话筒放大 为实现声控功能，要设制话筒放大电路，主要是由话筒拾音电路（就是把声音信号变为电信号电路，由于声
5、音微小，所以加放大电路）和放大电路组成。光敏控制电路实现光控的功能，可以有光敏电阻来实现。音频放大电路 因话筒输出的音频信号小，不能满足检波的需要，设制二极管音频放大电路，倍数几千上万倍。检波电路 音频信号是交流信号，不用交流信号控制可控硅，需转换为直流信号，才能控制可控硅，因是小信号，要反映信号的蜂值电路线变化。延迟电路在灯点亮时需要有延迟，检波输出直流电压通过延迟电路是电压消失，保持一段时间，所保持时间的长短由延迟电路的参数决定，实际上延迟电路由RC电路组成，时间常数=RC，这是可控制电压。控制电路 是控制可控硅栅极的开关电路，它的输入由延时端的延时电路送来的电压控制，输出控制可控硅的导通
6、情况。 论证方案：声源产生的声音信号，经声电转换器后转换成微弱的电信号，该信号经放大后送处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变的控制信号，该信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要求功能，经执行机构直接控制负载动作。5. 器件的选择及检测方法U1选用cmos数字集成电路cd4081，其里面含有四个独立的与门电路。内部结构见图四，vss是电源的负极，vdd是电源的正极。可控硅D6选用单向可控硅1 00-6型，如负载电流大可选用3a、6a、10a等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图五示，它的测量方法是：用r1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极，这时表针无
7、读数，然后用黑表笔触一下控制极2，这时表针有读数，黑表笔马上离开控制极2这时表针仍有读数(注意触控制极时正负表笔是始终连接说明该可控硅是完好的。驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：用r100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100mq，说明该元件是完好的。二极管采用普通的整流二极管IN4007。总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。在测试时先把指针表满偏同时将指针表打到1K档，其次：用表笔对电容进行放电，在用表进行测试，
8、用红笔接负极，黑笔接正极；最后：看指针的偏转，且还要指针还原，如能还原就表明电容正常，不能回到原位则表明电容漏电。测试漏电电容方法：用万用表的电阻挡（R*100和R*1K），将表笔接触电容器两引线。刚接触时，由于电容充电电流大，表头指针偏转角度大，随着充电电流减小，指针逐渐向R=无穷方向返回，最后稳定处即漏电电阻值。一般电容器的漏电电阻为几百至几千兆欧，漏电电阻相对小的电容质量不好。测量时，若表头指针指到或接近欧姆零点，表示电容器内部短路。若指针不动，始终指在R=无穷处，则意味着电容器内部短路或已失效。对于电容量在0.1F以下的小电容，由于漏电电阻接近无穷，难以分辨，故不能此法侧漏电阻或判定好
9、坏。 电解电容器的极性检测： 电解电容的正负极性不允许接错，当极性接反时，可能因电解液的反向极化，引起电解电容器的爆裂。当极性标记无法辨认时，可根据正向连接时漏电电阻大、反向连接时漏电电阻相对小的特点判断极性。交换表笔前后两次测量漏电电阻，阻值大的一次，黑表笔接触的是正极，因为黑表笔与万用表内电池正极相接（采用数字万用表时，红表笔接电池正极）。但用这种办法有时并不能明显地区分正、负向电阻，所以使用电解电容时，要注意保护极性标记。 二极管测试：二极管主要分为三种：整流二极管、稳压二极管、发光二极管；此外，还有开关二极管。先打磨引脚，再用指针表测试，因二极管具有单相导电性，所以，在测试时，红笔接负
10、极，黑笔接正极，若是导通，且红笔接正极，黑笔接负极，为截止，则表明二极管是正常的，若不是则表明二极管是坏的。注：发光二极管用10K，其它用1K档；发光二极管的光线是非常微弱的，因此，在观察是要仔细。 半导体二极管的极性判别一般情况下，二极管有色点的一端为正极，如2AP1-2AP7，2AP11-2AP17等。如果是透明玻璃壳二极管，可直接看出极性，即内部连触丝的一头是正极，连半导体片的一头是负极。塑封二极管有圆环标志的是负极，如IN4007系别。 三极管测试：和所有元件一样三极管也要打磨引脚，然后在进行测试。用手拿住元件，用指针表来回测量六次，判断出基极、是PNP型还是NPN型。 若：红笔不动P
11、NP型； 黑笔不动NPN型。如果是NPN型：用手捏住三支引脚，用表笔测试两边引脚，并交换表笔；若指针偏转较大，黑表笔接的是集电极，另一方则是发射集。如果是PNP型：步骤与NP N型一样，但当指针偏转较大是，黑笔接的是发射极，另一方则是集电极。三极管除了判断其管型和极点外，还要判断出它所处的状态，是截止、饱和、还是放大。光敏电阻：先用手拿住两只引脚，使其对着光，然后，用数字表测出值；再用握住使其背光，测出其值。图四 CD4081的内部结构图五 单向可控硅的外形图及接法 可控硅的原理：可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN 结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的
12、功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。 晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。 从晶闸管的内部分析工作过程：晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结图一，可以把它中间的NP分成两部分，构成
13、一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管图二。 当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。 设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：Ia=Ic1+Ic2+Ic0或Ia=a1Ia+
14、a2Ik+Ic0 若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig 从而可以得出晶闸管阳极电流为：I=(Ic0+Iga2)/（1-（a1+a2） （11） 硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化。 当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（11）中，Ig=0,(a1+a2)很小，故晶闸管的阳极电流IaIc0 晶闸关处于正向阻断状态。当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大
15、的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。这样强烈的正反馈过程迅速进行。当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）1时，式（11）中的分母1-（a1+a2）0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。晶闸管已处于正向导通状态。 式（11）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。晶闸管在导通后，门极已失去作用。 在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）0时，晶闸管恢复阻断状态。6.
16、部分参数计算：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Uon=Ube=0.4V，给定电源电压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,Vr4+Vr5=(Rc+Re)*Ice而得, 而Ice=(Vr3-0.4)/Re,Vr3=Rb2/(Rb2+Rb1)*Vcc先假定Rb2=6.8K，则有：Rb1=75K，Rc=24K，Re=2K。此时，Ice=(Vr3-0.4)/Re=0.1mA,Vce=Vcc-(Rc+Re)*Ice=3.43VVbe=0.4+
17、Ice*Re=0.50V这些参数满足使三极管工作在放大状态。Au的计算：Au=Uo/Ui=-(r*Rc)/Rbe其中r=164, Rbe=Rbb+(1+r)*Ut/Ice,Ut=26mV经计算得出：Rbe=43.1k, Au=95.47 。 图中C1的作用是对电源进行滤波，通常取得较大，这里取C1=100uF。 R8、C3为延时电路，延时时间计算公式为T=2R8*C3 7.安装调试及故障分析安装调试： 设计好电路图后，检测器件，根据电路图先在电路板上焊接，安装过程中要细心，不能出现短路和断路问题。出现问题后仔细检查电路的连接问题。连接过程中不能出现三极管管脚连接错误，可控硅的连接也要正确，否则
18、会出现烧毁元器件的情况，出现危险。 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。 电路板与220V高压连接在一起，在接220交流电时，必须接上灯泡（220V，25W），特别注意防止触电。 故障分析：灯泡一直亮着灯泡一直亮着的问题，多是三极管被击穿，造成继电器中一直有电流通过，从而灯泡回路一直处于导通状态；或者是继电器和灯泡回路的接法不正确，使得继电器中一直有电流通过或者灯泡直接接在电源回路上，从而使灯泡一直处于导通状态。若没有上述错误，则极有可能是集成电路CD4081损坏灯泡始终不亮出现这一问题，先检
19、查灯泡是否正常。如果灯泡正常，就说明开关电路中有元件损坏。可先焊开光敏电阻器的一个脚，在想话筒送入声音信号的同时，用万用表侧集成电路2脚的电压，看指针是否摆动。若摆动很小或不摆动，就应检查声音触发控制电路中的各元件，包括话筒、电阻器R1到R4、电容器C1、三极管T1。发光时间短这是延时电路的电容器C3或电阻器R8有问题，可用容量大点的电容替换C3，或对电阻器R3进行替换。若更换后，延时时间还是较短，则有可能是二极管D5不良。 注：在实际电路中，由于电容器本身有电阻，再加上其放电并不是放到零为止，所以其放电时间比理论计算少。8.实验结果：白天当光线照射到光敏电阻上时，其通过感应使电路封锁声音通道
20、，使声音脉冲不能通过，则灯泡不受声音控制，即声控传感器暂时失去作用，灯泡不亮。夜间或光线较暗时，光敏电阻因无光照呈低阻，经感应使声音通道开通，当有人走动或有人谈话时，通过声控传感器的感应，使得灯泡自动点亮，经过内部设定的时间后，灯泡自动熄灭。附录原器件清单声光控延时开关原件清单序号名称位号型号规格数量1集成电路U1CD408112单向可控硅D6100-613三极管Q1901414整流二极管D1D5IN400755驻极体BM542dB16光敏电阻RG625A17电阻R1R8120K、47K、47K、2.2M、1M、10K、470K、510K各18灯泡X1220V/25W19瓷片电容C1104（0
21、.1uF）110电解电容C2、C310uF/10V2课程设计收获在此次的声光控延时开关的设计过程中，更进一步的熟悉了数电和模电知识。在实验过程中，刚开始研究原理图时参看了好多资料，包括模电课本，数电课本，查阅了一些器件的用法，如晶闸管，之后对原理图进行了仿真，仿真过程中对麦克风和光敏电阻进行模拟，仿真成功后利用万能板焊接，然后进行调试，在调试过程中发现了好多问题:电路没有焊好，有好几处虚焊的地方，延时电路不能正常工作，这些都导致电路没能完全工作，刚开始没有成功。我也得出结论，不同的电路可以实现同样的功能，我们应该设计最简单，最经济，最实用的电路。当然这个不一定所有条件都符合，找到一个最大限度满
22、足各种条件的方案是我们设计的目标。 每次课程设计是一次难得的锻炼机会，让我们能够充分利用所学过的理论知识还有自己的想象的能力，另外还让我们学习查找资料的方法，以及自己处理分析电路，设计电路的能力。我相信是对我的一个很好的提高。平时在学习理论知识的时候，我们应该更注重实践，应付考试有考试的方法。这次的课程设计让我懂得了它们在实际中的用途，还有我们身边的很多的声光控延时开关，这些都是我们自己可以实现的，以前那些神秘的东西在不断的学习过程中变得不再那么神秘，我相信，以后还有更多的谜底被揭开。通过这次课程设计，我还更加深了理论知识的学习。这次的设计电路我设想了多种芯片，通过自己分析和设计更好地运用了它
23、们，发现同样地功能可用不同的芯片实现，可以利用不同的接法设计出各种各样不同的电路出来。通过本次的设计与制作，首先使我了解了设计电路的步骤与设计的理念，使我更加熟练的掌握了Mutisim、Protel 99 SE的使用，更加熟悉了各种元器件的参数及功能作用，对各种电路有了初步的了解；其次，通过这次课程设计对我们所学的一些知识（如模电、数电等）起到了加深和巩固的作用，也使我获得了搭建和调试实验电路的能力；最后，通过这次课程设计也锻炼了我的主动学习能力、与他人合作的能力，还可以从各种渠道获得一定的资料共同加以研究学习，提高了我们的实际动手能力，对我们以后的学习和工作都将有很大的帮助。 学生：（签名） 年 月 日成绩评定优秀良好中等及格不及格指导教师：王静波 2012年1月10日
