声光控延时开关.docx
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声光控延时开关.docx
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声光控延时开关
声光控延时开关
目录
摘要…………………………………………………………3
关键字………………………………………………………3
一、引言……………………………………………………3
二、目标分析………………………………………………3
三、工作原理………………………………………………4
四、设计的思想和依据……………………………………4
五、设计过程………………………………………………6
1.信号输入设计………………………………………6
1.1声音接收电路设计……………………………6
1.2光接收电路设计………………………………6
2.放大电路设计………………………………………7
3.控制门电路设计……………………………………8
4.整形电路设计………………………………………8
5.延时电路设计………………………………………8
6.二级整形电路设计…………………………………9
7.电子开关电路设计…………………………………9
8.负载电路设计………………………………………9
六、制作过程………………………………………………10
1.元件检查……………………………………………10
2.对焊接的要求………………………………………10
3.常见焊点缺陷及分析………………………………10
七、测试和结果分析………………………………………10
八、总结……………………………………………………11
致谢…………………………………………………………11
参考文献……………………………………………………12
附录…………………………………………………………13
摘要
天黑以后,当有人走过楼梯通道,发出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,就可以达到节能的目的。
声光控延时开关可以避免能源浪费,它具有使用方便、性能稳定、节能效果显著的特点,肯定会倍受小区、工厂、办公楼、教学楼等公共场所的欢迎。
关键字
照明节能声光控延时开关
一、引言
随着社会的进步及发展,人民生活水平逐步提高,国家的有关规范及标准也不断的加强,99年最新发布的《住宅建筑设计规范》GB50096-1999中明确规定,住宅中公共部分应设人工照明,除高层住宅的电梯厅和应急照明外,均应采用节能自熄开关。
采用自熄开关的主要目的就是改善人们居住环境及节能。
按照国标GB1061,优质灯泡在正常使用情况下,平均寿命在1000小时左右,而普通灯泡则更短。
如果走廊是夜间常明灯,每年除灯泡损耗费用外还要有100多度电的损耗,加上更换灯泡等人工费用,每年每个灯年消耗近百元,这不仅浪费大量能源,而且由于频繁更换灯泡造成维修工作量加大,有时有些场所走廊由于无人及时维修管理,许多楼梯晚上漆黑一片,给人们生活带来许多不便,这与现代城市文明也极不协调,要从根本上改变这一现象就必须采用自熄开关才能达到节能及方便文明的目的。
目前市场上所遇到的自熄开关主要有声光控延时开关、触摸式延时开关、红外开关等;其中触摸式除了易受损坏,不安全外,还有传染病菌的弊病,很难在公关场所应用,特别是在医院这样人员复杂的场所;红外开关,价高难以普及,抗干扰能力差。
而声光控品种多,价格从几元到二十多元不等;本文中设计的声光控延时开关不仅运用了光的作用,也运用到了声音的作用,具有使用方便、性能稳定、节能效果显著的特点,实现人来灯亮,人离灯免,白天不亮这一基本功能,深受小区、工厂、办公楼、教学楼等公共场所的欢迎。
二、目标分析
采用单线出入 可直接替代原手控开关,不用另接线,便于安装。
声控灵敏度高 在其附近的脚步声、说话声等均可将开关启动。
寿命长 该开关全部采用无触点元件,不用担心使用寿命。
耗电省 该开关自身耗电小于0.5W。
三、工作原理
顾名思义,声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启”,60秒后延时开关“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。
基本工作原理就是当环境光线较亮时,由于光敏电阻的作用,门电路被封锁,声音不能触发延时电路工作,灯泡不发光.在光线较暗的环境下,有声音时,门电路发生短时间翻转,先对定时电容充电或放电(两种工作类型),再利用大电阻对定时电容缓慢地放电或充电,以达到延时目的。
明确了电路的信号流程方向后,即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元,由此可画出图1所示的方框图。
负载
图1方框图
声音信号通过驻极体的检音,放大声音信号到控制门,利用二极管整形并延时,构成延时电路,然后经过二级整形到电子开关,60W的灯泡变亮。
光信号通过光敏电阻的感光到控制门,利用二极管整形并延时,构成延时电路,然后经过二级整形到电子开关,60W的灯泡变亮。
四、设计的思想和依据
电路中采用CD4011四个独立的与非门作为处理芯片,原理图见下图2
图2原理图
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VT的基极进行电压放大,放大的信号送到与非门(D1)的2脚,R4、R7是VT偏置电阻,C2是电源滤波电容。
为了使声光控延时开关在白天开关断开,即灯不亮,由光敏电阻RG等元件组成光控电路,R5和RG组成串联分压电路,夜晚无环境光时,光敏电阻的阻值很大,RG两端的电压高,即为高电平“1”,则与非门D1的1脚为高电平“1”。
使声光控电路工作具备了光控条件。
白天较强的环境使RG的阻值很小,RG两端的电压几乎为0,即为低电平“0”,则与非门D1的1脚为低电平“0”,使声光控电路不具备光控条件,电子开关处于断开状态。
当在夜晚,同时又有外界声信号时,与非门D1的两输入端,都为高电平“1”,输出为“0”。
经D2整形后输为高电平“1”,经VD5后给C3充电,C3和R8构成延时电路,延时时间T=2πR8C3,改变R8或C3的值,可改变延时时间,满足不同目的。
D3和D4构成两级整形电路,将方波信号进行整形。
当C3充电到一定电平时,信号经与非门D3、D4后输出为高电平,使单向可控硅导通,电子开关闭合;C3充满电后只向R8放电,当放电到一定电平时,经与非门D3、D4输出为低电平,使单向可控硅截止,电子开关断开,完成一次完整的电子开关由开到关的过程。
二极管VD1~VD4将交流220V进行桥式整流,变成脉动直流电,又经R1降压,C2滤波后即为电路的直流电源,为BM、VT、IC等供电。
五、实际设计过程
1.信号输入设计
信号输入有两种接收电路,一种是声音接收电路,另一种为光接收电路。
1.1声音接收电路设计
声音接收电路主要是由驻极体完成,有声音输入时,先检音,后经C1耦合到VT的基极进行电压放大。
我设计产品中的驻极体选用的是:
一般收录机用的小话筒,具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点,广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。
驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。
原理:
驻极体话筒一般由驻极体与结型场效应管组合而成。
驻极体是由进行特殊处理的高分子材料组成,这些高分子材料表面具有永久电荷(Q)。
驻极体结构有振膜、背极、空隙三部分,这样在振膜与背极间形成一个具有定量电荷的电容结构。
当说话时,会引起振膜与背极间的距离(D)变化,据C=εS/D可知,将使电容(C)变化;据U=Q/C可知,a、b间电压会变化;从而引起结型场效应管的G、S间电压变化,在D、S间产生放大的电信号。
检测法:
将驻极体话筒加上正常的偏置电压,将万用表拨到Rx100档,用两表笔分别接两芯线,相当于给内部源极、漏极间加电压,此时,万用表指针应在一定的刻度上。
然后对话筒吹气,如果指针有一定幅度的摆动,说明驻极体话筒完好,如果无反映,则该话筒漏电。
如果直接测试话筒引线无电阻,说明话筒内部可能开路;如果阻值为零,则话筒内部短路。
驻极体的外形见下图:
1.2光接收电路设计
光接收电路主要是由光敏电阻RG等元件组成的光控电路,产品中的光敏电阻选用的是625A型,有光照射时电阻为20K以下,无光时电阻值大于100MΩ,说明该元件是完好的。
光敏电阻的特性:
它是由半导体材料制成的,光敏电阻器的阻值随入射光线(可见光)的强弱变化而变化,在黑暗条件下,它的阻值(暗阻)可达1~10MΩ;在强光条件(100LX)下,它的阻值(亮阻)仅有几百至数千欧姆。
光敏电阻器对光的敏感性(即光谱特性)与人眼对可见光(0.4~0.76)μm的响应很接近,只要人眼可感受的光,都会引起它的阻值变化。
所以设计光控电路时,都用白炽灯泡(小电珠)光线或自然光线作控制光源,使设计大为简化。
它的基本参数为光谱特性、照度特性、响应特性、温度特性;工作原理:
基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线,将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。
为了增加灵敏度,两电极常做成梳状。
构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
当光敏电阻受到光照时,价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带,成为自由电子,同时产生空穴,电子—空穴对的出现使电阻率变小。
光照愈强,光生电子—空穴对就越多,阻值就愈低。
当光敏电阻两端加上电压后,流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。
入射光消失,电子-空穴对逐渐复合,电阻也逐渐恢复原值,电流也逐渐减小。
光敏电阻的外形见下图:
2.放大电路设计
放大电路主要由三极管来实现。
产品中的三极管选用的是9014型号,它最基本的作用是放大作用,它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号。
三极管一个重要参数就是电流放大系数β,当三极管的基极上加一个微小的电流时,在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流,即集电极电流。
集电极电流随基极电流的变化而变化,并且基极电流很小的变化就可以引起集电极电流很大的变化。
用万用表实测此三极管直流放大系数β为56。
三极管引脚的识别:
三极管引脚排列的排置依其品种、型号及功能等部同而异。
要正确使用三极管,首先必须识别出三极管的各个电极;用指针式万用表的R×100或R×1K档分别测量三极管三个电极中每两个极之间的正、反向电阻。
当用一个表笔接某一电极,而另一个表笔接触另外两个电极均测得低阻值时,则第一根表笔所接的那个电极为基极。
这时,要注意万用表表笔的极性,如果红表笔接的是基极b,黑表笔接的分别接在其他两极时,测得的阻值都较小,则可判定被测三极管为PNP型管;如果黑表笔接的是基极b,红表笔分别接触其他两极时,测得的阻值较小,则被测三极管为NPN型。
将指针式万用表置于R×100或R×1K档,红表笔接基极b(PNP三极管),用黑表笔分别接触另外两个管脚时,所测得的两个电阻值会是一个大一些,一个小一些。
在阻值小的一次测量中,黑表笔所接触管脚为集电极;在阻值较大的一次测量中,黑表笔所接管脚为发射极。
三极管的外形见下图:
3.控制门电路设计
控制门电路主要由图2电路中的主要核心元器件使用的是数字集成电路CD4011,在我们这集成电路CD4011的市场很多,很容易买得到,而且也不贵。
其内部含有四个独立的与非门D1~D4,VDD是电源的正极,VSS是电源的负极。
其内部结构见下图:
4.整形电路设计
整形电路主要依靠的是整流二极管,信号由控制门经D2整形。
二极管VD1~VD4将交流220V进行桥式整流,变成脉动直流电,又经R1降压,C2滤波后即为电路的直流电源,为BM、VT、IC等供电。
产品中的整流二极管选用的是1N4007型号,VD1-VD5共5个二极管。
二极管的主要特性是单向导电性,也就是在正向电压的作用下,导通电阻很小;而在反向电压作用下导通电阻极大或无穷大。
因为二极管的p-n结里有一个内电场,平时它是处在动态平衡状态的。
当外加电压与内电场的方向相同时,内电场得到了增强,使电路中的电流更加难以逾越,承现出高电阻。
这就是它的反向阻断;当外加电压与内电场的方向相反时,内电场得到了削弱,打破了内部的动态平衡,使扩散运动继续进行,有较大的电流通过,这就是它的正向导通。
结合上述二极管有单向导电性,利用它的单向导电性可以将交流整成直流,这就是二极管的整流作用。
二管的外形见下图:
5.延时电路设计
延时电路主要依靠电解电容和电阻,由电解电容C3和电阻R8构成延时电路,延时时间T=2πR8C3,改变电阻R8或电解电容C3的值,可改变延时时间,满足不同目的。
6.二级整形电路设计
二级整形电路主要依靠D3和D4,由D3和D4构成两级整形电路,将方波信号进行整形。
7.电子开关电路设计
电子开关电路主要依靠可控硅T,当C3充电到一定电平时,信号经与非门D3、D4后输出为高电平,使单向可控硅导通,电子开关闭合;C3充满电后只向R8放电,当放电到一定电平时,经与非门D3、D4输出为低电平,使单向可控硅截止,电子开关断开,完成一次完整的电子开关由开到关的过程。
产品中的可控硅T选用1A/400V的进口单向可控硅100-6型,它有阳极A、阴极K、控制极G三个引出脚。
它的特性是:
当单向可控硅阳极A与阴极K之间加有正向电压,同时控制极G与阴极间加上所需的正向触发电压时,方可被触发导通。
此时A、K间呈低阻导通状态,阳极A与阴极K间压降约1V。
单向可控硅导通后,控制器G即使失去触发电压,只要阳极A和阴极K之间仍保持正向电压,单向可控硅继续处于低阻导通状态。
只有把阳极A电压拆除或阳极A、阴极K间电压极性发生改变(交流过零)时,单向可控硅才由低阻导通状态转换为高阻截止状态。
单向可控硅一旦截止,即使阳极A和阴极K间又重新加上正向电压,仍需在控制极G和阴极K间有重新加上正向触发电压方可导通。
单向可控硅的导通与截止状态相当于开关的闭合与断开状态,用它可制成无触点开关。
单向可控硅的测量方法是:
万用表选用R×1档,用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚,此时黑表笔的引脚为控制极G,红表笔的引脚为阴极K,另一空脚为阳极A。
此时将黑表笔接已判断了的阳极A,红表笔仍接阴极K。
此时万用表指针应不动。
用短线瞬间短接阳极A和控制极G,此时万用表电阻挡指针应向右偏转,阻值读数为10欧姆左右。
如阳极A接黑表笔,阴极K接红表笔时,万用表指针发生偏转,说明该单向可控硅已击穿损坏。
单向可控硅的外形见下图:
8.负载电路设计
负载电路利用的是60W的灯泡,当有人经过该开关附近时,脚步声、说话声、拍手声等都能开启我所设计的延时开关,灯泡就会亮,经过60秒的延时,声光控延时开关自动关闭,灯泡就熄灭了。
六、制作过程
1.元件检查
制作前用万用表对各元件检测,判别元件好坏,剔出不良元件,确保制作质量。
焊接时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、驻极体、单向可控硅、三极管、整流二极管等元件时不能装反,注意极性的正确,否则电路就不能工作。
焊接好后反复检查,连接是否正确。
确保连接无误后方可将集成块CD4011正确插入集成块管脚。
2.对焊接的要求
电子产品的组装其主要的任务是在印制电路板上对电子元器件进行锡焊。
焊点的个数从几十个到成千上万个,如果有一个焊点达不到要求,就要影响整机的质量,因此在锡焊时,必须做到以下几点。
焊点的机械强度要足够;
焊点形状应圆而光滑而且无毛利;
为保证被焊件在受到振动或冲击时不至脱落、松动,因此要求焊点要有足够的机械强度。
为使焊点有足够的机械强度,一般可采用把被焊元器件的引线端子打弯后再焊接的方法,但不能用过多的焊料堆积,这样容易造成虚焊、焊点与焊点的短路。
3.常见焊点缺陷及分析
焊料面呈凸形,浪费焊料且可能包含缺陷,焊丝熔化时间过长。
导线或元器件引线可移动,导通不良或不导通,有时会有裂纹,强度低,导电性不好,焊料未凝固前焊件抖动或烙铁功率过低。
七、测试和结果分析
测试时,先用报纸包住光敏电阻,然后将产品的两根引线分别接在60W的灯泡的开关位上,用手拍打驻极体,这时灯会亮着,用秒表开始计数,60秒后灯泡熄灭;再对着驻极体用手一拍,灯泡又亮了,再开始计数,还是60秒。
然后将光敏电阻上的报纸拿掉,用光照射光敏电阻,再对着驻极体用手拍,灯泡不亮。
由测试的结果分析得:
所设计的声光控延时开关在白天或光线较亮时受光控自锁,声光控延时开关呈关闭状态,有声响也不开灯;当环境光线变暗时,声光控延时开关呈预备工作状态,开关就会受声控开启,当有人经过该开关附近时,脚步声、说话声、拍手声等都能开启声光控延时开关,灯亮后经过60秒的延时,声光控延时开关自动关闭,灯泡熄灭。
最终达到了预期所设计此产品的目的。
八、总结
通过这次的操作技能训练,培养了我熟悉常用电子仪器、仪表的性能并能掌握其使用方法,具有对一般电子电路接线、调试、测试、分析故障的能力,具有对实验结果进行分析与综合的能力。
在制作实物的过程中,我又掌握了焊接的技巧和方法,可以及时的处理在制作过程中出现的问题。
了解实验的步骤和基础,我想这是我们电子信息技术电子信息类专业学生必须掌握的。
只有这样才能发挥我们所学到的知识,发挥我们的专业特长,更多的使用于社会。
不过从完成的角度看,还需要一定的修改,经过进一步的改进,我想应该会更方便的使用于人群,不足之处,希望大家帮忙指出、改正。
致谢
论文收稿之际,我想籍此对所有给予这篇论文帮助和贡献的人表示感谢。
首先,在本次毕业设计中,我从指导老师陈秀祥老师身上学到了很多东西。
陈老师认真负责的工作态度,严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。
他无论在理论上还是在实践中,都给与我很大的帮助,使我得到不少的提高,这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助,感谢他耐心的辅导。
另外,在电子试验室的老师也给予我很大的帮助,帮助解决了不少的难点,使得系统能及时开发完成,还有孙老师给我提供了很多的方便,这里一并表示感谢!
参考文献
《实用无线电手册》.李炳炎,鲍克.山东科学技术出版社
数字电子技术基础与设计》.高仁璟,孙鹏,陈景.大连理工大学出版社
《数字电子技术》.孟贵旭,王兢.大连理工大学出版社
《电工常用电路解易通》.李保宏.人民邮电出版社
附录
元器件清单
序号
名称
型号
位号
数量
序号
名称
型号
位号
数量
1
集成电路
CD4011
IC
1块
7
电阻器
2.2M、5.1M
R4、R8
各1个
2
单向可控硅
100-6
T
1个
8
电阻器
10K、120K
R6、R1
各1个
3
三极管
9014
VT
1个
9
电阻器
47K
R2、R3
2个
4
整流二极管
1N4007
VD1-VD5
5个
10
电阻器
470K、1M
R7、R5
各1个
5
驻极体
54±2dB
BM
1个
11
瓷片电容
104
C1
1个
6
光敏电阻
625A
RG
1个
12
电解电容
10μ/10V
C2、C3
2个
- 配套讲稿:
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