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
****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60W,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τ=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100-6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r×1档,将红表笔接可控硅的负极,黑表笔接正极,这时表针无读数,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r×100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,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0.1μF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——PNP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NPN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+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))(1—1)
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(1—1)中,Ig=0,(a1+a2)很小,故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0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(1—1)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(1—1)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.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=3.43V
Vbe=0.4+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=2πR8*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:
①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
②灯泡始终不亮
出现这一问题,先检查灯泡是否正常。
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。
③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,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
U1
CD4081
1
2
单向可控硅
D6
100-6
1
3
三极管
Q1
9014
1
4
整流二极管
D1~D5
IN4007
5
5
驻极体
BM
54±2dB
1
6
光敏电阻
RG
625A
1
7
电阻
R1~R8
120K、47K、47K、2.2M、1M、10K、470K、510K
各1
8
灯泡
X1
220V/25W
1
9
瓷片电容
C1
104(0.1uF)
1
10
电解电容
C2、C3
10uF/10V
2
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、Protel99SE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
- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 声光 延时 开关