1、 塔里木大学课程设计目 录摘 要 .1第 1 章 绪 论 .2第 2 章 总体电路设计方案 .32.1 总体电路设计方案 32.2 功能阐述 4第 3 章 单元电路设计与分析 .53.1 电源电路设计 53.2 信号放大整形电路设计 63.3 延时处理电路单稳态电路设计 63.3.1 定时器 .63.3.2 单稳态触发器 .8第 4 章 整机电路原理分析 .104.1 整机电路图 104.2 电路工作原理 10第 5 章 实物制作 .125.1 元器件的选择 125.2 安装及调试 14致谢 .15参考文献 .16附录 元器件清单 .17塔里木大学课程设计第 0 页摘 要在学校、机关及厂矿的公
2、共场所和居民居住区的公共楼道里普遍使用的都是机械手动开关。由于机械手动开关经常被人为拨动，致使用了一段时间后就开始出现各种各样的原因使许多灯泡点亮长明的现象，这样既缩短了灯泡的寿命，又浪费了国家的电量，为国家、单位、个人造成了很多的经济损失。另外，由于频繁开关或其他的人为因素，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。所以，应该要改善一下这种现象，设计一种既安全又简单方便的新型墙壁开关，为消除事故隐患做足准备。本项目研究的是一种利用声、光双重控制功能的无触点开关。开关控制电路主要由声控部分、光控部分和延时处理部分组成。白天光控电路对外界光亮程度进行检测，由于光亮程度
3、较强，光敏三极管呈现小电阻使晶闸管呈现截止状态，无论多大的声音干扰也不能开灯，从而实现白天灯泡不亮。晚上或遇到阴天，光敏三极管感受到较暗的光强度并输出较大的电阻使晶闸管呈现导通状态，遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮，并实现延时，从而实现自动控制。而且对于声音感知的灵敏度和对光强度感知的灵敏度以及延时时间能够调节，即可以人为的设定延时时间。这种开关特别适用于住宅楼、办公楼楼道、走廊、仓库、地下室及厕所等公共场所的照明灯的自动控制，是一种集声、光、延时于一体的既节电又方便的自动控制开关。此外开关还采用两线制工作方式，即开关对外只有两个引脚，所以能直接取代普通机械开关以简化安装。关键字 声光控
4、；灵敏度；延时；信号放大塔里木大学课程设计第 1 页第 1 章 绪 论当今世界在电子信息技术的领域里取得了社会跨跃式的进步，科学技术的飞速发展使各国生产力大规模提高。由此可见科技已成为各国竞争的核心，尤其是电子信息技术更显得重要，在国民生产各部门中电子信息技术得到了广泛的应用。曾经不被人们所重视的如声音、光等如今在电子信息技术方面都得到了广泛的应用，尤其是光能更是人们有待开发的具大的能源宝库。电子信息技术发展的主要目标是实现高度智能化，在不需要人为操作下使机器能独立处理各种工作。智能化照明电路也是如此，如我们所熟知的走廊照明电路其智能化实现方法就是利用了声学、光学、电学原理的综合；而马路上的路
5、灯是应用了光学的原理；另一个我们所熟知的交通系统红绿灯则是采用了电子学中计数器的原理。可见原理不同电路所实现的功能也不尽相同。随着电子技术、数字技术的不断发展，以及人们生活水平的不断提高，人们对自己的生活及社会的能源也逐渐的开始重视起来。企业、学校、各大城市及社会的每个角落都离不开“电” ，足见其重要性。但随着人们生活水平的不断提高，电力的供需矛盾日益加剧。要发出更多的电就意味着要消耗更多的煤、石油、天然气、核原料等不可再生能源，还会带来许多相应的环境污染问题。但是对于整个地球来说，所有能源都是有限的，那怎么样才能做到对能源的有效利用呢？只有节约能源。所以我们应该设计一个节能、耐用的自动控制开
6、关。此开关的主要功能应该是：白天楼道上光线强烈时电路处于断开状态，电路不工作，以节约电能源；夜晚或者阴天时电路闻声而亮，并从电灯亮时就开始延时，等到延时时间到了电灯就自动熄灭，等待下一次声响的发出。塔里木大学课程设计第 2 页第 2 章 总体电路设计方案2.1 总体电路设计方案总体电路的基本原理方框图如图 2-1 所示。处理输出延时点亮灯泡声源 电源光亮程度图 2-1 总体电路原理框图原理简述：在接通电源的情况下，根据光亮程度决定电路是否工作。当光亮程度低时，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，该电信号经放大电路放大后送到处理器处理，处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转
7、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的时间与设计要求的功能，从而点亮灯泡，处理电路如图 2-2 所示。信号处理输入 输出 输入输出（ a）框图 （ b）波形图图 2-2 信号处理电路总体电路简述：本电路为一声光自动控制白炽灯开关。电路主要由 555 定时器和声光控电路组成。白天光线较亮时，光控部分将开关自动断开，声控部分不起作用。当光线较暗时，光控部分将开关自动接通，负载电路的通断受控于声控部分。电路是否接通，取决于声音信号强度。当声音信号强度达到一定程度时，电路自声电转换放大塔里木大学课程设计第 3 页动接通，点亮白炽灯，并开始延时，延时时间到，开关自动断开，等待下一
8、次声音信号触发。2.2 功能阐述声音是一种模拟量而非电信号，无法在数字电路中使用，所以在设计声控电路时就面临怎样把模拟量转化为数字量，把声音信号转化为电信号的问题。现在可以使用驻极体话筒，它可以很好的将声音信号转换成电信号。当声音信号转化为电信号时，电信号一般较弱，必须对其进行放大。对此可选择功放电路，运放电路，差分电路等，根据电路对信号的要求一般选择运放电路较好，提高信号输出电压。这样就实现了声音信号到电信号的转换。但是，如果开关闻声就点亮的话，那么在白天就会造成很大的能源浪费。所以这个时候就必须要利用白天的自然光。此电路就可以使用光敏三极管或者光敏电阻来感知自然光的强度，从而来控制下一级电
9、路的工作情况。在夜晚电灯点亮时，可以利用 555 定时器构成单稳态触发器来实现它的延时功能。有了对光强度的感知和声音信号的转换，实现声光控就容易了。先让光敏三极管对光强度的感知使下一级电路是否导通，然后让声音信号转换的电信号去触发晶闸管使电路导通。这样的电路设计对外加电源的要求必须稳定，故最好再设计一个稳压电路，这样才能使电路稳定工作。如今对于这样的电路设计我们也不必烦恼，因为有了光敏三极管以及声音传感器，可以直接将光亮程度和声音信号转换为电信号，大大简化了电路结构，使声光控电路的设计显得更加容易。下面就对用光敏三极管及声音传感器设计的声光控照明电路加以分析。声光控照明电路的主要原理：利用光学
10、、声学和电子学的原理，即用光敏三极管和声音传感器将光亮程度和声音信号转换成电信号，从而推动晶闸管导通使电路正常工作。 作为一个智能化声光控照明电路应具有以下功能：白天电路呈封锁状态，电路不工作；夜晚电路随声音信号而工作，点亮灯泡；点亮灯泡并可以延时 30s。塔里木大学课程设计第 4 页第 3 章 单元电路设计与分析3.1 电源电路设计电源电路的种类繁多，如变压器降压、桥式全波整流、Lc、Rc 滤波、三端稳压器稳压等等。具体采用什么电路合适，则要根据主体电路及执行机构不同和可靠、价廉、有效益等要求进行选用。考虑到电路的稳定性以及经济方面的原因，此电路采用单相桥式整流滤波电路。所以，电源的设计结构
11、如图 3-1 所示。降压整流滤波稳压图 3-1 电源电路设计结构图首先，民用交流电是 220V，而整个电路只需要 8 10V 的电压就能正常工作，所以第一步必须对 220V 的电压进行降压。其次，降低的电压不够稳定，为了电路能够稳定的工作，从而我们必须对其进行整流、滤波及稳压。所以，电源电路的设计如图 3-2 所示。图 3-2 电源电路我们来分析一下，220V 的交流电压既为灯泡提供正常的工作电压，又为整个电路提供稳定的工作电压。全桥 QD 和由 R1、C1 并联组成的部分并联在220V 的交流电压上，起到了对交流电压降压和整流的作用。通过 R1、C1、全塔里木大学课程设计第 5 页桥 QD
12、整流、C2 滤波，再经稳压二级管 DW1 稳压后可以得到一个+9V 的直流电压，为电灯控制电路提供稳定的工作电压。3.2 信号放大整形电路设计放大电路实现方法有很多，除分立器件实现之外，还可采用集成运放，也可采用门电路等来实现。本电路的信号放大部分主要采用由多级三极管组成的谐振放大电路，其电路设计结构如图 3-3 所示。图 3-3 信号放大整形电路拾音器采用电压蜂鸣器 HTD3514，当有音响作用到压点陶瓷片上时，声震导致的绕曲变形就会产生相应的电效应。当话筒感应到声音时，就马上把声音信号转换成电信号，电信号直接经过 C4 耦合，再由 VT1，VT2 构成的直耦式音频放大器进行放大。电信号此时
13、从 VT2 的集电极出来经过 C6 耦合，二极管D3 导通流向 VT3 基极。此时，VT3 工作于饱和导通状态，集电极输出低电平去触发单稳态电路。3.3 延时处理电路单稳态电路设计3.3.1 定时器图 3-4 为 555 定时器的封装引脚图和内部电路组成框图。555 定时器的内部主要包括两个用运放构成的集成电路电压比较器、一个 R-S 触发器、一个晶体管和几个电阻。由于用在电压比较器的三个分压电阻都是 5k 的，故称为 555定时器。塔里木大学课程设计第 6 页(a) 555 定时器的引脚图 (b) 555 定时器的内部组成图 3-4 555 定时器555 定时器的 1 脚、8 脚分别接地和电
14、源的正极；3 脚为电路的输出端；7 脚为放电端，相当于一个开关；4 脚为电路的复位端，其接地时，555 的输出为低电平，且保持不变，一般将 4 脚接在电源的正极上，使电路能正常工作；5 脚为比较电压控制端，一般将其通过一个 0.01F 的小电容接地。2 脚、6 脚为两个电压比较器的输入端，一个为反相输入端，一个为同相输入端，它们和 7 脚在电路中的接法决定了 555 的工作状态。为置 0 输入端，当 =0 时，定时器的输出 OUT 为 0；当 =1 时，555 定RRR时器具有以下功能：当高触发端 TH 32Vcc，且低触发端 31Vcc 时，比较器 C1 输出为低电平；TRC1 输出的低电平
15、将 RS 触发器置为 0 状态，即 Q=0，使得定时器的输出 OUT 为0，同时放电管 VT 导通。塔里木大学课程设计第 7 页当低触发端 Vcc 时，定时器的输出 OUT 和放电管 VT 的状态保持TR不变。根据以上分析，可以得出 555 定时器的功能表，见表 3-1。表 3-1 555 定时器的功能表输入 输出TH TROUT VT 0 0 导通 32Vcc 1Vcc 1 0导通Vcc 1不变 不变 32Vcc 1Vcc 1 1截止3.3.2 单稳态触发器将低触发端 作为触发信号 的输入端，再将高触发端 TH 和放电管输出TRIu端 D 接在一起，并与定时元件 R、C 连接，则可以构成一个
16、单稳态触发器。具体电路及工作波形如图 3-5 所示。塔里木大学课程设计第 8 页（a）电路 （b）工作波形图 3-5 555 定时器构成的单稳态触发器当触发脉冲 下降沿到来时，由于 31Vcc，而 TH= =0，从 555 定时器IuTRCu的功能表不难看出，输出端 OUT 为高电平，电路进入暂稳态，此时放电管 VT截止。由于 VT 截止，V cc 则通过 R 对 C 充电，当 TH= 32Vcc 时，输出端COUT 跳变为低电平，电路自动返回稳态，此时放电管 VT 导通。电路返回稳态后，C 通过导通的放电管 VT 放电，使电路迅速恢复到初始状态。可以算出，输出脉冲的宽度 1.1RC 。Wt5
17、55 和 R9、C8、VT4 、VT5 等组成光控单稳态电路。所谓光控就是利用光敏三极管对不同光照呈现的阻抗不同，从而对 555 的 4 脚进行高低电平控制，使 555 处于等待触发状态，或处于强制复位状态。延时处理电路单稳态电路如图 3-6 所示。图 3-6 延时处理电路单稳态电路白天光照强烈，VT5 呈低电阻，VT4 基极电流大于集电极电流，从而工作塔里木大学课程设计第 9 页于饱和导通状态，相当于集电极与发射级短路。其集电极电位，即 555 的 4 脚呈低电平，从而使 555 处于强制复位状态，此时不管 2 脚有多大的触发电平，555 均不会翻转置位，可控硅不会触发导通，电灯没有电而不亮
18、。夜晚光照微弱，此时 VT5 呈高电阻，且阻值100K ，VT4 基极电流几乎为零，从而工作于截止状态，相当于集电极与发射极断路。使 555 的 4 脚呈高电位，555 触发器处于单稳态触发状态。此时如果有声响，经拾音、放大后，正极性信号使 VT3 饱和导通，下跳变信号加到 555 的 2 脚使 555 翻转置位，3 脚输出高电平，经 R3 限流后触发双向可控硅 SCR 并导通，电灯 H 得电点亮。电灯点亮的时间即单稳态电路触发后高电平持续的时间（稳态时间） ，它取决于单稳态电路的时间常数，其大小为= 1.1 (3-1)Wt9R8C经计算，图示电路的单稳态时间为 33s，即电灯点亮后 33s
19、熄灭。塔里木大学课程设计第 10 页第 4 章 整机电路原理分析4.1 整机电路图通过对电源电路、信号放大电路以及延时单稳态电路的设计与分析，现在就可以作出整机电路的框图以及对整机电路原理的分析。整机电路原理图如图4-1 所示。图 4-1 整机电路原理图4.2 电路工作原理整机电路如图 4-1 所示，交流电压 220V 通过单相桥式整流滤波电路（由R1、C1、全桥 QD 和滤波电容 C2 组成）整流、滤波，稳压二极管 DW1 稳压后得到+9V 的直流脉动电压，为整个电路提供正常工作电压。+9V 直流电压既给555 定时器提供正常的工作电压，也作为正向偏压，加在可控硅 SCR 及 R 支路上。在
20、白天，亮度大于一定程度时，光敏三极管 VT5 呈现低电阻状态，其阻值1K，使三极管 VT4 处于饱和导通状态，其集电极与发射极短路，那么此时555 定时器的 4 脚为低电平。根据 555 定时器构成的单稳态触发器的工作原理，4 脚为低电平时，555 处于强制复位状态，无论其他管脚输入如何，555 均不会翻转置位，输出端 3 脚都为低电平，单向可控硅 SCR 因无触发电流而截止，此时整个电路呈封锁状态，声控电路也不工作。此时流过灯泡 H 的电流2.2mA, 所以灯泡 H 不能发光。另外，电阻 R1 和稳压二极管 DW1 使三极管 VT4 的偏置电塔里木大学课程设计第 11 页压不超过 6.8V，
21、对三极管起保护作用。在夜晚，亮度小于一定程度时，光敏三极管 VT5 呈现高电阻状态，其阻值100K，使三极管 VT4 处于截止状态，其集电极与发射极断路，那么此时 555定时器的 4 脚为高电平，根据单稳态触发器的工作原理，整个电路处于正常工作状态。此时，外界的声音信号通过话筒被转换成微弱的电信号，电信号通过放大电路的放大，最终从 VT3 的集电极输出一个低电平信号，以触发 555 定时器的 2 脚。这时 2 脚接收到触发信号而使 555 翻转置位，从而 3 脚输出高电平使可控硅触发而导通，灯泡 H 发光。电灯点亮的时间（延时时间）即单稳态电路触发后高电平持续的时间（稳态时间） ，它取决于单稳
22、态电路的时间常数。图示电路的单稳态延时时间为 33s，即电灯点亮 33s 就熄灭，等待下一次信号的触发。塔里木大学课程设计第 12 页第 5 章 实物制作5.1 元器件的选择本电路装配无须调试，但元器件的选择很重要。话筒应选用直径较大的压电陶瓷片 HTD35A-1，其目的是拾取较多的声音信号，它的谐振频率为2.8KHz，对淬发的声音拾取较好。三极管 VT1 应选用 C485 型，其 的值不能少于 150 倍。光敏三极管 VT5 选用暗电流 Id 较小，光电流 Ic 较大的 3UD5。降压电容C2 选用耐压值在 400V 以上的金属化纸介电容器。全桥整流 QD 的反向击穿电压应选用 1A/300
23、V 以上的二极管，以确保整个电路的安全。IC1 选用 NE555 时基电路，其结构简单，功能强大。可控硅 SCR 选用 1 A400V 的进口单向可控硅 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 5-1 所示。图 5-1 单项可控硅外形图单向可控硅的测量方法是：用 r1 档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极，这时指针不偏转，万用表无读数。保持红表笔接在可控硅的负极，用黑表笔触一下控制极 k，这时万用表有读数，黑表笔马上离开控制极 k，这时万用表仍有读数，说明可控硅是完好的。驻极体话筒选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：用
24、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。二极管采用普通的整流二极管1n40011n4007。总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。塔里木大学课程设计第 13 页其它元件按图 4-1 所示的标注即可。塔里木大学课程设计第 14 页5.2 安装及调试准备好全套元件后，用万用表粗略地(因出厂前已测量过)测量一下各元件的质量，做到心中有数。焊接时注意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、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
25、性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。调试前，先将焊好的电路板对照电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路、元件相碰等现象发生。通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。如用万用表检测时，只用将万用表两表笔接触电路板相应处即可。本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住，将电源接上，用手轻拍驻极体话筒，这时灯应亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体话筒，这时灯不亮，说明光敏电阻完好，这时开关就制作成功。若没有实现相应的功能，请仔细检查有无虚假错焊和拖锡短路现象。塔里木大学课程设计第 15 页致 谢在本次设计过程中，感谢我的学校，给了我学习的机会，在学习中，老师从选题指导、
26、论文框架到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议，老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。这篇论文是在老师的精心指导和大力支持下才完成的感谢所有授我以业的老师，没有这些年知识的积淀，我没有这么大的动力和信心完成这篇论文。感恩之余，诚恳地请各位老师对我的论文多加批评指正，使我及时完善论文的不足之处。谨以此致谢最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅的各位老师表示衷心的感谢。塔里木大学课程设计第 16 页参考文献1 康华光电子技术基础第四版，高等教育出版社出
27、版，2006 1060 页2 彭介华电子技术课程设计指导高等教育出版社，2006 20100 页3 杨旭东 刘行景 杨兴瑶实用电子电路精选化学工业出版社， 2007 5080 页4 华成英电子技术中央广播电视大学出版社，2006 120200 页5 童诗白模拟电子技术基础高等教育出版社，2004 150210 页6 姜邈电子线路课程设计指导书中央广播电视大学出版社，2006 6090页7 刘树林低频电子线路电子工业出版社，2003 103190 页8 孙建设模拟电子技术化学工业出版社，2002 130230 页9 黄俊 王兆安电力电子变流技术机械工业出版社，2006 2090 页塔里木大学课程
28、设计第 17 页附 录序号 名称 型号规格 位号 数量1 集成电路 555 定时器 IC1 12 单向可控硅 1A/400V SCR 13 驻极体话筒 HTD35A B 14 三极管 9014 VT1,VT2,VT3 35 三极管 3DK2 VT4 16 光敏三极管 3DU5 VT5 17 整流二极管 IN4001 VD1-VD6 68 稳压二极管 2CW57 DW1 19 电阻器 560K,200 R1,R2 210 电阻器 300,430K R3,R4 211 电阻器 4.3K,2.7K R5,R6 212 电阻器 1.8K,5.6K R7,R8 213 电阻器 300K,22K,20K
29、R9,R10,R11 314 瓷片电容 0.47uF,0.01uF C1,C9 215 电解电容 220uF,47uF C2,C3 216 电解电容 4.7uF,10uF C4,C5 217 电解电容 10uF,0.68uF,100uF C6,C7,C8 3塔里木大学课程设计第 18 页总 结本次我设计的题目是声光控楼道灯开关设计，这是一种声音和光照双重控制的照明灯开关，它可以用于楼梯、过道、库房等场合。白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会使灯泡发亮。夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自动点亮灯泡为行人照明，过几十秒后又自动熄灭，节约电能。本设计思路清晰、逻辑合理，将我所学
30、的专业知识得到了全面的运用，更提高了我的专业知识水平。在电源设计中要根据其主体电路及执行机构不同，要求可靠，价廉，有效益。由于此开关在光线较暗时是否接通取决于声音的强弱，因此为加强其工作效应，设计了信号放大整形电路，微弱的信号经过此电路加工也能使开关正常工作。这次项目设计将我学到的知识得到了很好的应用，深化了对数字电路设计、模拟电子设计的认识，使我在设计的实践中获得新知。这次实践操作，我不仅仅得到的是课本上的东西，更重要的是我通过自己的独立动手以及老师和同学的耐心指导，我学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图等。在此设计中利用到了三极管的放大 、光敏效应，特别是让我温习了 555 定时器的知识与应用， 进一步巩固和掌握了前面所学的基础知识，加深对了对模拟电路、数字电路的理解，对元器件的使用更加深刻。毕业设计是理论和实践的结合。通过本次毕业设计不仅让我巩固和加深了以前所学的知识，同时也让我发现了自身的不足。学习不能只学表面的，很多知识是需要我们深入了解的。学习也不能是一时的，知识的日新月异需要我们长期的坚持和日积月累。知识是博大精深的，由于电子技术的发展日新月异。且个人能力有限，设计中难免会出现错误和不足之处，恳请读者批评指证。
