电子技术课程设计声光控延时开关

电子技术课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、设计任务与要求（1）具有光控功能，白天光线较亮，即使有声音时照明灯也不亮，光线较暗、有声音时照明灯点亮。（2）具有声控功能，晚上光线较暗，有声音时照明灯点亮，声音消失后延时照明一段时间后自动熄灭。（3）要求电路如果在照明灯点亮期间又有新的声源出现，照明灯应重新点亮一段时间。2、基本原理声光控延时照明灯的控制电路应该包括二级开关。一级开关能够感应光线的强弱，可以使用光敏电阻、光敏二极管等光敏元件来实现；二级开关能够检测声音的强弱，在一级开关开通的前提下，对照明灯进行二级控制。定时或延时电路可以由电容控制开关或555定时电路等来实现。另外由于电源为220V/50Hz的市电，故应该为控制电路设计一个直流稳压电源。下图为声光控延时照明灯的原理框图。图一、声光控延时照明灯原理框图3、参考资料(1) 邹其洪、黄智伟等. 电工电子实验与计算机仿真（第二版）下册. 北京：电子工业出版社，2009(2) 高吉祥. 电子基础课程实验与课程设计. 北京：电子工业出版社，2002(3) 康华光、邹寿彬等. 电子技术基础数字部分（第五版）.北京：高等教育出版社，2006(4)黄智伟、李传琦等. 电子电路计算机仿真设计与分析. 北京：电子工业出版社，2010 2对课程设计成果的要求包括图表（或实物）等硬件要求：设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。3主要参考文献：l 要求按国标GB 771487文后参考文献著录规则书写。4课程设计工作进度计划：序号起 迄 日 期工 作 内 容12012-1-2布置任务，教师讲解设计方法及要求22012-1-3学生查找阅读资料，并确定方案32012-1-4学生设计小组会议，讨论方案42012-1-511设计、仿真实验52012-1-1112写说明书62012-1-13答辩主指导教师日期： 年 月 日摘 要 声光控制指通过利用声音以及光线的变化来控制电路实现特定功能的一种控制方法。声光控延时照明开关具有体积小，工作可靠高效节能等优点。开关白天控制灯不亮，晚上有声音自动点亮，延时一段时间自动关断。它是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关。广泛用于楼道、建筑走廊、洗漱室、厕所、厂房、庭院等场所，是现代极理想的新颖绿色照明开关，在实际生活中能有效节能，并延长灯泡使用寿命。关键字：声光控制 延时 节能目 录引言11 电路设计2 1.1设计任务2 1.2设计思路2 1.3设计方案22 单元电路及其工作原理2 2.1 电源电路图3 2.2 光控控制电路4 2.3 声控控制电路6 2.4 延时控制电路7 2.5 开关控制电路73 PROTEL原理图设计84 印刷PCB板图设计105 仿真结果与分析10结论17附录1主要元器件清单2附录2 仿真波形18参考文献21引言 随着社会的发展，节能和环保越来越引起重视，而且国家节能中长期专项规划明确提出照明用电占全国用电量的13%，可见照明节能显得非常重要.这就要求人们在生活中更广泛的使用声光控延时开关照明灯。 本设计研究的内容是声光控延时照明电路。通过对声光控延时照明电路的电路组成、电路原理、单元电路的设计等几方面的研究，实现了声光控延时照明电路在白天不工作，而夜晚收到突发声信号是自动点亮，并延时27.5S左右后自动熄灭。在本次设计中以555芯片为主，组合电路进行控制。主要运用protel 99 SE绘制原理图（sch）和印制电路板（pcb）。1 电路设计1.1 设计任务 本课程设计是为了实现声控光控延时开关的功能，在白天无论是否有声音，灯都不能被点亮。在夜晚当有声音产生时，灯被点亮，且在声音消失后，灯泡亮度能维持一段时间，即夜晚有人经过的时候，灯被点亮，并有足够的时间让人通过。 1.2 设计思路 设计电路包括：直流稳压电源电路、声控电路、光控电路、延时电路组成。图1.1 设计框图1.3 设计方案 声光控延时照明灯的控制电路包括二级开关。一级开关能够感应光线的强弱，使用光敏电阻来实现；二级开关能够检测声音的强弱，在一级开关开通的前提下，对照明灯进行二级控制。对于声强的监测是利用MIC的特性，即当其接收到足够的声音时，在其中会产生一个为脉冲波，从而把声信号变为电信号，通过对声强信号的处理可得一个电平信号，为控制电路准备。光信号的感应通过光敏电阻来实现，使得光控电路在光强时输出低电位，光弱时输出高电位。将光控电路的输出作为555定时器的复位端输入。将声控输出端作为延时电路的输入，从而可以实现在光线强的情况下，即使有足够强的声信号，照明灯电路也不工作。而在光线弱的情况下，可以通过声信号来控制照明。延时控制功能通过555定时器构成的可重复触发单稳态电路来实现。开关电路使用继电器，对灯泡所在回路的通断进行控制。2 单元电路及其工作原理2.1 电源电路图 2.1 电路图如2.1所示，为得到12V直流电源，将220V频率为50Hz的交流电输入变压器，变压器型号为NLT_PQ_4_10，经过整流桥整流得到直流电，通过电阻R10限流及稳压二极管将输出电压维持在12V，为其他电路提供稳定的工作电压。变压器二次侧输出电压脉冲系数大故应将直流电通过电容滤波。理想情况下交流分量可通过电容C6全部滤除，使输出电压仅为直流电压，一般取RC(3-5)T/2 其中T为电源交流电压的周期。要得到稳定的直流电滤波后通过电阻R10限流再经稳压二极管1N964，使输出电压稳定为12V。稳压二极管参数如表2.1所示：表2.1 1N936稳压二极管参数型号最大工作电流（mA）额定电压（V）1N9634012-12.5 参数计算：由Multisim仿真得变压器二次侧输出电压、电流：U2=19.1V I2=15.7A交流电通入整流电路经过全波整流得到直流电压平均值：Uo=0.9U2=17.73V因稳压二极管最大工作电流为40mA,计算电阻R10：I=U0/R1443，取R10=4702.2 声控电路 声控电路的核心是把模拟量转化为数字量，把声音信号转化为电信号。要解决这个问题可以设计一个类似于窃听器的接收设备专门用来接听声音信号并将声音信号转化为电信号转送到下一级电路。但是作为声控电路对声音信号的要求既不能太强也不能太弱，太强声控难以实现；而太弱电路结构复杂也难以实现，所以最好是能接收到如人的讲话声，脚踏地板声。当这类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，提高信号输出电压。 声控照明电路的主要原理是利用了声学和电子学的原理即用声音传感器将声音信号转换成电信号从而推动后续电路的工作。 声控电路如图2.2所示 图 2.2 MIC接收到足够的声强时，电路产生谐振并输出一个微弱脉冲，从而将声音信号转换为电信信号。MIC输出信号是一个非常微弱的信号，为了后续电路能够对声强信号进行处理，必须加入信号放大电路。图中所示信号放大电路采用了三极管构成的放大电路， 从而得到适合的信号。R2和R3为放大电路的集电极偏置电阻，C1为放大电路的隔直电容使放大电路仅输入由MIC产生的交流信号，R1为放大电路的反馈电阻，它们的功能是保证放大电路有一个稳定的静态工作点和稳定的输出电压。电路中的控制电路一般采用电平信号触发，因此有必要对放大的交流信号进行整流。上图中采用了由C4、D1和D2构成的倍压整流电路，倍压整流电路不但能够完成整流的任务，同时还可以将输出电压增大，这样当MIC接受到了足够大的胜强后，声强信号处理电路通过放大和整流就输出了一个高电平信号V。 2.3 光控电路 光控电路原理是利用光敏元件随光照强度的变化而阻抗发生变化的特点，光敏电阻接收到光照时，阻值降低，（如MG45-13型光敏电阻亮阻5K；相反，光敏电阻在黑暗中时，阻值升高，如MG45-13型光敏电阻暗阻5M）去控制电信号的强弱，再由传感器将变化的电信号传递给触发器，只要电信号强度达到一定程度将触发触发器使其导通工作。光控照明电路其主要功能是实现当外界光照强度降低到一定程度时，使照明电路导通工作。触发器可由555定时器构成，555定时器引脚图和功能表如图2.3、表2.2所示。图 2.3 555定时器的引脚图表 2.2 555 定时器功能表阀值输入THR触发输入TRIG复位端输出端Q放电管DIS任意值任意值00导通(2/3)Vcc(2/3)Vcc(1/3)Vcc10导通(1/3)Vcc1不变不变 光控电路如图2.4所示。图 2.4 R4为光敏电阻，参数如表2.3所示。表 2.3型号最大电压（VDC）最大功耗（mW）亮电阻（K）暗电阻（M）GL3547-210050100-20010当光线有一定强度时，光敏电阻的阻值小，R7、R4导通使Q3通，555定时器的复位端为低电平，由555定时器功能表可知输出端输出为低电平。当光线弱时，光敏电阻的阻值增大，R8导通，555定时器的复位端接高电平，再由阈值输入和触发输入控制控制输出端。可见光敏电阻为整个控制电路的一级开关。当光线强时，无论有没有声音信号，555定时器输出为低电平。当光线弱时，输出才有可能为低电平。2.4 延时电路 延时电路的核心是由555定时器组成的单稳态触发器，简化电路和工作波形如图2.5所示。图 2.5 输出电压V0的的脉宽Tw=RCln31.1RC这种电路产生的脉冲宽度可从几个微秒到数分钟，精度可达0.1。 延时控制电路如图2.6所示。图 2.6在光线强度弱的条件下当有声音信号时，由声控电路分析可得Q2基极输入为高电平，Q2导通。555定时器触发输入为低电平，复位端为高电平，使得输出为高电平。当没有声音信号时，Q2截止。555定时器输入为高电平，复位端为高电平，使得输出为低电平。R6、C5、C3和555定时器构成单稳态触发器，电路稳态的持续时间，即C5的充电时间仅取决于电阻R6和电容C5的数值，由计算公式可得： t=(1.1R6*C5=1.1*500000*50)/1000000=27.5S2.5 开关照明电路由于照明灯通过的是大电流，直流电源一般无法提供大电流和大功率，因此照明灯需要交流供电，因此电路中开关需要采用继电器电路。如图2-7所示图 2.7 当光线弱、有声音信号时，555定时器输出为高电平，继电器有电流通过使继电器吸和使照明灯和交流电源形成通路，照明灯被点亮。3 PROTEL原理图设计声光联控延时照明电路的主要原理就是利用光控部件控制电路白天不工作，而夜晚则由声控部件控制其工作，再由延时部件控制其工作时间，开关电路控制照明电路的开通和关断。总体电路如图3.1所示。图3.1 总体电路 当在光线强度弱，有声音的情况下，MIC收到声音信号，将声音信号转化成电信号，由声控电路输出高电平触发延时电路工作使555定时器输出为高电平，继电器有电流通过则吸和使照明回路导通，灯泡被点亮。4 印刷PCB板图设计 用单面板制作PCB版图，布线如下图4.1。图4.1 PCB图 PCB板3D视图如4.2所示图4.2 PCB板3D视图5 仿真结果与分析5.1 电路仿真仿真是基于multisim10.0系统完成的。multisim10.0是用软件的方法虚拟电子与电元器件，虚拟电子与电工仪器和仪表，实现了“软件即元件”和“软件即仪器”。它是一个集原理电路设计、电路功能测试的虚拟仿真软件。multisim10.0的元件库提供数千种电路元器件供试验选用，同时也可以扩充或新建已有的元件库。multisim10.0还提供齐全的虚拟测试仪器仪表，还有一些实验室少有或没有的仪器，如波特图仪、字信号发生器、逻辑分析仪等。multisim11.0有较为详细的电路分析功能，可完成众多分析。基于multisim10的仿真图如下，各波形图见附录所示。 基于multisim10的仿真图如5.1所示。图5.1（a）稳压电源部分图5.1各波形图见附录所示。6设计总结6.1 结论经过理论分析和Multisim软件仿真的验证，本课程设计的结果基本实现了任务书的要求。本设计采用声光控电路控制，NE555芯片延时电路对照明电路的开通和关断进行控制。实现了声控光控延时开关的功能，在白天无论是否有声音，灯都不能被点亮。在夜晚当有声音产生时，灯被点亮，且在声音消失后，灯泡亮度能维持一段时间，即夜晚有人经过的时候，灯被点亮，并有足够的时间让人通过。附录1主要元器件清单代号型号及参数个数R11M1R2、R3、R51K3R4-光敏电阻GL3547-21R6500K1R720K1R822K1R910K1R104701C1、C2、C41uF3C30.01uF1C5-有极性电容50uF1C610uF1MK1MICROPHONE21DS1LAMP1T1NLT-PQ-4-101RLY15VSPDT1Q1、Q2、Q32N39043D1、D21N342D4-稳压二极管1N9631D3-整流桥1KAB201参考文献1 康华光主编.电子技术基础数字部分（第五版）M.北京：高等教育出版社，20052 康华光主编.电子技术基础模拟部分（第五版）M.北京：高等教育出版社，20053 黄智伟主编.基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析.北京 ：电子工 业出版社 ，2011