声光节能控制开关设计说明书

-课程设计 题 目：数字石英钟专 业：计算机科学与技术班 级：2002级3班姓 名：* * *学 号：020501113指导老师：*日 期：2004.9.16目 录1绪 论12总体方案23各部分电路原理分析设计一、 电路的组成4二、 测光原理5三、 声音的检测与放大6四、 声音信号的处理7五、 灯两条件的判断10六、 节能灯电路图11七、 灯亮时间的控制与调节12八、 声音次数累计和显示12九、 时间和次数的显示124安装与调试135逻辑参考电路146结束语157参考文献17绪 论课程设计是工科各专业的主要实践性教学环节之一，是围绕一门主要基础课或专业课，运用所学课程的知识，结合实际应用设计而进行的一次综合分析设计能力的训练。课程设计旨在培养学生在本课程范围内，初步掌握解决实际应用问题时所应具有的查阅资料、技术标准和规范，以及绘图、调试等能力，为毕业设计及今后从事专业工作打下基础。数字逻辑课程设计是对我们所学知识的一次实践检验，目的在与培养我们测试电子电路和使用电子仪器的能力。通过对电子元器件的识别，性能的测试和对各种电子电路性能指标的测量，巩固所学的电子技术理论知识，学会正确仪器和科学地测量电路的方法，并通过综合实验进行电路组装、调试、故障排除等训练，提高实践动手能力，为今后从事生产、科研工作打下基础。同时，经过实验实训的锻炼，使我们既学会生产第一线所需的基本技能，又培养良好的职业习惯和职业道德，为以后适应工作岗位打好基础。所选课题声光控制节能开关，主要使用在教学楼和宿舍楼道内的由声、光控制的节能电路，即由人们发出的声音和光线的亮暗程度联合控制，白天电路不工作，灯灭，晚上电路可由声音触发，灯亮约30秒后，自动熄灭。声光控制节能开关具有使用方便，安装便捷，维修简便，用电节约等优点，其可谓物美价廉。总体方案节能开关是一种由人们发出的声音和光线的亮暗程度联合控制的。白天的时候，明亮的光线使光敏电阻变小，这时就算有人发出声音，灯也不会点亮；到了晚上，光线变暗，光敏电阻变大，能时灯亮的一个条件成立了，这时只要有人走路或开门的声音被驻极体话筒接收，则声控、光控灯就自动发光，在经过一段预先设定的延时时间（可调）后，灯自动熄灭。其电路框图如图所示（下页）具体要求：1) 拍掌声或楼道步声2-9下（要求数码管显示），VL方可点亮（次数要求可调）。2) 白天即使有人走动，灯亦不亮，光线需要暗到一定程度（可调），声控、光控楼道灯才能工作。3) 灯点亮后延时30秒后自动熄灭以节约用电（时间要求可调）。（用一位数码管显示该时间）。4) 有一定的抗干扰能力。声光节能控制开关电路框图BCD锁存、七段译码驱动器共阴极数码管驻极体拾音器交流放大器信号幅值比较器单稳态整形电路拍掌次数计数器五输入与门条件选择单稳态延时电路整形功率放大电路双向晶闸管节能灯声音信号白天/低电平 “1”停振/“0”起振 光强光敏电阻可控1KHz信号发生器BCD计 数 器七段译码驱动器共阴极数码管晚上/高电平 各部分电路原理分析设计（一） 电路的组成1) 声音接收部分由驻极体拾音器完成2) 经交流放大器和信号幅值比较器对信号进行放大、比较3) 应用单稳态整形电路将得到的多个小矩形波整形成可以延时的、有规律的方波（时间脉冲）4) 计数、译码、显示部分a) 由CD4518计数器（IC2a）和CD4511译码器及数码管显示器组成计数、显示部分，计算拍掌次数。b) 由CD4518计数器（IC2b）和CD4511译码器及单稳态延时电路，多谐振荡器构成秒振荡器，该部分计算秒次数。c) 触发部分是由整形、功率放大电路及双向晶闸管、单稳态延时电路形成触发部分。（二） 测光原理对声、光控节能开关来说，光敏电阻就是它的感光器，光敏电阻是一种电导率随吸收的光照强弱而变化的电子元件，它是利用半导体的光电导效应特制而成的，它的电阻值随光照的强弱而变化，MG型光敏电阻器适用可见光的光谱范围0.40.76m，主要用于各种光电自动控制，光电跟踪以及照相机自动曝光等场合。光敏电阻有亮阻、暗阻两种不同的电阻，亮阻是指光敏电阻器在受光照时所具有的阻值，暗阻是指光敏电阻在无光照时所具有的阻值。光敏电阻器还有时间常数的特点，时间常数定义为：从光照开始到达到稳定亮电流的63%所需要的时间，称为时间常数，用表示。综上所述，光敏电阻器在白天的电阻小，晚上的电阻大。本课题中，根据分压电路结构，得到白天低电平，晚上高电平，因此，声光控制节能开关是利用光敏电阻器来实现光控的。（三） 声音的检测与放大声光控制节能开关是利用驻极体拾音器来接收外部声音的，驻极体拾音器内部结构如图一所示 D G S 输出+4.5V 图一 驻极体拾音器内部结构图 驻极体振膜与背极靠得很近，他们之间的电容约30pF，由于容量小，该话筒输出阻抗很高，约几十兆欧，所以使用时必须使用阻抗变换器。当外界有较大声音被驻极体拾音器接收时，振膜受到振动，因为贴近背极，所以电容C减小，则电压增大（U=Q/C，Q为电容上感应的电荷），传送出一个约10mV左右的电压信号。驻极体拾音器把声音信号转换成电压信号后，再经过交流放大器放大信号，在本课题中，我们选用集成四运放LM324来实现，电路组成如图二所示，交流信号经放大后，输出电压约为2.5V。 +5V 1000pF 10k 1M U1 _ + U0+ 0.1F 10k 图二 交流放大器（四） 声音信号的处理声音信号经过交流放大器放大后，输出的是一种无规律的波形如图四所示（作为迟滞电压比较器的输入），但经过迟滞电压比较器后可以获得一密集的小矩形波，如图五所示。迟滞电压比较器电路如图三所示，其中5.1k是由调试时确定的。虽然，放大后杂乱无章的尖波经过迟滞电压比较器比较，变成了矩形波，但是至此还不能让电路正常工作，因为，当我们一击掌后，会产生4-5个矩形波，会使计数器误以为击掌4-5次了，因此我们需要采用单稳态电路来解决这个问题，单稳态电路的特点是只要一次触发，可以延时一段时间（t），这样就可以多个小矩形波变成方波，其波形如图六所示。电路如图七所示。所以，声音信号是经过放大、整形、排除干扰的过程才能输入电路进行工作。 +5V 1M 10k Ui + + Uo _ 5.1k 图三 迟滞电压比较器电路 Ui/V O t 图四 迟滞比较器输入波形 Uo/VO t 图五 迟滞比较器输出波形 Ui O t Uo O t 图六 输入、输出波形 3.3M+5V1M 8 40.01F 2Ui 6 7555 3 Uo 7 3.3M 0.1F 1 50.01F 图七 电路图（五） 灯亮条件的判断1) 计数器CD4518输出全为“1“，这有单稳态触发器输出端控制。2) 光敏电阻器处于黑夜（即没有光线），光敏电阻为暗阻。这两个条件必须同时满足，才能使节能灯点亮，即这两个条件是“与“的关系。（六） 节能灯电路如图八所示该电路组成整形、功率放大电路，当触发电路的信号足够大时，即控制极的电流足够大时，双向晶闸管导通，节能灯被点亮。 本课题中节能灯用发光二极管代替主回路。 L +5V EL （火线） 15W 200 g VT 1M （零线） 5.1k N 100k A100F 5.1k 绿 橙 图八 节能灯触发电路（七） 灯亮时间的控制与调节灯亮时间是由单稳态延时电路来控制的，单稳态延时电路可以通过调节电阻、电容的大小来改变延时时间的长短。（八） 声音次数累计和显示课题中用CMOS系列的计数器CD4518和译码器CD4511及VL共阴极数码管组成。（九） 时间和次数的显示当节能灯点亮的条件满足时，这时代表节能灯的发光二极管亮起，多谐振荡电路起振，显示时间的计数器、译码器开始工作（显示延时时间），经过一定的时间t后，延时时间结束，多谐振荡器停振，一个工作循环完成。安装与调试调试时各点参考电压Ua=3.82V,Ub=2.44V,Uc=2.4V,Ud=3.67V,Ue=3.45V,Uf=0V,Ug=0.44V,Uh=4.62V,Ui=4.8V,Uj=0V,Uk=4.9V,Ul=0V.（逻辑参考电路如图见下页）结束语经过两周的努力，基本上完成了课题的设计。在完成课题的过程中，我们的实践能力增强了许多，而且在理论上也有了更深的认识。实习的过程实际是能力提高的过程。在调试电路，分析故障，性能测试的过程中，我们学到了许多课本上无法获得的经验。刚开始设计时，我觉得无从下手，在图书馆经过一番资料查找后，我发现它其实很简单，只是还不会灵活运用。这次课程设计让我学会了一种设计电路的思想，就是分成多个模块，逐一解决问题。回头看看我自己的设计作品，其实还存在着一些问题，还有待改进。在本次课程设计中，老师只对我们进行了宏观的基本的指导，在设计过程中，完全放手让我们自己去搞。针对老师提出的课程设计问题，自己独立进行设计。通过动脑动手及查阅图书资料文献等多种途径解决问题，巩固和运用了在电工学、数字逻辑等课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握了常用电子电路的一般设计方法，提高了设计能力和实验技能，为以后从事电子电路设计、研制电子产品打下了基础。与其他课题相比较，这个课题中接线较为复杂，因此可就更考验动手能力和全局布线的统筹观。通过线路布局优化，避免了很多不必要的接线交叉，使得线路接线更简单，接线的工艺也因为接线简单而相应提高，更容易验证电路设计的合理性和科学性、可行性。电路的接线工艺是本设计可以实现的很重要的因素。由于接线较为复杂，因此更能体现实践课程的特色。最后还要感谢*老师对本次课程设计的指导，谢谢！ * 于*理工大学 2004-09-16参考文献1. 曹国清主编。数字电路与逻辑设计，徐州：中国矿业大学出版社，20032. 成叶琴 王海群主编。电子技术及实训（非电类专业），北京：机械工业出版社，20043. 邹天汉编著。照明器具及其应用电路，北京：电子工业出版社，20024. 张友汉主编。电子技术实验与实训，北京：高等教育出版社，20015. 沈任元等主编。常用电子元器件简明手册，北京：机械工业出版社，2000