数字电路课程设计楼道声控灯19页doc.docx
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数字电路课程设计楼道声控灯19页doc
第一章绪论
1.1楼道声光控制
随着社会的发展，国家“十一五”规划把节能和环保作为两个主题，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。
这就要求更加节能和环保的声、光双控延时开光照明灯的出现，以满足人们对高质量生活的需求。
本课题研究的内容是楼道照明灯控制电路设计。
通过对声光延时控制电路的电路组成、电路原理、单元电路设计、电路调试与选择以及数据与分析等几方面的研究，实现了声光延时楼道照明灯在白天不工作，而夜晚收到突发声响信号时自动开灯，并延时5s后自动熄灭的控制要求。
减小了无效电能的损耗，达到了节能的效果。
第二章系统方案认证
2.1设计目的
1.了解声光控照明灯工作原理。
2.能够利用仿真软件对所设计的声光控照明电路进行仿真。
3.掌握基本元件的使用。
其中宝库光敏电阻，驻极体话筒，运算放大器，LM358，NE555定时器构成的施密特触发器及74LS122单稳态触发器.
2.2方案设计要求
本次课程设计的题目是楼道声光控制灯设计，要求是在夜间（黑罩模拟）有声音信号时。
使灯（用LED发光管模拟）点亮：
无声时延迟5秒后熄灭，声音间隔小于5秒则LED持续点亮，白天有声无声均不点亮。
2.3方案的设计与论证
方案论证：
利用声控，光控电路将声音信号，光信号转化为电信号，其中的运放LM358将信号放大，用555构成的施密特触发器对波形整形，使输出为方波，用74122单稳态触发器控制延时时间，接LED发光二极管，从而实现整个电路的设计。
2.4声光控制灯设计所需要的器件
这次课程设计主要用了74122、LM358和NES555三个集成器件，发光二极管，光敏电阻，驻极体话筒以及一些基本电路元器件。
下面介绍一下主要元件：
①LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供的使用运算放大器的场合。
LM358是2输入-二运算放大器集成电路，其内部电路及管脚排布如下：
图2-1LM358内部电路及管脚排布
②555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电平兼容。
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。
NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。
NE555内部结构、引脚排列及功能表如下列图所示：
图2-2NE555内部结构及引脚排列
表2-1NE555功能表
UTH
T的状态
0
×
×
0
导通
1
0
导通
1
保持
不变
1
1
截止
③74122是可重复单稳态触发器，它的功能表见表1-4-1，
是直接清“0”端，
是触发输入端，其中
是低电平信号触发端，
是高电平信号触发端，
是输出端，Rint和Cint是外接定时电阻和定时电容的接入端。
当
=0时，单稳态触发器清零，Q=0。
功能表中的符号↑和↓表示触发信号的触发边沿，
都可以做触发输入端使用，
除了做清零端使用外，也可以做触发端使用，见功能表的最后二行。
功能表中的符号
表示单稳工作状态。
74122是一个TTL可再触发单稳态多谐振荡器集成电路，它的引脚排布如下：
表2-274122功能表
图2-374122引脚排列图
表2-3其他电路元件
元件名称
类别及数量
光敏电阻
阻值与光强成反比（1个）
驻极体话筒
声音信号输入（1个）
发光LED
发光二极管（1个）
电容
10uf（2个）
47uf（1个）
电阻
4.7k（4个）150k（2个）330（1个）10k（1个）1k（2个）
④发光二极管简称为LED。
由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
图2-4发光二极管
⑤驻极体话筒：
驻极体话筒具有体积小、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。
属于最常用的电容话筒。
由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。
驻极体话筒如图：
图2-5驻极体话筒
⑥光敏电阻器（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。
入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。
当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。
光敏电阻如下图：
图2-6光敏电阻
第三章声光控制灯设计原理
3.1声光控制灯的电路原理
①用LM358接成的声控放大电路原理图：
图3-1声控放大电路
②用LM358接成电压跟随器，光控电路原理图：
图3-2光控电路
③将NE555的6脚和2脚相连作为信号输入端即可构成施密特触发器。
施密特触发器可对输入波形进行变换和整形，最重要的特点是能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲，它的电压传输特性是一条具有滞回特性的曲线，即触发器输出由低电平变为高电平和由高电平变为低电平所对应的阈值电压是不同的。
其内部电路和波形如下图所示：
图3-3555构成的施密特触发器
④用74122为可重复单稳态触发器，根据其输出脉冲宽度
实现延时5s。
图3-474LS122构成的单稳态触发器
⑤总的电路的设计是将声控放大电路、光控电路、555构成的施密特触发器和74122构成的单稳态触发器组合起来，这样即可以实现声控、光控、波形整形和延时的功能。
整体电路原理图如下图所示：
图3-5声光控制灯电路原理图
3.2电路工作原理及参数计算
应用LM358集成电路的5脚和6脚作为输入，7脚作为输出接成声控放大电路，2脚和3脚作为输入，1脚作为输出接成光控电路。
将NE555电路2引脚和6引脚连在一起使其具有施密特触发器功能，后一并与接成放大电路的LM358集成块7引脚相连，NE555电路控制端4引脚与接成放大器电路的LM358集成块1引脚相连。
分别将74122可重复触发单稳态触发器的1、2引脚，3、4引脚相连，将1、2引脚与NE555电路输出端相连，3、4引脚与电源高电平相连，6脚接发光二极管和电阻。
电路的延时功能体现在单稳态触发器的波形整理功能及连接在其11和13引脚的电容与电阻的适当组合上，本次课程设计使用的是低功耗实验电路所以选择150K欧及47uF电容串联方式，经计算其延时时间约为5秒。
当光线充足时，光敏电阻阻值很小，LM358的3脚分压小，电压比较器输出1脚为低电平。
NE555电路4引脚为低电平有效，此时不管2脚和6脚输入为高或低，OUT输出端直接复位为0。
74122的1脚和2脚也为低，其Q端输出也为低，Q’端为高电平，发光二极管负端为高，灯不会亮。
当光线不充足时，光敏电阻阻值很大，LM358的3脚分压大，故电压比较器反相输入，输出为高电平，NE555的直接复位端4脚无效。
这时若有声音信号通过驻极体话筒输入，通过电容滤波后输入LM358声控放大电路，经放大后输入NE555的2脚和6脚，正弦波形被施密特变换为反相矩形波。
NE555的2脚和6脚输入大于
的电压，3脚输出OUT由低变为高，74122的1脚和2脚接收到一个上升沿脉冲，输入到74122单稳态触发器后再次经波形变换，Q端产生一个上升沿脉冲。
由于LED接入74122的Q’引脚，故其在Q’引脚是一个下降沿脉冲，此时发光二极管负端为低，灯会亮，亮时延迟时间为脉冲宽度
。
声音信号消失，Q端上升沿维持5s后灯会自动熄灭。
74122为可重复触发单稳态触发器，其主要特点就是可重复触发性，它能使计时装置重新计时，以达到延长灯亮时间的目的。
只要是在无光有声的情况下给声音信号，灯就会亮。
要使LM358的声控放大电路的放大倍数为30～50，
即
可选用
=4.7K
、
=150
，此时算得
。
，要使LM358的2脚和5脚的电压为
，必须选用两对阻值一样的电阻，这里在5引脚选用4.7K
，在2引脚选用1K
。
要使延时时间为5s，即使
=5s，选用150
的电阻和47uF的电容，即在11脚和13脚间接入47uF的电容，在13脚和
间接入150
电阻。
第四章硬件制作过程和调试
任何电子产品，从几个零件构成的整流器到成千上万个零部件组成的计算机系统，都是由基本的电子元件器件和功能构成，按电路工作原理，用一定的工艺方法连接而成。
虽然连接方法有多种（例如、绕接、压接、粘接等）但使用最广泛的方法是锡焊。
4.1手工焊接
1．手工焊接的工具
电烙铁铬铁架
2．锡焊的条件
为了提高焊接质量，必须注意掌握锡焊的条件。
（1）.被焊件必须具备可焊性。
（2）.被焊金属表面应保持清洁。
（3）.使用合适的助焊剂。
（4）.具有适当的焊接温度。
（5）.具有合适的焊接时间。
3焊料与助焊剂
凡是用来熔合两种或两种以上的金属面，使之成为一个整体的金属或合金都叫焊料。
这里所说的焊料只针对锡焊所用焊料。
常用锡焊材料：
（1）.管状焊锡丝
（2）.抗氧化焊锡
（3）.含银的焊锡
（4）.焊膏
4．助焊剂的选用。
在焊接过程中，由于金属在加热的情况下会产生一薄层氧化膜，这将阻碍焊锡的浸润，影响焊接点合金的形成，容易出现虚焊、假焊现象。
使用助焊剂可改善焊接性能。
助焊剂有松香、松香溶液、焊膏焊油等，可根据不同的焊接对象合理选用。
焊膏焊油等具有一定的腐蚀性，不可用于焊接电子元器件和电路板，焊接完毕应将焊接处残留的焊膏焊油等擦拭干净。
元器件引脚镀锡时应选用松香作助焊剂。
印制电路板上已涂有松香溶液的，元器件焊入时不必再用助焊剂。
5.手工焊接的注意事项
手工锡焊接技术是一项基本功，就是在大规模生产的情况下，维护和维修也必须使用手工焊接。
因此，必须通过学习和实践操作练习才能熟练掌握。
注意事项如下：
（1）.手握铬铁的姿势掌握正确的操作姿势，可以保证操作者的身心健康，减轻劳动伤害。
为减少焊剂加热时挥发出的化学物质对人的危害，减少有害气体的吸入量，一般情况下，烙铁到鼻子的距离应该不少于20cm，通常以30cm为宜。
（2）.焊锡丝一般有两种拿法。
由于焊锡丝中含有一定比例的铅，而铅是对人体有害的一种重金属，因此操作时应该戴手套或在操作后洗手，避免食入铅尘。
（3）.电烙铁使用以后，一定要稳妥地插放在烙铁架上，并注意导线等其他杂物不要碰到烙铁头，以免烫伤导线，造成漏电等事故。
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