光电探测大作业声光控延时开关照明系统.docx

资源描述

光电探测大作业声光控延时开关照明系统.docx

《光电探测大作业声光控延时开关照明系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电探测大作业声光控延时开关照明系统.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

光电探测大作业声光控延时开关照明系统.docx

光电探测大作业声光控延时开关照明系统

光电探测大作业

声光控延时开关照明系统

3.1系统仿真及原理图制作使用平台18

引言

根据国内外市场需求预测，我国照明电器行业的高速增长还将继续。

就国内市场需求而言，人们生活水平逐步提高，对生存环境质量的要求也越来越高，对照明电器产品提出更高的要求。

在地球资源日渐衰竭的今日，环保、节能是当今各产业发展的重心，尤其是需要消耗大量电力的照明产业，基于此目的的研发工作更是趋向环保、节能的特性上著眼。

因此，开发新型高效、节能、寿命长、环保的电路对居家照明节能具有十分重要的意义。

声光控开关是只有在满足了无光线和有声音才可以启动开关使灯泡点亮一段时间，无需人去手动的打开和关闭灯泡开关方便了人们，同时避免了灯泡常亮的情况因而达到了节电的目的。

白天光线较强时，受光控自锁，有声响也不通电开灯；当傍晚环境光线变暗后，开关自动进入待机状态，遇有说话声、脚步声等声响时，会立即通电，亮灯，延时半分钟后自动断电；能延长灯泡寿命6倍以上，节电率达90％。

二者都为人们的日常生活提供诸多方便。

第2章单元电路设计

2.1设计思路

此设计是为了实现声控光控延时开关的功能。

在白天时无论是否有声音，照明灯都不能被点亮，在夜晚当有声音产生时，照明灯被点亮，且在声音消失后，照明灯能够维持一段时间亮度，有足够的时间让人通过。

它由电源电路、声光处理电路和控制电路等部分组成。

流程方框图如图1-1所示。

图1-1设计方框图

2.2声光信号处理

声光信号处理电路就是对采集到的声信号和光信号进行处理后提供给控制电路。

2.1.1声音放大电路

声音放大电路采用BJT三极管，常见的BJT三极管的工作方式有三种：

共射电路、共集电路、共基电路。

1．共射电路

共射电路如图2-1所示，直流电源VCC一方面通过RC、Rb为三极管提供合适的静态偏置电压，另一方面为电路提供能量，一般为几伏至几十伏。

其中C1、C2为耦

图2-1共射放大电路

合电容，起到传递交流，隔断直流的作用。

C1、C2一般为电解电容器，一般为几微法到几十微法。

Rc是集电极直流负载电阻，保证三极管有合适的静态偏置外，还可将三极管的电流信号转换成电压信号。

Rc一般为几百欧到几千欧。

信号有三极管的基极输入、输出。

基极与发射极构成输出回路，而发射极是输出、输入的公共端，共射工作方式具有电压和电流的放大作用，放大关系是U0=βUi，电流同样如此。

2．共集电路

共集电路如图2-2所示，信号从基极输入，从发射极输出，集电极是输入、输出

回路的公共端，共集电路因此而得名。

图2-2共集放大电路

电源VCC给三极管V提供反偏电压，又通过基极偏置电阻Rb给发射结提供正偏电压，使三极管V工作在放大区。

输入信号电压Ui通过输入耦合电容C1加到三极管V的基极，输出信号电压U0从发射极通过输出耦合电容C2送到负载RL上。

共集电路具有电流的放大作用但是没有电压的放大主作用，所以又叫做射击跟随器。

3．共基电路

共基电路如图2-4所示，其中Rc为集电极电阻，Re为发射极偏置电阻，Rb1、Rb2为基极分压偏置电阻，他们共同构成分压式偏置电路。

图2-3共基放大电路

大电容Cb使基极对地交流短路。

其信号从发射极输出，基极是输入、输出回路的公共端。

共基电路的输入电流大于输出电流，没有电流放大作用，但电压放大倍数较大。

4．分析

由于本次设计中声音信号产生的电压信号很小，因而只能用具有电压放大的电路，再从电路的复杂程度等方面考虑，共射放大电路更适合作为声音信号放大电路。

2.2.2声控电路设计

声控电路由驻极体话筒、电阻R3、R4、R5，晶体管VT、电容C3、C4组成如图2-5所示。

驻极体话筒将声音信号转化为微弱的电信号，微弱的电信号经C3滤波后导入由三极管VT组成的共射放大器进行放大，放大后的电信号经C2隔直后输出。

声控电路参数计算:

一般情况下，人正常说话的声音的幅度约为40-50分贝，经驻极体话筒转化为电信号有效值约为UBM≈40mV，要使产生的信号经过放大后电压基本上在5V左右,放大倍为:

（2-1）

放大倍数有125倍的三极管有9011、9013、9014、9015等。

这些都是较为常见的三极管，任意一种都可以用于这次设计，我选用9014型三极管，9014参数如表2-1所示。

表2-19014参数

参数名称

符号

典型值

单位

集电极耗散功率

Pcm

300

集电极最大电流

Icm

100

电流放大系数

60～300

特征频率

150

MHz

根据三极管放大公式：

（2-2）

由于9014允许最大电流Icm为100mA所以：

（2-3）

根据欧姆定律：

（2-4）

所以：

（2-5）

由于声音信号电流的叠加选择电阻R4为200

。

电阻R4的功率：

（2-6）

要保证三极管输出电压在5V左右，那么Uce电压就应当为5V左右。

所以UR3电压为7V左右。

又由于Icm为100mA，同样根据欧姆定律得到R3>70

要尽量使Ic小些，所以选择R3为3.9

。

所以三极管的静态工作点为：

（2-7）

（2-8）

（2-9）

电阻R3的功率：

（2-10）

由于R5是为BM提供一个偏置电压所以选择阻值为3.9

的电阻，C2、C3都是起隔直作用一般选择电容值为33

的电容，R8为三极管后的负载电阻阻值为8

。

2.2光控电路设计

我们的题目中，是要使用一种光电探测器件来通过探测光的强弱达到一种可以开关电路的目的，当光比较强的时候，可以关闭电路：

当光比较弱的时候，可以打开电路。

我们从以下几个方面最终选择出了光敏电阻来作为我们要使用的光电探测器件

（1）光电特性

我们的要求中光电探测器件仅作开关使用，只要满足可以很好的区分白天和夜晚的照度即可，下面以我们所选择的5516型光敏电阻来做分析。

该光敏电阻的在10lx的光照下的阻值为5-10k欧姆，取10k欧姆计算，

=0.5

查阅资料得到：

在晴朗的天气室内照度为100—2000lx，阴天室内照度为5—50lx，月夜照度为0.02—0.3lx，分别取为1000lx，10lx，0.1lx

根据实际情况，我们以阴天室内的照度为是否打开开关的界限。

根据课本的公式，

，其中B的照度是A的10倍。

根据以上条件，我们可以求得在上面三种情况下光敏电阻的阻值。

计算得到三种条件下的阻值分别为1k、10k、100k。

以上分析证明，使用光敏电阻可以很好的达到区分白天黑夜亮暗的目的。

（2）光谱特性

由于我们的装置是要用于检测可见光的亮暗，可见对光的具体波段没有很大的要求，只需要在可见光波段可以有较好的灵敏度即可，我们选择的光敏电阻峰值波长在550nm，正是用于可见光波段的光电器件

（3）频率特性

我们的装置要用在楼道中来检测楼道中的亮度是否足够亮，大致是以天为周期进行亮暗的变化，而我们选用的光敏电阻的响应时间是不到秒的量级，远远满足使用条件。

（4）温度特性

我们的装置使用在室外的楼梯中，考虑极端情况温度范围在负20摄氏度到40摄氏度之间，我们选用的光敏电阻的温度适用范围包含了这一部分。

（5）功率限制

仍然用我们选的5516型光敏电阻来做分析。

由

（1）中的分析，考虑到使用环境楼道的密闭性，可以用1k欧姆作为光敏电阻可能拥有的最小阻值。

由于光敏电阻的最大功耗为90mW，计算可知光敏电阻两端能承受的最大电压为9.49V。

我们只需要在设计时使用10V或者以下的电源为开关模块供电便可以达到光敏电阻的功率限制。

（6）价格

因为我们的装置是要用在每个楼道的每个楼层，使用量非常之大，所以使用的光电探测器要成本越低越好。

虽然除了光敏电阻，还有很多种的光电探测器可以达到我们的要求，但是光敏电阻的一个最大的优势是价格便宜。

一下是随意截取的一家商家的图片，按照起批的价格，是不到1分钱一个光敏电阻，而且还量大从优。

光敏电阻5516CDS参数如表2-2所示。

表2-2光敏电阻参数

型号

最大电压

（VDC）

最大功耗（mw）

环境温度

（℃）

光谱峰值（nm）

亮电阻（K）

暗电阻

（M）

5516CDS

150

-30～+70

540

5-10

0.5

光控制电路设计如图2-5所示，电路由电阻R2和RG串联进行分压来提取光信号。

图2-5声光处理电路

R2阻值计算：

（2-11）

（2-12）

根据计算，R2的阻值为0.7

。

白天光较强时，光敏电阻RG的阻值较低（约为5

），这时它和R2（0.7

）的阻值相比较，R2远大于RG，RG上分的电压基本上为0V，此时输出电压为0V（低电平）。

晚上光线较暗时，光敏电阻RG的阻值变大（约为0.5

），R2、RG串联对12V电压进行分压，此时a点输出电压为5V（高电位）。

2.3照明灯控制电路设计

控制电路主要是由控制芯片74LS00，延时电路，可控硅组成如图2-6所示。

声音信号进入13引脚，光信号进入12引脚，经过与非门从3引脚输出控制信号，控制信号通过可控硅间接控制照明灯。

图2-6控制电路电路

2.3.1器件选择

1．四-二输入与非门74LS00

主控芯片74LS00外形如图2-7所示，它是采用晶体管制造工艺在硅晶片上生产四个各自独立的二输入与非门电路如图2-8所示，然后采用DIP-14标准封装而成的双列14脚直插式结构。

逻辑关系为：

。

图2-774LS00外形图2-874LS00内部排列

2．可控硅

可控硅也称作晶闸管外形如图2-9所示，它是由PNPN四层半导体构成的元件，有三个电极，阳极A，阴极K和控制极G。

可控硅在电路中能够实现交流电的无触点控制，以小电流控制大电流，并且不像继电器那样控制时有火花产生，而且动作快、寿命长、可靠性好。

在调速、调光、调压、调温以及其他各种控制电路中都有应用。

图2-9可控硅外形

由于可控硅只有导通和关断两种工作状态，所以它具有开关特性，这种特性需要一定的条件才能转化，此条件见表2-3

表2-3可控硅导通和关断条件

2.3.2延时电路设计

声光处理电路的光信号和声音信号由a、b端口输入，经过两次与非门后由8号引脚输出并提供给延时电路C5和R7。

延时电路由C5和R7组成，它是利用电容充放电的原理工作的如图2-10所示。

图2-10延时电路电路

当电容C5已有电压U0时，且二极管无正偏截止时，电容器立即对电阻R7惊醒放电，放电开始时的电流为U0/R。

放电电流的实际方向与充电时相反，放电时的电流

与电容电压

随时间均按指数规律衰减为零，电流与电压的数学表达式为:

（2-13）

（2-14）

公式（2-14）中

为电容器的初始电压。

放电时

和

的变化曲线如图2-11所示。

图2-11电容放电曲线

RC电路的时间常数用

表示，

，

的大小决定了电路充放电时间的快慢。

对于充电而言，时间常数

时电容电压

从零增长到63.2%U0所需要的时间；对放电而言，

是电容电压

从

下降到36.8%

所需的时间。

R7的阻值为250K，C2为100

则有:

（2-15）

所以电路延迟时间为25s。

R6为74LS00保护电阻，选择阻值为1KΩ。

2.4电源电路设计

电源部分是整个电路的重要组成部分是为整个电路提供能量的源泉，它相当于人类的心脏，如果没有电源部分那么整个电路将无法工作。

电源电路一般是由整流、降压、滤波、稳压电路组成。

2.4.1整流电路

整流电路的作用就是将交流电转换成脉动的直流电，整流电路分为单相半波整流电路、单相全波整流电路、单相桥式整流电路。

1．单相半波整流

单相半波整流电路如图2-12所示，工作原理是市电经过变压器变成低电压再经过VD整流，若U2的正半周期间二次绕组电压瞬时极性上端a为正，下端b为负，二极管VD正偏通，二极管和负载上有电流通过，则U0=U2。

在负半周期间，二极管的瞬时极性上端a为负，下端b为正，VD反偏截止，RL上电压UD=U2，RL上无电压，所以该电路只利用了电源电压U2的半个周期，电源利用率不高。

整形前后波形如图2-13所示。

图2-12半波整流电路图2-13整形前后波形

2．单相全波整流

单相全波整流电路如图2-14所示，设电源电压二次绕组电压U2正半周时瞬时极性上端为正，下端为负。

二极管VD1正偏导通，VD2反偏截止。

负载电流途径为a→VD1→RL→c。

在U2的负半周时瞬时极性上负下正，二极管VD1反偏截止，VD2正偏导通。

负载电流途径为b→VD2→RL→c。

整流电路中VD1和VD2轮流导通，所以在交流电的整个周期内都有电压输出，提高了电源的利用率,整形前后电路图如图2-15所示。

图2-14全波整流电路图2-15整形前后波形

3．单相桥式整流

单相桥式整流电路如图2-16所示，设电源变压器二次绕住电压U2正半周时瞬时极性上端a为正，下端b为负。

二极管VD1、VD4正偏导通，VD2、VD3反偏截止。

导电回路为a→VD1→RL→VD4→b，负载上电压极性为上正下负。

负半周时U2瞬时极性a端为负，b端为正，二极管VD1、VD4反偏截止，VD2、VD3正偏导通，导通电路为b→VD2→RL→VD3→a，负载上电压极性同样为上正下负，这样在交流电的整个周期内都有电压输出，提高了电源的利用率。

整流后波形图如图2-17所示。

图2-16桥式整流电路图2-17整形前后波形

4．分析

由于单相半波整流电路负半周能量都消耗在了二极管上对电源的利用率较低；单相全波整流电路要用到中心抽头的变压器，因而电路的结构复杂；单相桥式整流电路对电源的利用率大且电路简单工作稳定，因而本设计选择单相桥式整流电路。

2.4.2滤波电路

经过整形的交流电变成了有一定波动的直流电，这种直流电只能用在对于输出电压平滑程度要求不高的电子设备中。

如果用在要求交高的电子设备中时，会引起严重的干扰。

因此电路整流后一般都要加滤波电路，滤波电路一般有电容滤波电路、电感电容滤波电路、

形滤波电路。

1．电容滤波

电容滤波电路如图2-18所示。

设滤波电容C初始电压值为零，当U2由零逐渐上升，在t0～t1期间二极管VD正向导通，电流分成两路，一路流经负载RL，另一路对电容进行充电。

设r为二极管导通的正向电阻及变压器二次绕组的电阻之和，充电时间常数为τrc=（r∥RL）C，r很小，一般RL远远大于r，所以，τrc≈rC很小。

电容器两端电压Uc达到U2的峰值

U2。

由于二极管的阳极电位是随U2的变化，而阴极电位是随Uc变化的，t1时刻，U2=Uc=

U2，因此二极管零偏截止。

电容C开始向负载RL放电，放电时间常数τRc=RLC，由于RL远大于τRC，因此放电过程缓慢即UC下降缓慢，而二极管阳极电位却随输入电压U2的迅速下降，导致二极管在某一段时间截止状态，以后输入电压自正半周向正半周上升，直到t2时刻，二极管电位开始大于阴极电位，VD开始导通，并向电容C迅速充电，在t2～t3期间，U0波形按图2-19所示变化。

到t3时刻，Uc=U2，二极管有截止，使得电容有对负载RL放电。

图2-18电容滤波电路图图2-19滤波前后波形

2．电感电容滤波

电感电容滤波电路如图2-20所示，工作频率越高、电感量越大，滤波效率越高。

Lc滤波电路适用与电流较大、要求输出电压脉动较小的场合，尤其适合高频整流，负载变化较大且对输出电压的脉动程度要求不太高的场合。

图2-20电感电容电路

3．RC-π形滤波

形滤波电路如图2-21所示。

它是利用电阻和电容对输入回路整形后的电压的交直流分量的不同分压作用来实现滤波的作用的。

电阻R对交直流分量均有同样的分压作用，但是因为电容C2的交流阻抗很小，这样电阻R与C2及RL配合以后，使交流分量较多地降在电阻R两端，而较少地降在负载RL上，从而起到滤波的作用，R越大，C2越大，滤波效果越好。

但R不能太大，R太大将使直流压降增大，能量无谓地消耗在R上。

图2-21RC-π滤波电路

4．分析

由于这次的设计对电压的脉动程度交小且

形滤波电容电感滤波的电路都没有电容滤波的电路简单因而选择电容滤波电路。

2.4.3电源电路工作原理

根据前面整流和滤波的优缺点和使用的场合最终确定电源电路如图2-22所示。

二极管VD1～VD4将市电转变成脉动的直流电，再经过R1降压和电容C1滤波得到直流电，然后通过稳压二极管VD5得到一个电压稳定在12V的直流电。

图2-22电源电路

电源电路参数：

由于后级的负载电阻RL大约为4

R1的作用主要是起到对稳压管VD5的保护作用，R1的阻值取1

得到二极管中的电流ID：

（2-16）

最大电流IF：

（2-17）

滤波后输出电压U0:

（2-18）

二极管承受的最高反向电压：

（2-19）

桥式整流电路中的二极管选用最大反向工作电压为1000V，额定工作电流为1A的硅整流二极管1N4007。

由滤波电容选取公式的：

（2-20）

电容耐压值：

（2-21）

取标称值为400V，电容量为4.7

的电容，选择12V的稳压二极管。

2.5整机电路

总结前面的单元电路设计可以得到如图2-23所示的整机电路图。

图2-23整机电路原理图

工作原理：

驻极体话筒将声音信号转换为电信号经过C4隔直耦合后送到VT进行放大，放大后的信号经过C3隔直后送入74LS00的13脚，光敏电阻和R2分压后将光信号送入12脚。

有声有光时：

74LS00的13号引脚为高电平12号引脚为低电平，经过两次与非后由8脚输出低电压，低电压再经过两次与非后仍然为低电压。

因而3号引脚输出的为电压为低电压可控硅断开，灯泡不亮。

有声无光时：

74LS00的13号引脚和12号引脚都为高电平，经过两次与非后由8脚输出高电位。

因而3号引脚输出的电压电压为高电压可控硅导通，灯泡亮，由于RC电路的延时作用使3脚持续输出高电压，起到延时的作用。

无声无光时：

74LS00的13号引脚为低电平12号引脚为高电平，经过两次与非后由8脚输出低电压，低电压再经过两次与非后仍然为低电压。

因而3号引脚输出的为电压为低电压可控硅断开，灯泡不亮。

无声有光时：

74LS00的13号引脚为低电平12号引脚为低电平，经过两次与非后由8脚输出低电压，低电压再经过两次与非后仍然为低电压。

因而3号引脚输出的为电压为低电压可控硅断开，灯泡不亮。

第3章电路仿真

3.1系统仿真及原理图制作使用平台

系统仿真采用Interactive Image Technologies公司推出的Windows环境下的电路仿真软件—multisim10.此软件最适合于模电数电仿真，不仅可以完成电路瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、噪声分析和直流分析等基本功能，而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等电路分析方法，并具有故障模拟和数据储存等功能。

原理图的制作则是protel99se，此软件是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。

3.2整机仿真测试

（1）无声有光

将连接好的电路原理图对照设计的电路图认真核对一遍,若无错误（阻值的大小，导线连接短路等）现象，将光敏电阻阻值调小和mic及函数信号频率调到最低，打开右上脚的run开关，发现灯泡不亮。

图3-3无声有光电路仿真图

（2）无声无光

即Y=A&B（Y=1&0=0）,此时灯泡应该不亮，（Y为满足条件，A代表光线，B代表声音，“1”表示满足条件“0”则反之）当光线暗与上有声时才为真

（1），调节滑动电位器R7，将其阻值逐渐增大，MIC（即函数信号发生器）频率信号最低，此时发现灯泡不亮。

图3-4无声无光仿真图

（3）有声有光

即Y=A&B（Y=0&1=0）,此时灯泡应该不亮，将滑动电位器调到最小，函数信号的频率逐渐增大（50HZ以上），此时只有声音信号放大了，而光控则最低。

图3-5有声有光仿真图

（4）有声无光

即Y=A&B（Y=1&1=1）,此时灯泡应该亮，调节滑动电位器，将其阻值增大（至少为50%），再将函数信号的频率增大（50HZ以上）。

图3-6有声无光仿真图

第4章实物制作

4实物制作测试

所设计电路分为强电部分和弱电部分，因为我们是在面包板上进行测试，出于安全性考虑，我们只对弱电部分进行测试。

而强电部分是市电的整流和滤波，所以测试弱电部分可以证明所设计电路是否正确。

为了更好的进行测试，我们还对原始电路中的一些参数进行了一定的调整。

最后得到的实物电路如图4-1所示。

图4-1实物电路

测试时我们分为是否有声，是否有光4种情况考虑。

结果只有在有声无光（光照较弱）的情况下灯才亮。

因此所设计电路符合要求。

图4-2无声无光图4-3有声无光

参考文献

[1]龚华生.实用电路创意制作自学通.电子工业出版社，2006年

[2]何小艇.电子系统设计.浙江大学出版社，2001年6月

[3]姚福安.电子电路设计与实践.山东科技技术出版社，2001年10月

[4]王澄非.电路与数字逻辑设计实践.东南大学出版社，1999年10月

[5]李银华.电子线路设计指导.北京航空航天大学出版社，2005年6月

[6]康华光.电子技术基础.高教出版社，2003年

[7]韩振振.数字电路逻辑设计.大连理工大学出版社，2000年

[8]刘树林，高卫斌，低频电子线路，北京：

电子工业出版社，2003。

[9]王成安，电子技术基本技能综合训练，北京：

人民邮电出版社，2005。

[10]吴润宇，轩荫华，实用稳定电源，北京：

人民邮电出版社，1997。

[11]周志敏，周纪海，LED驱动电路设计实例，北京：

电子工业出版社，2003。

附录元件明细表

项目

代号

名称

型号、规格

数量

备注

更改

电阻器

RJ―0.5―1KΩ―±5%

RJ―0.125―0.7MΩ―±5%

RJ―0.25―3.9KΩ―±5%

RJ―0.5―200KΩ―±5%

RJ―0.125―10KΩ―±5%

RJ―0.25―1KΩ―±5%

RJ―0.25―250KΩ―±5

RJ―0.25―8KΩ―±5%

电容器

CD－2－400V－4.7μF－±5%

CD－2－25V－3.3μF－±10%

CD－2－25V－100μF－±10%

晶体管

VD1

1N4007

VD2

1N4007

VD3

1N4007

展开阅读全文