声光控开关论文.docx
《声光控开关论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《声光控开关论文.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
声光控开关论文
目录
摘要1
前言4
第1章方案结构的选择及整机电路组成5
1.1结构方框框图和工作原理5
1.1.1声光控制结构方框框图5
1.1.2整机电路组成和各部分作用5
第2章单元电路的设计7
2.1电源电路的选取7
2.2整流电路的选取及工作原理7
2.3芯片介绍8
2.3.1CD4011芯片的结构及原理8
2.4声控电路的选取及工作原理9
2.4.1驻极体的结构与原理9
2.4.2声控电路的结构与原理9
2.5光控电路的选取及工作原理10
2.5.1光敏电阻的结构与原理10
2.5.2运用光敏电阻等分立元件组合实现光控11
2.5.3采用555集成电路实现光控12
2.6延时电路的选取及工作原理13
2.6.1采用晶闸管及RC振荡延时电路13
2.6.2采用555时基电路的简易长延时电路15
2.7整机电路组成及工作原理15
第3章单元电路的参数选择17
3.1电源部分的参数计算17
3.1.1灯泡参数选择17
3.1.2整流电路参数选择17
3.2声控电路的参数选择17
3.2.1驻极体话筒参数选择17
3.2.2晶体管参数选择18
3.3光控电路的参数选择18
3.4延时电路参数选择19
3.4.1晶闸管参数选择19
第4章实物制作与调试20
4.1常用电子元器件的安装20
4.1.1IC插座的安装20
4.1.2晶体管的安装20
4.1.3电阻的安装20
4.1.4电容的安装20
4.2焊接20
4.2.1焊接准备21
4.2.2焊接过程21
4.3调试22
4.3.1静态调试22
4.3.2动态调试22
结论24
致谢25
参考文献26
附录1声光控制节能灯开关原理图27
附录2元件清单28
前言
毫无疑问，20世纪是电子技术的世纪。
当然许多其他行业如医药，交通，科学，商业等也取得很大进步，但如果没有电子技术所提供的仪器和设备，这些行业能取得这么大的进步吗？
答案肯定的。
没有电子技术，你无法看到自己在跳动的心脏的逼真的三维虚拟图象；没有电子技术，你就无法在星期日的晚上从银行取钱。
你愿意去参加一个没有音响放大器，没有大屏幕或灯光效果的流行音乐会吗？
与20世纪前不同，在20世纪早期，电子技术开始有了较快的发展。
首先意大利天才Marconi发明的无线电和Henry.Hertz的工作电子技术进一步的发明开辟了道路。
在20世纪第1个十年中最受世界欢迎的新东西是真空管，在那时真空管是无线电设备中一个奇妙的器件。
人们为了使这个奇妙的器件的服务人们在生活中带来的许多不便。
所以在不同的空间和地方都出现了它的身影，着就对20世纪的中期科技的发展带来了巨大的飞跃。
同理技术与技术的结合使新的产品重新出现在人们的视觉里，人们并不满足这样产品的本身带来的价值和本身的使用的“价值”。
所以更新的技术的到来使这个产品本来的“价值”有的新的发展空间，不论在国防科技上还是在生活都给人们带了不小的惊喜。
科技革命的变革，对电子产品的发展带来了前所惟有的变革，在此基础上新的的技术对于在原来本身所含技术是一次不小得冲击。
对此我认为科技的发展是必然的。
现在，由于电子技术的影响面广、掺透力强、发展速度快和富余生命力，使得它的应用日益广泛.在现代的科学研究中，科学家使用的先进仪器离不开电子技术；在国民经济的各个部门，电子技术广泛地应用于工农业生产，而且掺透到各个领域中.无论是通信、广播、电视、计算机、自动化设备、电子医疗器械、新型武器、人造卫星和宇宙飞船，还是人们日常生活中不可缺少的家用电器，都离不开采用电子技术制造出来的各种电子设。
第1章方案结构的选择及整机电路组成
声光控开关节能灯控制电路是90年代逐渐出现在人们日常生活中，最先声光技术是先用于在国防科技上，后来根据人们的生活水平的提高逐步用与民用科技上。
在科技发达的今天，无论是在人们的日常生活中，还是在工农也生产，科学研究和国防建设中都广泛地使用着种类繁多的电路。
例如为了采光而使用的照明电路；将微弱信号进行放大的放大电路；异地间信号交流而使用的通讯电路；为实现自动化生产而使用的各种自动控制电路等等。
总之，只要用到电，就离不开电路。
实际应用中的电路虽然形式多种多样，但它们都是各种电路的组成形式。
1.1结构方框框图和工作原理
1.1.1声光控制结构方框框图
声光控开关节能灯控制电路方框如图1-1所示：
图1-1声光控开关节能灯控制电路方框图
1.1.2整机电路组成和各部分作用
声光控开关节能灯电路由电源电路、声控电路、光控电路、延时电子开关电路四大部分组成。
1.电源电路
电源电路它是给电路提供能源的设备，其作用是给电路提供电源，使电路能正常的工作。
常用的电路有：
半波整流、全波整流、桥式整流、而常用的电源电路使用的是桥式整流电路为主要电源电路部分。
2.声控电路
声控电路它是用声音控制电路的设备，其作用是把送入的声波转换为电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。
常用的电路有：
小信号放大电路、声波控制电路等。
而常用的声控电路使用的是声波控制电路为主要的声控电路部分。
3.光控电路
光控电路它是用外来的光源来控制电路的设备。
其作用是把外来送入的光源转换电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。
常用的电路有：
发光器件电路、光敏器件电路和光电显示器件电路。
而常用的光控电路使用的光敏器件电路为主要的光控电路部分。
4.延时电子开关电路
延时电子开关电路它是用电路中送入的信号进行控制电路的设备。
其作用是用送入来的信号去控制电路，使电路达到延时的效果。
常用的延时电路有按键延时电路、感应延时电路、开关控制延时电路、光控延时电路、声光双控延时电路等。
而本电路延时电子开关电路使用主要的电路为声光双控延时电路部分。
声光双控电路是声、光控开关的组合。
它是利用驻极体话筒是否采集到声音信号，光敏电阻感应光线的明暗来改变信号的高低电平，以达到控制电路输出高低电平的目的，再利用稳压管高电平导通的原理来控制灯泡的亮灭。
第2章单元电路的设计
2.1电源电路的选取
本次声光控开关设计是为日常生活中所能实际应用而设计，所以采用交流电源220V为整个电路供电。
2.2整流电路的选取及工作原理
整流电路把交流电能转换为直流电能的电路。
大多数整流电路由变压器、整流主电路和滤波器等组成。
它在直流电动机的调速、发电机的励磁调节、电解、电镀等领域得到广泛应用。
整流电路通常由主电路、滤波器和变压器组成。
整流电路是电力电子电路中最早出现的一种，它将交流电变为直流电，应用十分广泛。
全波整流的输出是交流输入电压的0.9倍，效率高，直流电压平稳。
能充分利用变压器的功率。
半波整流输出是交流输入的0.45倍，效率低。
在负载电流较小的场合也可用半波整流。
根据电压的充分利用整流电路选用单向桥式整流电路。
单向桥式整流电路是由电源变压器T，4只整流二极管VD1～VD4和负载RL组成。
电路图如2-1图所示。
图2-1桥式整流电路原理图
工作原理：
利用4个二极管接成电桥使在U2的正负半周的电压经过两只二极管交替导通，即在负载上形成了单方向的全波脉冲电压。
其中单向桥式整流电路对电压的利用率高。
在桥式整流电路中，交流电在一个周期内有两个半波电流以相同方向通过负载所以该整流电路输出的直流电压比半波整流电路增加一倍，即
根据欧姆定律可求出负载上的直流电流IL，即
2.3芯片介绍
2.3.1CD4011芯片的结构与原理
CD4011BC是一个集四个2输入与非门电路为一体的芯片，其外部结构如图2-2所示。
图2-2CD4011BC外形结构图
CD4001BC和CD4011BC四门是整体的补充MOS（CMOS）集成电路以N-和P-channel增强模式晶体管。
他们有同样的源与汇电流能力和符合标准系列输出驱动。
这个装置也有缓冲输出大大提高传递特性提供非常高的增益。
所有的输入是防静电放电和二极管对VDD和说明。
这个系列的逻辑门用磷和氮频道增强模式在一个单一的整体结构
的装置。
使用他们主要是为了节省功率耗散和有较高的抗噪能力。
CD4011芯片内部结构如图2-3所示。
图2-3CD4011的内部结构
CD4011的功能：
四个2为输入与非门CMOS芯片。
电源电压范围：
3V-15V
功耗：
700mW（普通封装）；500mW（小外形封装）
工作温度范围：
CD4011BM-55℃~+125℃
CD4011BC-40℃~+85℃
逻辑表达式为：
其真值表如表2-4所示：
表2-4与非门真值表
A
B
Y
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
1
0
2.4声控电路的选取及工作原理
2.4.1驻极体的结构与原理
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。
它是在电容器金属极板之间加上一层驻极体薄膜，作为电介质。
当薄膜受声波作用而振动时，就引起电容量的变化，并在极板间产生电荷。
如果施以直流电源电压，即可输出音频信号，实现声－电转换。
其使用寿命可达几年至几十年。
构造与原理：
驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。
声电转换的关键元件是驻极体振动膜。
它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。
然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。
膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。
膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。
这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。
当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。
2.4.2声控电路的结构与原理
如图2-5所示声控电路由传声器BM，电阻器R2、R4，晶体管VT、电容C1和CD4011中的D1组成。
工作原理：
话筒将声音信号转化为负极性的电信号，但接收到的微弱信号经C2滤波，通过由三极管VT组成的放大器把微弱的信号进行放大，其集电极输出正极性的电信号送到CD4011的2脚。
并通过R4给基极提供导通电压。
图2-5声控电路
2.5光控电路的选取及工作原理
2.5.1光敏电阻的结构与原理
光敏电阻器又叫光感电阻，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）。
光敏电阻的符号如图2-6所示。
图2-6光敏电阻
构成与原理：
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
2.5.2运用光敏电阻等分立元件组合实现光控
光敏器件包括光敏电阻、光敏二极管及光敏三极管等。
光敏器件可以用来以可见光或红外光的形式控制报警器、测试仪、自动开关、继电器等多种装置或执行机构。
因此光敏器件在自动化技术中起着极其重要的作用。
光敏电阻的特性与人眼最为接近，因此，光敏电阻比较适合用于声光控路灯、照相机曝光表、空气烟尘检测器等可见光装置。
光敏二极管、三极管的最佳响应特性在红外区（但目前，有些日光型的光敏二极管、三极管的特性与人眼的视觉特性更趋接近），因此，光敏二极管、三极管最适合用于红外遥控系统、红外光束阻断报警器等装置。
综上所述光控元件选光敏电阻。
在光线较暗时，光敏电阻呈高阻态；在光线较亮时，光敏电阻呈低阻态，光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。
如图2-7所示光控电路由光敏电阻器RG，电阻器R5和CD4011中的D1组成。
图2-7光控电路
工作原理如下：
在黑暗状态下光敏电阻RG呈高阻态，电路通过R5在光敏电阻RG形成高电平。
当同时有声音信号时，经过CD4011的一个与非门D1使后级电路工作。
当有足够的光通量照射在光敏电阻上时，其电阻值突然降得很低，既光敏电阻两边就的电压就很小，即不能形成高电平，使其后级电路不能工作。
2.5.3采用555集成电路实现光控
555定时器电路是一种中规模集成定时器，目前应用十分广泛。
通常只需外接几个阻容元件,就可以构成各种不同用途的脉冲电路,如多谐振荡器、单稳态触发器以及施密特触发器等。
其芯片结构如图2-8所示。
图2-8555定时器芯片
555定时器工作原理：
它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2/3VCC和1/3VCC。
C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。
当输入信号输入并超过2/3VCC时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于1/3VCC时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。
555光电控制器集成电路如图2-9所示。
无光照射时，光敏电阻RG的阻值很大（1MΩ以上），555时基集成电路的2脚、6脚电压约为电源电压的1/2,3脚输出低电平，KA线圈无电，继电器释放。
当有光线照射到光敏电阻RG上时，RG阻值会大幅下降（小于10kΩ），555的2脚、6脚电压降到电源电压的1/3以下，3脚输出高电平，KA线圈得电，继电器吸合，即使光照消失，KA仍保持吸合状态。
其后，如再有光线照射到光敏电阻RG上，则电容C1储存的电压通过RG加到555的6脚，使6脚的电压大于电源电压的2/3，3脚输出低电平，KA线圈失电，继电器释放，电路恢复到原始状态。
光明电阻RG每受到照射一次，电路的开关状态就转换一次。
图2-9采用555集成电路的光控制器电路图
综合两种光控电路最终选取单个光敏电阻电路作为光控电路，因为考虑对整个电路设计要求成本等相对比运用555定时器控制低，并且单个光敏电阻电路结构简单，当同时有声音信号时，经过CD4011的一个与非门D1使后级电路工作。
当有足够的光通量照射在光敏电阻上时，其电阻值突然降得很低，既光敏电阻两边就的电压就很小，即不能形成高电平，使其后级电路不能工作。
这样实现起来更简单快捷。
2.6延时电路的选取及工作原理
2.6.1采用晶闸管及RC振荡延时电路
1晶闸管的结构与原理
可控硅是可控硅整流器的简称。
可控硅有单向、双向、可关断和光控几种类型它具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、控制方便等优点，被广泛用于可控整流、调压、逆变以及无触点开关等各种自动控制和大功率的电能转换的场合。
单向可控硅是一种可控整流电子元件，能在外部控制信号作用下由关断变为导通，但一旦导通，外部信号就无法使其关断，只能靠去除负载或降低其两端电压使其关断。
单向可控硅是由三个PN结组成的四层三端半导体器件与具有一个PN结的二极管相比，单向可控硅正向导通受控制极电流控制；与具有两个PN结的三极管相比，差别在于可控硅对控制极电流没有放大作用。
晶闸管的工作原理分析：
晶闸管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图2-10所示。
当晶闸管的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时BG2导通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始导通，BG1的导通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和导通状态。
电路很快从截止状态进入导通状态，这时栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持导通状态不变。
如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和BG2均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少BG1和BG2的基电流也将减少，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从导通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。
在实际应用中，我们可通过一个开关来短路晶闸管的阳极和阴极从而达到晶闸管的关断。
图2-10晶闸管的结构图
2延时电子开关电路
如图2-11所示延时电子开关电路由二极管VD5、电容C3、电阻R8、晶闸管VT和集成芯片CD4011组成。
工作原理如下：
延时电路的设计主要由C3和R8组成。
当夜晚有响声（如脚步声、说话声等），驻极话筒会接收到信号并通过三极管VT对其进行放大之后送到CD4011的1脚，同时光敏电阻这时也呈高阻态并送入CD4011的2脚，经与非关系后3脚输出低电平，（集成芯片引脚的连接方式如图2-11所示）芯片4脚输出高电平使二极管VD5
图2-11延时电子开关电路
导通对C3充电。
最终芯片11脚输出高电平去控制晶闸管导通点亮灯泡L。
在此期间同时通过VD5对C3快速充电，充电电流大，充电时间很短，快速将C3上电压充满，C3上所得的电压经R8对晶闸管VT的T、K级慢慢放电，此时就算没有响声灯泡仍然点亮，直到C3上的电放完，可控硅截止灯泡熄灭，等待下一次触发。
2.6.2采用555时基电路的简易长延时电路
本电路和一般的定时电路相比是通过在555时基电路的5脚处加了一个二极管VD1，使得定时时间延长的特点。
其电路图如图2-12所示。
图2-12555时基电路的简易长延时电路图
555时基电路的简易长延时原理：
555电路选用NE555、uA555、SL555等时基集成电路。
二极管VT1、VT2选用4148型硅开关二极管。
电阻器R1、Rt选用RTX—1/4W型碳膜电阻器，电容器Ct选用电解电容器，继电器K可根据用电设备的需要选择。
当按下SB时，12V的电源通过电阻器Rr向电容器Cr充电，使得6脚的电位不断升高，当6脚的电位升到5脚的电位时，电路复位定时结束。
由于在5脚串上了一个二极管VD1使得5脚电位上升，因此比一般接法（悬空或通过小电容接地）具有了更长时间的定时。
综合以上两种延时电路可知采用RC振荡延时电路结构简单，所需元件数量少，工作流程简单，而采用555时基电路延时相对比较复杂，且555时基电路延时长，这样在日常生活中当人路过声光控灯后灯依然会延时较长时间才息灭，所以选取RC振荡电路做延时电路。
2.7整机电路及工作原理组成
综合以上各单元电路的选取可以组合成如图2-13所示整机电路图。
图2-13声光控开关节能灯控制电路原理图
工作原理：
声光控延时开关的电路原理图如图2-13所示。
电路中的主要元器件是使用了数字集成电路CD4011，其内部含有4个独立的与非门D1～D4，使电路结构简单，工作可靠性高。
结合图2-13可知声音信号（脚步声、掌声等）由驻极体话筒BM接收并转换成电信号，经C1耦合到VT的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门（VD1）的2脚，R4、R7是VT的偏置电阻，C2是电源滤波电容。
为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻RG等元件组成光控电路，R5和RG组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，RG两端的电压高，即为高电平期间t=2πR8C3，改变R8或C3的值，可改变延时时间，满足不同目的。
D3和D4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。
当C3充电到一定电平时，信号经与非门D3、D4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；C3充满电后只向R8放电，当放电到一定电平时，经与非门D3、D4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。
二极管VD1～VD4将220V交流进行桥式整流，变成脉动直流电，又经R1降压，C2滤波后即为电路的直流电源，为BM、VT、IC芯片等供电。
第三章单元电路的参数计算
3.1电源部分的参数选择
3.1.1灯泡参数选择
本设计选择灯泡最大功率100W。
3.1.2整流电路参数选择
由于本设计中灯泡功率为100W，输入电压为交流220V，由此可知：
（3-1）
桥式整流电路的结构决定了每只二极管在半周期里导通，所以在一个周期里流过每个管子的平均电流负载电流的一半。
即
（3-2）
电源电路采用的是桥式整流电路故负载上的平均电压和电流均比半波整流大一倍。
（3-3）
二极管截止时最大反向Udm等于U2的最大值，即
（3-4）
考虑二极管的安全需留一定裕量所以VRM=331×2=662V，所以选择IN4007作为整流电路部分整流，其耐压值为1000V，最大允许电流为3A。
3.2声控电路的参数选择
3.2.1驻极体话筒参数选择
在本电路中，驻极体话筒BM灵敏度由R2调整，适当调整R2，可改变BM的灵敏度。
当R2=22K时，有效距离在10m左右，就可以使电灯L亮。
若将R2改为44K，有效距离将缩短至5m左右。
工作电压U：
1.5-12V，常用的有1.5V，3V，4.5V三种；
工作电流I：
0.1-1mA之间；
输出阻抗一般小于2KΩ；
灵敏度单位：
伏/帕，国产的分为4档，红点（灵敏度最高）黄点，蓝点，白点（灵敏度最低），频率响应一般较为平坦；指向性全向；等效噪声级小于35分贝。
结合整机电路分析后选择CZN17型驻极体话筒作为声控电路部分的声音信号源。
3.2.2晶体管参数选择
1.共射极电流放大系数：
（1）共射极直流放大系数
（3-9）
（2）共射极交流放大系数β
同一个三极管，在相同的工作条件下，β与β的平均值相等因而，今后就不再分区这二种参数，而统一用β表示。
选用管子是，值应恰当，一般来说，β值太大的管子工作稳定性差。
2.极间反向饱和电流：
极间反向饱和电流，是三极管中少数载流子形成的电流，它的大小表明了三极管质量的优劣。
直接影响它的工作稳定性。
（1）集电极—基极反向饱和电流ICBO
（2）集电极—发射极反向饱和电流ICEO
这两种反向饱和电流的关系：
（3-5）
ICEO与ICBO都随温度的升高而增大。
在选用管子时。
应选反向饱和电流小的管子。
综合电路附录1整机原理图可选择S9014作为声控电路放大声音信号作用。
声控电路部分具体元件参数等请参考附录2元件明细表
3.3光控电路的参数选择
电阻灵敏度（SR）：
指光敏电阻在规定光强照射下的电阻的变化率。
其计算表达式为：
（3-6）
电流灵敏度（SI）：
是指光敏电阻在规定光强照射下的光电流（IL）与光通量（λ）之比值，其计算表达式为：
（3-7）
工作电压（VG）：
指最大的工作电压（VM）光敏电阻在额定功耗下所允许承受的最大工作电压。
（3-8）
额定功率（PM）：
指光敏电阻在规定的工作条件与连续负荷自身温升不超过最大工作温度情况下所允许消耗最大功率。
（3-9）
工作温度范围：
合适光敏电阻正常工作的温度范围。
时间常数（Υ）：
光敏电阻的时间常数也称为光感惯性。
它是指光敏,电阻从光照电阻值跃变开始，到稳定电流值的63%所需的时间。
结合整机电路分析后选择MG45-5KΩ的光敏电阻作为光控电路部分元件。
光控电路部分具体元件参数请参考附录2元件明细表。
3.4延时电路参数选择
在本设计中延时电路部分时间T的计算：
（3-10）
3.4.1晶闸
升级会员 