声控 走 廊 灯Word格式文档下载.docx
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2.课题简介·
3.方案设计·
4
系统框图·
系统框图分析·
4.各单元电路设计和参数计算·
5
传感器电路·
放大电路·
T’触发器·
6
单稳态电路·
7
驱动电路·
5.系统调试和测试结果·
9
测试仪器·
测试环境·
测试方法·
测试数据·
6.设计总结·
10
7.参考文献·
8.附·
摘要
本系统用驻极体话筒来接受声音信号,并将其转化为声音信号.用LM324构成运放将微弱的信号放大.用两片CD4013分别构成T'
触发器和单稳态电路,再加上一个单刀双置开关,当开关接在T'
触发器即可实现击掌一次灯亮,再击掌一次灯灭。
当开关接在单稳态电路上即可实现击掌一次灯亮,过一段时间灯自动熄灭。
我们用三极管来作为发光二极管的驱动。
关键词:
驻极体LM324CD4013三极管
一.课题简介:
声控走廊灯在目前已得到广泛的使用,它给人们的生活带来了很大的方便,与其他灯相比最突出的优点就是节约了很大一部分电能。
生活中,不管是在居民的小区里,还是在工作的高楼大厦里,我们都能看到声控走廊灯的声影。
声控走廊灯是把声音信号(如脚步声)通过传感器转化成电信号,用电信号来驱动电灯泡。
声控走廊灯具有的特点:
1.稳定性好,及时的为人们提供照明。
2.作用时间合理,人进楼道口时亮,人尽可能离开时熄灭,不要人在中途时就熄灭。
3.节能性好,声控走廊灯需很少的电就能工作很长时间。
声控走廊灯的设计要求:
(a)开关式控制:
击掌一次灯亮,再击掌一次灯灭。
(b)延时式控制:
一次击掌后灯亮,延时3秒后自动熄灭。
声控走廊灯的设计原理:
根据设计任务的要求,首先要将声音信号转化成电信号,这需要传感器电路,由于传感器电路输出的电信号比较微弱,所以我们需要放大电路,经放大后的电信号要实现开关式控制和延时式控制两种控制方法,开关式控制中要求击掌一次灯亮,击掌一次灯灭,如果将击掌信号视为触发脉冲,这上述现象恰好与T’触发器的翻转功能相一致,到另一端所以我们选用T’触发器实现开关失控制;
延时式控制要求击掌一次后灯亮10秒钟自动熄灭,如果我们将上述击掌信号视为触发信号,将此触发信号加到一个单稳态触发器上恰好可以满足上述要求,所以我们在放大电路后面用一个双路开关实现上述两种控制方式,开关拨到一端实现开关式控制,开关拨到另一端实现延时式控制,经过T’触发器或单稳态触发器输出的信号是数字信号,驱动能力略显不足,所以我们考虑增加一级驱动放大电路,然后再输出给电灯控制电路。
二.方案的论证
单稳态电路部分
方案一:
用分立元件构成单稳态电路,不过此电路得到的波形不是相当可靠,可能会引起较大的误差.
方案二:
用555定时器来作单稳态电路,此电路能产生较好的波形,电路如图4.23和4.24所示:
方案三:
用CD4013来作单稳态电路,此电路也能产生较好的波形.
方案的选取:
从上面三个方案可以看出,方案二和方案三符合题意,但是从资源的利用上来说,方案三更好,故选择方案三.
三.方案设计
系统框图:
图1电路原理框图
系统框图分析:
1.传感器是将声音信号转变成电信号,我们常用的是话筒。
市场上话筒的种类很多,我们选用的是驻极体话筒,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。
2.放大电路是将信号放大,由于这里对放大的信号没什么特殊的要求,所以我们采用LM324即可。
3.T’触发器,由于厂家一般只生产JK触发器和D触发器,所以T’触发器需要用D触发器改装得到。
4.单稳态电路,单稳态电路可以用分离元件自己搭,可以用555定时器构成。
我们这里仍用D触发器,因为一片CD4013有两个D触发器,做T’只需一个D触发器,还有一个不能浪费,要充分利用资源,这样才会节省成本。
5.驱动电路,驱动电路我们采用常规的三极管驱动。
因为这里的信号功率不大,所以我们采用9013.9013是NPN型的小功率三极管,在此电路中已满足条件。
四.各单元电路设计和参数计算:
1.传感器电路
本课题将声音信号转换成电信号的传感器选用驻极体话筒,驻极体话筒的电路如图所示,通过查找驻极体话筒的工作原理,可知输出电阻极高,考虑到电路的匹配,要求后级的放大电路有高输入阻抗与之匹配。
图中的100千欧电阻是为电容提供一个放电通路。
图2驻极体话筒电路图3同相比例放大电路
2.放大电路
选用LM324放大电路如图3所示,LM324引脚图如图4所示。
由于驻极体话筒输入阻抗高,我们选用高输入阻抗的同相比例放大电路,反相比例放大电路的输入阻抗较低。
还有后续连接的是数字电路,如果后级选用TTL电路,要求本级输出的电压信号幅度大于2V,如果后级选用CMOS电路,要求本级输出的电压信号幅度大于3.5V
如图3所示,设经驻极体话筒转换的电信号UA=20mV,经放大后的电压如果选用CMOS电路,则要求放大后输出电压UB>
3V,这个放大后的输出电压也不要过高,以免过于灵敏。
这样有下式:
AU=1+Rf/R3=UB/UA>
3/0.02=150
取Au=200这样Rf=200R3.而在同相比例放大电路中,R3的取值范围为1千欧到几千欧,Rf的取值范围几十千欧到几百千欧,最大可为几兆。
图4LM324引脚图因此取R3=1千欧,Rf=200千欧。
对于LM324的电源,我们采用6V的干电池单电源连接方式供电,故R3上再串联上一个小电容接地。
放大后的输出信号最好再经过一次整形处理我们采用图5的二极管1N4148和电容C构成的滤波电路,图中的10千欧电阻是为滤波电路的电容C提供了一个放电通路。
图6CD4013的引脚图
3.T’触发器
采用CMOS电路实现,这是因为TTL电路的功耗大,且要求电源5V稳定,而采用CMOS电路3到18V的电源均可且省点,所以选用CD4013实现T’触发器和单稳态电路。
CD4013的引脚图如图6所示。
根据设计要求,将击掌信号即为触发信号,利用CD4013中的一个D触发器实现T’触发器的电路图如图7所示。
图7T’触发器和单稳态电路图8驱动显示电路
4.单稳态电路
选用CD4013加外围电路实现,如图7单稳态电路所示,这里运用三要素法对电路中的R,C进行计算。
CMOS电路的阈值电压Ut=0.5Vcc。
当有击掌信号即触发脉冲到来时,Q置1对C开始充电,当充电电压到达阈置电平时UT时复位信号R有效,Q复位,单稳态过程结束。
f(t)=f(∞)+[f(0+)-f(∞)]e-t/T
上式中f(∞)=Vcc,f(0+)=0,以t=5~10s为例进行计算,代入上式得:
1/2Vcc=Vcc+[0-Vcc]e-5/T
得t=7.14~14.2
由于T=RC,取C=220微发,R=51千欧。
在图1的电路原理框图中,开关放在数字电路,但考虑到上述T'
触发器和单稳态电路之间不能直接线与,所以将上述开关修正到数字电路后。
5.驱动显示电路
选用三极管电流放大电路,采用发光二极管模拟灯的的显示,如图8所示。
下面对基极电阻RB和集电极电阻Rc的选取进行计算。
发光二极管如果选用普亮的发光二极管,流过的电流要求为5~10mA,选用高亮的发光二极管,流过的电流要求为1mA,发光二极管的管压降为1.8~2V。
下面以选用普亮的发光二极管ID=5~10mA为例进行计算。
Rc=Vcc-UD-UCES/ID=(6-2-0.3)V/5~10mA=370~740欧,
故图8中的R7=510欧。
三极管选用NPN型三极管9013,其电流发达倍数为60~120,Ics=5~10mA。
取放大倍数为100,Ics=10mA,故IBS=100微安。
IB=(Vcc-0.7)/RB,而IB=(3~5)IBS较好,代入上式得到RB=10~17千欧,故取RB=10千欧,即图8中的R6=10千欧。
综上所述,各单元电路计算完毕,总电路图如图9所示:
图9
五.系统调试与测试结果
4.1调试的仪器:
EE1641B1函数信号发生器
CS-183030M模拟示波器
DT890D数字万用表
DF1731SD3A直流稳压电源
4.2调试的环境:
时间2010-7
温度27度
4.3调试的方法:
首先对各单元电路进行调试,驻极体话筒接受声音信号并将其转化为电信号,但电信号比较微弱不能进行有效的测量,微弱的电信号经放大电路放大后的信号我们可以测量其电压的大小,看放大后的电压能否达到所要求的,如果没有,可以调节放大电路的反馈电阻增大其放大倍数。
再测试T'的输出端Q经一次击掌后有没有达到高电平,二次击掌后是否为低电平。
最后再测试单稳态电路的输出端看是否得到所需的波形。
等单元电路测试都成功后,再把整个电路都连接好,看灯的亮灭情况。
4.4调试的数据:
击掌的次数
灯亮情况
击掌一次
灯亮
击掌二次
灯灭
延迟多长时间后灯灭
3.0s
2.9s
击掌三次
六.设计总结:
本系统采用驻极体话筒,LM324,CD4013等器件出色的完成了本题目的各项要求。
本系统当开关拨到T'触发器,击掌一次灯亮,再击一次灯灭。
当开关拨到单稳态电路,击掌一次灯亮,过三秒后自动熄灭。
而且本系统采用的器件都非常便宜,在市场上都能买到。
七.参考文献:
1.江键,夏钟福,崔黎丽.神材妙用丛书:
神奇的驻极体[M].北京:
科学出版社,2003.
2.张新昌集成运算放大器的应用1985
3.王卿WANGQin
新余高专学报
浅谈器件CD40132005
10
(2)
4.学位期刊论文电极结构优化对大功率GaN基发光二极管性能的影响-物理学报2007,56(10)
5.论文1.R面蓝宝石上生长的A面GaN;
2.GaN基发光二极管的光电性能2004
八.附:
实物图