声光控延时开关设计97616Word格式文档下载.docx
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10K
光敏电阻
R7
R2
20K
驻级话筒
MIC
R3
1M
三极管
Q1
9013
R4
100K
发光二极管
LED1
绿光
R5
1K
瓷片电容
C1
0.1uF
R6
集成电路
555
与非门
4011
电解电容
C3
100uF
4.1驻级话筒
驻极体话筒简称ECM，通称MIC（Microphone），是一种常用的能将声音信号转换成电信号的声—电转换器件。
它的突出特点是体积小、重量轻、结构简单、使用方便、寿命长、频响宽、灵敏度高，且价格也比较低廉。
因而被广泛应用于盒式录音机、无线话筒及声控开关等电子电路中。
。
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。
4.1.1驻级话筒的结构
图3驻级话筒结构图
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。
驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。
因而它的输出阻抗值很高（Xc=1/2~tfc），约几十兆欧以上。
这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。
所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。
场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。
普通场效应管有源极（S）、栅极（G）和漏极（D）三个极。
这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。
接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。
场效应管的栅极接金属极板。
这样，驻极体话筒的输出线便有两根。
即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。
4.1.2驻级话筒的接法
驻极体话筒与电路的接法有两种：
源极输出与漏极输出。
源极输出类似晶体三极管的射极输出。
需用三根引出线。
漏极D接电源正极。
源极S与地之间接一电阻Rs来提供源极电压，信号由源极经电容C输出。
编织线接地起屏蔽作用。
源极输出的输出阻抗小于2k，电路比较稳定，动态范围大。
但输出信号比漏极输出小。
漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。
只需两根引出线。
漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出。
源极S与编织线一起接地。
漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。
Rs和RD的大小要根据电源电压大小来决定。
一般可在2．2～5．1k间选用。
例如电源电压为6V时，Rs为4．7k，RD为2。
2k。
输出电路中，若电源为正极接地时，只须将D、S对换一下，仍可成为源、漏极输出。
一声控电路前置放大级中驻极体话筒的源极输出和漏极输出的两种不同的接法，最后要说明一点，不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为它内部装有场效应管
4.1.3驻级话筒的输出方式
机内型驻极体话筒有四种连接方式，对应的话筒引出端分为两端式和三端式两种，R是场效应管的负载电阻，它的取值直接关系到话筒的直流偏置，对话筒的灵敏度等工作参数有较大的影响。
[1]
二端输出方式是将场效应管接成漏极输出电路，类似晶体三极管的共发射极放大电路。
只需两根引出线，漏极D与电源正极之间接一漏极电阻R，信号由漏极输出有一定的电压增益，因而话筒的灵敏度比较高，但动态范围比较小。
市售的驻极体话筒大多是这种方式连接。
（SONY用在MD上的话筒也是这类）
三端输出方式是将场效应管接成源极输出方式，类似晶体三极管的射极输出电路，需要用三根引线。
漏极D接电源正极，源极S与地之间接一电阻R来提供源极电压，信号由源极经电容C输出。
源极输出的输出阻抗小于2K，电路比较稳定，动态范围大，但输出信号比漏极输出小。
三端输出式话筒市场上比较少见。
无论何种接法，驻极体话筒必须满足一定的偏置条件才能正常工作。
（实际上就是保证内置场效应管始终处于放大状态）
4.1.4驻极体话筒的特性参数
工作电压Uds1.5~12V，常用的有1.5V，3V，4.5V三种
工作电流Ids0.1~1mA之间
输出阻抗一般小于2K（欧姆）
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
4.1.5驻级话筒的极性判别
关于驻极体电容式话筒的检测方法是：
首先检查引脚有无断线情况，然后检测驻极体电容式话筒
图4驻级话筒
体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。
驻极体话筒的内部结构如图所示。
由声电转换系统和场效应管两部分组成。
它的电路的接法有两种：
源极输出和漏极输出。
源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一电容作信号输出；
漏极输出有两根引出线，漏极D经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极S直接接地。
所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。
在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。
将万用表拨至R×
1kΩ档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。
再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。
在收录机、电话机等电器中广泛应用的驻极体话筒，其灵敏度直接影响送话和录放效果。
这类话筒灵敏度的高低可用万用表进行简单测试。
4.1.6驻级话筒的特性参数
（1）工作电压（UDS）。
这是指驻极体话筒正常工作时，所必须施加在话筒两端的最小直流工作电压。
该参数视型号不同而有所不同，即使是同一种型号也有较大的将模拟式万用表拨至R×
100档，两表笔分别接话筒两电极（注意不能错接到话筒的接地极），待万用表显示一定读数后，用嘴对准话筒轻轻吹气（吹气速度慢而均匀），边吹气边观察表针的摆动幅度。
吹气瞬间表针摆动幅度越大，话筒灵敏度就越高，送话、录音效果就越好。
若摆动幅度不大（微动）或根本不摆动，说明此话筒性能差，不宜应用。
对于三根引脚驻极体电容式话筒检测方法同上，只是黑表棒接输出引脚2脚，红表棒接引脚3脚。
驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。
高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷（Q），由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。
我们知道电容上电荷的公式是Q=C·
U，反之U=Q/C也是成立的。
驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。
最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。
由于场效应管是有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作。
表征驻极体话筒各项性能指标的参数主要有以下几项：
离散性，通常厂家给出的典型值有1.5V、3V和4.5V这3种。
（2）工作电流（IDS）。
这是指驻极体话筒静态时所通过的直流电流，它实际上就是内部场效应管的静态电流。
和工作电压类似，工作电流的离散性也较大，通常在0.1～1mA。
（3）最大工作电压（UMDS）。
这是指驻极体话筒内部场效应管漏、源极两端所能够承受的最大直流电压。
超过该极限电压时，场效应管就会被击穿损坏。
（4）灵敏度。
这是指话筒在一定的外部声压作用下所能产生音频信号电压的大小，其单位通常用mV/Pa（毫伏/帕）或dB（1dB=1000mV/Pa）。
一般驻极体话筒的灵敏度多在0.5～10mV/Pa或-66～-40dB范围内。
话筒灵敏度越高，在相同大小的声音下所输出的音频信号幅度也越大。
（5）频率响应。
也称频率特性，是指话筒的灵敏度随声音频率变化而变化的特性，常用曲线来表示。
一般说来，当声音频率超出厂家给出的上、下限频率时，话筒的灵敏度会明显下降。
驻极体话筒的频率响应一般较为平坦，其普通产品频率响应较好（即灵敏度比较均衡）的范围在100Hz～10kHz，质量较好的话筒为40Hz～15kHz，优质话筒可达20Hz～20kHz。
（6）输出阻抗。
这是指话筒在一定的频率（1kHz）下输出端所具有的交流阻抗。
驻极体话筒经过内部场效应管的阻抗变换，其输出阻抗一般小于3kΩ。
（7）固有噪声。
这是指在没有外界声音时话筒所输出的噪声信号电压。
话筒的固有噪声越大，工作时输出信号中混有的噪声就越大。
一般驻极体话筒的固有噪声都很小，为微伏级电压。
（8）指向性。
也叫方向性，是指话筒灵敏度随声波入射方向变化而变化的特性。
话筒的指向性分单向性、双向性和全向性3种。
单向性话筒的正面对声波的灵敏度明显高于其他方向，并且根据指向特性曲线形状，可细分为心形、超心形和超指向形3种；
双向性话筒在前、后方向的灵敏度均高于其他方向；
全向性话筒对来自四面八方的声波都有基本相同的灵敏度。
常用的机装型驻极体话筒绝大多数是全向性话筒。
[2]
4.2光敏电阻器
光敏电阻器是利用半导体光电效应制成的一种特殊电阻器,由玻璃基片、光敏层、电极等部分组成。
为了利于吸收更多的光能，光敏电阻体通常都制成薄片结构。
根据制作光敏层所用的材料，光敏电阻可以分为多晶光敏电阻器和单晶光敏电阻器。
根据光敏电阻的光谱特性，又可分为紫外光光敏电阻器、可见光光敏电阻器以及红外光光敏电阻器等。
光敏电阻的特点是对光线非常敏感。
无光线照射时，光敏电阻呈高阻状态，当有光线照射时，电阻值迅速减小。
在没有光照时，即E=0，光敏电阻的阻值称为暗阻，用RR表示。
一般产品此值为一百kΩ至几十MΩ。
在规定照度（例如E=1000Lx）下，电阻值降至几千欧，甚至几百欧姆，此值称之为亮阻，用RL表示。
显然，暗阻RR越大越好，而亮阻RL，则越小越好。
4.2.1光敏电阻的检测
光敏电阻的检测方法：
检测光敏电阻时，将万用表置于R×
1k挡，两表笔分别任意各接光敏电阻的一个引脚，然后分别进行暗阻、亮阻和灵敏性测试。
检测暗阻：
用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，阻值接近∞。
此值越大说明光敏电阻性能越好。
若此值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损坏。
检测亮阻：
将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆动，阻值明显减小。
此值越小说明光敏电阻性能越好。
若此值很大甚至为∞，表明光敏电阻内部开路损坏。
检测灵敏性：
将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的透光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。
如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已损坏。
用上述方法对光敏电阻的亮阻和暗阻进行测量，将万用表欧姆挡调到k欧挡，不挡光处理，测得光敏电阻的亮阻为0.8k欧；
对光敏电阻进行挡光处理，测得电阻值为1.3M欧。
由于电路中光敏电阻起分压作用，当白天时基本不分压，晚上时，电阻R2基本不分压。
即要求白天R2阻值远大于光敏电阻阻值，晚上暗阻远大于R2.综上选择R2的阻值为20k。
4.4CD4011
图54011引脚图
CD4011是一种集成的四与非门，其工作电压为0.5-18v，其具体工作原理如下：
1）当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。
（2）当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为”1”，使得NAND-B的两个输入均为”1”，因此NAND-B的输出为”0”。
（3）当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为”1”，使得NAND-1的两个输入均为””1，因此NAND-A的输出为”0”。
（4）当X=1、Y=1时，因为一个””1不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态。
4.5555定时器
555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极型（TTL）工艺制作的称为555，用互补金属氧化物（CMOS）工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器556/7556。
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或者模拟电路电平兼容
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。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。
4.5.1555定时器的功能。
图6555定时器
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC/3。
若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为低电平。
4.5.2555的引脚
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
2脚：
低触发端TR。
3脚：
输出端Vo
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
6脚：
高触发端TH。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
4.6发光二极管
光二极管简称为LED。
由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。
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。
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，氮化镓二极管发蓝光。
因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。
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
4.6.1LED芯片的发展
发光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。
发光二极管的反向击穿电压大于5伏。
4.7三极管
NPN型三极管，由三块半导体构成，其中两块N型和一块P型半导体组成，P型半导体在中间，两块N型半导体在两侧。
三极管是电子电路中最重要的器件，它最主要的功能是电流放大和开关作用。
半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。
它最主要的功能是电流放大和开关作用。
三极管顾名思义具有三个电极。
二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极（用字母B表示——B取自英文Basic，基本（的）、基础（的）），其他的两个电极成为集电极（用字母C表示——C取自英文Collect，收集）和发射极（用字母E表示——E取自英文Emission，发射）。
三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量。
三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。
当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。
集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。
图7三极管结构
9013是一种NPN型小功率三极管。
三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。
三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区。
三极管的排列方式有PNP和NPN两种。
非9014,9013系列三极管管脚识别方法：
（a）判定基极。
用万用表R×
100或R×
1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。
当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。
这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。
黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测管子为PNP型三极管；
如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管如9013，9014。
（b）判定三极管集电极c和发射极e。
（以PNP型三极管为例）将万用表置于R×
1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。
在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；
在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。
五、电路模块
5.1声光检测模块
图8声光检测模块
声光处理电路就是对采集到的声音和光进行处理后提供给控制电路。
5.1.1声音放大电路
声音放大电路的核心元器件是三极管，三极管的工作方式有三种分别是共射电路、共集电路、共基电路。
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，然而共集电路没有电压放大的作用不选用，而共基电路虽然有电压放大的作用但是电路相比于共射电路较复杂，所以声音处理电路选择共射放大电路
其中三极管V是电路的核心，起放大的作用
声控电路由驻级话筒、电阻R3、R1、R6，晶体管VT、电容C1组成如图所示驻级话筒将声音信号转化为微弱的电信号，微弱的电信号经C4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C1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50分贝，经压电陶瓷片转化为电信号有效值约40
mv，要使产生的信号经过放大后电压基本上在5
V左右,放大倍为125倍。
由于R6是为驻级话筒提供一个偏置电压所以选择阻值为20KΩ的电阻，C1起隔直作用一般选择电容值为1uF的电容，为使三极管的基极电流为临界电流，故选择电阻R6阻值为1M欧，电阻R1选择阻值为10k欧。
5.1.2光控制电路
光控制电路设计如图4所示，电路由电阻R2和光敏电阻R7串联进行分压来提取光信号。
它的核心元件为光敏电阻，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。
对光敏电阻的亮阻和暗阻进行测量，将万用表欧姆挡调到k欧挡，不挡光处理，测得光敏电阻的亮阻为0.8k欧；
5.2逻辑门
逻辑门选择集成芯片CD4011，他的作用是当声音和光照同时满足条件时控制后续电路的运行。
即只要任何一个环节不满足条件时，后续电路是不会工作的。
这样对声光控的实现提供了可能。
5.3555延时环节
图9单稳态触发器原理图及其波形图
单稳态触发器只有一个稳态状态。
在未加触发信号之前，触发器处于稳定状态，经触发后，触发器由稳定状态翻转为暂稳状态，暂稳状态保持一段时间后，又会自动翻转回原来的稳定状态。
单稳态触发器一般用于延时和脉冲整形电路。
接通电源后，未加负脉冲，而C充电，Vc上升，当Vc=2Vcc/3时，RS电路输出为低电平，放电管T导通，Vc快速放电，使Vc=
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