声光延时报警器毕业设计.docx
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声光延时报警器毕业设计
郑州轻工业学院
本科毕业设计（论文）
题目声光延时报警器
学生姓名施严西
专业班级电子科学与技术０９-1
学号540911010122
院（系）技术物理系
指导教师（职称） 商纪敏（讲师）
完成时间201３年05月31日
声光延时报警器
摘要
日常生活及工业生产中声光控电路使用非常广泛，报警电路可以实现安全保护功能，用于安保方面。
本设计基于集成元器件CD4011，实现了高低电平转换的功能，以及可控硅电阻电容的性能特性，满足了电路设计要求，并设计出了电路。
实现了白天时，无论是否有声音，由于光敏电阻的作用，该报警器处于关闭状；当晚上时，光敏电阻作用减小，这时候只要电路接收到脚步声或者拍打声，报警器就会报警来提醒主人主意，并且报警器的报警声会在一段时间后自动停止，无需人们去关闭。
声光控延时报警器不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点。
关键字：
声控光控延时报警
TheEnglishabstract
Thedailylifeandindustrialproductioninacousticlight-activatedcircuituseisverywidealarmcircuitcanrealizesafeprotectionfunctiononsecurityaspects.Circuitcansteerablesonicdelayalarmcircuitindependentusealsocanmixusedforlightingsecurity.Thisdesignaremainlyintroducedinthroughtheopticalsonictoundertakethealarmdelay.InthedaytimeregardlessofwhetheranysoundbecausephotoconductiveresistancefunctionthealarmintheclosedformIntheeveningphotoconductiveresistanceistimeaslongascircuitfunctionreceivesfootstepsorrepeatedbeatsthealarmwillalarmtoremindownerideaandalarmalarmsoundwillafterperiodoftimeautomaticallystopwithoutpeopletoshutdown.Acousticlight-activateddelayswitchappliesnotonlytotheuptowncorridorbutalsoapplytofactoryofficebuildingteachingbuildinginpublicplacesithassmallbeautifulappearanceeasytomakeandreliableworketc.Throughthisdesignhasexercisedmyactivelearningabilityabilitytoworkwithothers.Stillcanbeobtainedthroughvarioussourcesofcertainmaterialtostudytogethertoenhanceourcomprehensivepracticeability.
Keywords:
voicelightcontroldelayalarm
第一章方案设计
1.1前言
在研究课题之前，首先要了解它的背景、目的、及意义。
日常生活及工业生产中声光控电路应用非常广泛，报警电路可以实现安全保护功能，用于安保方面。
电路可以光控、声控、延时、报警电路独立使用，也可组合用于照明、安保。
1.1.1设计背景
随着电子技术的发展，尤其是数字技术的发展，用数字电路技术实现灯的自动发亮、节能节电、延长灯的寿命、自动报警变得越来越重要，而且贴近我们的实际生活。
声光控电路已成为人们日常生活中必不可少的必需品，它不需要开关，当有人经过时会自动的亮或自动报警；广泛应用于走廊、楼道招待所、仓库等公共场所，给人们的生活、带来极大的方便。
因此，得到了广泛的应用。
声光控电路是声音和光控制电路工作的电子开关。
它将声音（如击掌声）和光转化为电信号，经放大、整形，输出一个开关信号去控制各种电器的工作，在自动控制工业电器和家用电器方面有着广泛的用途。
由于，本电路广泛应用于人们的日常生活中，所以，有很大的重用作用。
1.1.2设计目的及意义
课题设计的目的是设计并制作声光控延时报警电路，此报警器在白天的情况下无论如何都不会报警，在夜晚及在有声音的情况下，报警器自动触发，延长一段时间后自动停止报警。
通过本设计制作，培养我们的设计电子产品的思路，学会制定设计方案，掌握电子元器件的选用以及一般电子产品组装和调试的方法。
培养我们综合分析问题的能力和提高工程实践的能力。
课题设计的意义是了解声光控延时开关的特点，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点，因为采用声光控控制，所以无需人为的控制和操作，从而大大降低了人力、物力、财力，有很好的社会效应及社会价值，符合节约型社会的价值观。
1.2基本思路
先通过先通过查书或网上查阅资料搜索声、光控延时电路若干，从中找出一些符合要求的简单易行的电路，然后分析其工作原理。
分别对电路做接线实验，调试成功后再焊接到电路板上。
1.2.1方案论证
该报警器共包括四个部分：
一是声控部分：
通过脚步声、说话声来驱动的电路；二是光控部分:
通过光照控制光敏电阻的阻值变化构成的电路；三是延时部分：
利用电容充放电电路来延时工作的时间；四是报警部分：
采用报警芯片驱动喇叭发出声音，或直接使用蜂鸣器报警。
1.2.2电路工作原理图的选择
方案一：
用逻辑器件或门74LS32将声音控制电路和光照控制电路合在一起，来控制声光报警电路。
电路图如下：
图1声光延时报警电路图
（一）
方案二：
直接用光敏电阻控制三极管的导通状态，进而控制声音信号的放大和传送，实现声音信号和光照信号一起控制报警电路的作用。
电路图如下：
图2声光延时报警电路图
（二）
方案三：
直接用光敏电阻来控制cd4011的输入与输出状态，进而来实现报警功能。
图3声光延时报警电路图（三）
本设计采用第三方案原因有如下二点：
1．由于方案二比方案一所需器件更少，成本更低，且易实现，所以我们不可能采用方案一。
又由于方案二和方案三比较方案三声光控采用一个三极管更容易调试让其导通和截止。
2．方案二和方案三比较后者原件更少，调试方便而且容易实现其功能。
如图3，电路用5V直流电供电，三极管VT由于从R3获得正偏，故导通。
在白天，当有较强的光线照射到光敏电阻RG上时，RG阻值很小，所以CC4011的与非门F3的一个输入端①脚处于低电平。
而F3的另一个输入端②脚接在VT集电极上，由于VT此时呈导通状态，所以F3的两个输入端均为低电平，其输出端则为高电平，F4则输出低电平，VD1截止。
F2因R6、R7接地而输出高电平，于是F1输出低电平，因此VD1是关断的，蜂鸣器不工作。
每当夜幕来临，此时光线较弱，RG阻值急剧增大，近于断开状态，于是CC4011的与非门F3的一个输入端①脚处于高电平，但由于②脚仍处于低电平，所以F3输出高电平，蜂鸣器仍然不工作。
当有人走动或说话时，使话筒产生电信号。
此信号经C1耦合到三极管VT的基极，瞬时VT截止，②脚迅速变为高电平。
F3的①脚、②脚均处于高电平，使得F3输出为低电平，F4输出高电平，使二极管VD1导通，C2迅速充电。
同时F2输出低电平，F1输出高电平，晶闸管SCR经R1获得高电平而导通，蜂鸣器响。
由于脚步声或说话声是短促的，所以VT截止也是短暂的。
要使报警电路起作用，就必须使蜂鸣器有足够的工作时间。
延迟过程是这样的：
当脚步声或说话声消失后，F3的②脚恢复到低电平状态，于是F4输出低电平，VD1截止。
这时充足了电的C2开始时仍有电压，其高电位加到F2的输入端，使F2输出低电平，F1输出低电平，维持VD1导通，使蜂鸣器继续工作。
同时通过R6、R7、C2放电，随着时间的推移，C2两端的电压逐渐降低，当低到一定电平时，使F2输出高电平，晶闸管SCR立即关断，从而使蜂鸣器停止工作。
第二章电路设计
2．1原理图的设计
原理图的设计在整个电路设计当中起着举足轻重的地位，原理图设计的是否完善，对接下来的焊接工作有直接的关系。
2.1.1原理图框图
声光控延时报警就是用声音来控制蜂鸣器的“开启”的，若干时间后自动关闭，因此，整个电路的功能是将声信号处理后，变成电电信号来控制启动的，在知道信号流向后，可以依据主要元器件将电路化为几个单元
图4声光延时报警电路框图及原理图（四）
2.2绘制PCB
图PCB文件的介绍在完成电路原理图的设计后，需要将原理图转换成相应的印制电路板图。
新建一个PCB文件最常用的方法如下。
选择“文件”“创建”“PCB文件”菜单，如图所示，即可新建一个PCB文件。
或者打开Files面板，单击“新建”栏下的“PCBFiles”选项。
Protel2004提供了自动布线的功能，能大大减少工程量。
PCB的自动设计由以下几步。
1新建PCB电路板。
板框是电路板的电气边界，一定要在KeepOut层上绘制。
2载入网络表。
在原理图设计环境中，选择“设计”“UpdatePCBDocument”，单击按钮执行网络表命令。
3元件布局。
载入网络表以后需要对所有元件进行重新布局，可以采用手动方式布局，也可采用自动布局。
4设置布线规则。
选择“设计”“规则”菜单设置电路板的布线规则。
5最后手动布线完成，即PCB完成，如图2-2图2-2PCB电路图.。
图5声光延时报警电路框图及原理图（五）
第三章元器件的选择与检测
3.1元器件清单
在购买与使用元器件之前，必须对所用的元器件的相关知识有所掌握。
序号
名称
规格型号
数量
1
集成电路
Cd4011
1
2
单晶闸管
Mcr100-6
1
3
电阻
2M
2
4
电阻
51K
2
5
二极管
IN4007
1
6
电阻
15K
1
7
电阻
10K
1
8
光敏电阻
MG44
1
9
瓷片电容
104
1
10
极体话筒
Sg
1
11
电解电容
10Uf
1
12
三极管
9013
1
13
电源5V
松下
1
3.1元器件清单
3.2集成电路
CMOS数字集成电路CD4011，内部含有四个独立的与非门电路，内部结构见图，Vss是电源的负极，Vcc是电源的正极。
CMOS与非门电路，它由两个并联的PMOS管和两个串联的NMOS管组成，且PMOS管和NOMS管一一对应，即栅极连在一起。
当输入端A或B有一个为低电平时，与该低电平相连的NOMS管截止，POMS管导通，输出高电平；当输入端A和B都为高电平时，两个NOMS管都导通，两个POMS管都截止，输出低电平。
设高电平为逻辑1，低电平为逻辑0，则输出F和输入A、B之间是与非关系，即F/AB。
内部引脚图实物图
3-2真值表
X
Y
Q
动作
0
0
？
禁止
0
1
1
设定
1
0
0
重置
1
1
不变
无
3.2CD4011真值表
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。
如真值表第一列。
2当X=0、Y=1时，由于X1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”如真值表第二列。
3当X=1、Y=0时，由于Y0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”，如真值表第三列。
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，如真值表第四列。
3.3单向晶闸管
图形符号实物图
晶闸管又叫可控硅。
有单向晶闸管、双向晶闸管、光控晶闸管、逆导晶闸管、可关断晶闸管、快速晶闸管等等。
我使用的是单向晶闸管，也就是人们常说的普通晶闸管，它是由四层半导体材料组成的，有三个PN结，对外有三个电极：
第一层P型半导体引出的电极叫阳极A，第三层P型半导体引出的电极叫控制极G，第四层N型半导体引出的电极叫阴极K。
由于单向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3-3表
3-3控硅导通和关断条件
状态
条件
说明
从关断到导通
1.电位高于阴极电位、
2.控制极的正向电压电流
两者缺一不可
维持导通
1,阳极电位高于阴极电位
2.阳极电流大于维持电流
两者缺一不可
维持导通
1.电位低于阴极电位
2.电流小于维持电流
任一条件即可
判别各电极：
根据普通晶闸管的结构可知，其门极G与阴极K极之间为一个PN结，具有单向导电特性，而阳极A与门极之间有两个反极性串联的PN结。
因此，通过用万用表R×100A或R×1k档测量普通晶闸管各引脚之间的电阻值，即能确定三个电极。
具体方法是：
将万用表黑表笔任接晶闸管某一极，红表笔依次去触碰另外两个电极。
若测量结果有一次阻值为几千欧姆（kΩ），而另一次阻值为几百欧姆（Ω），则可判定黑表笔接的是门极G。
在阻值为几百欧姆的测量中，红表笔接的是阴极K，而在阻值为几千欧姆的那次测量中，红表笔接的是阳极A，若两次测出的阻值均很大，则说明黑表笔接的不是门极G，应用同样方法改测其它电极，直到找出三个电极为止。
判断其好坏:
用万用表R×1k档测量普通晶体管阳极A与阴极K之间的正、反向电阻，正常时均应为无穷大（∞）若测得A、K之间的正、反向电阻值为零或阻值较小，则说明晶闸管内部击穿短路或漏电。
测量门极G与阴极K之间的正、反向电阻值，正常时应有类似二极管的正、反向电阻值（实际测量结果较普通二极管的正、反向电阻值小一些），即正向电阻值较小（小于2kΩ），反向电阻值较大（大于80kΩ）。
若两次测量的电阻值均很大或均很小，则说明该晶闸管G、K极之间开路或短路。
若正、反电阻值均相等或接近，则说明该晶闸管已失效，其G、K极间PN结已失去单向导作用。
测量阳极A与门极G之间的正反向电阻，正常时两个阻值均接近几百千欧姆或无穷大，若出现正反电阻阻值不一样大，有类似二极管的单向导通，则是GA极之间反向串联的两个PN结之间有个被击穿。
3.4驻极体话筒
原理图实物图
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。
3.4.1、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。
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三根。
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。
3.4.2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。
图3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。
3.4.3极体话筒极性的判别
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。
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。
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。
驻极体话筒灵敏度检测
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。
将万用表拨至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。
3.5蜂鸣器
电路符号实物图
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，本文介绍如何用单片机驱动蜂鸣器，他广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电话机等电子产品中作发声器件。
蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
3.6光敏电阻
电路符号 实物图
光敏电阻简介
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
（1）光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电流
暗电流：
光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。
此时在给定电压下流过的电流。
亮电流：
光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。
此时流过的电流。
光电流：
亮电流与暗电流之差。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。
也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。
实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。
（2）光敏电阻的光照特性
下图表示CdS光敏电阻的光照特性。
在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。
不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。
一般在自动控制系统中用作光电开关。
图3.6.1光敏电阻的光照特性
（3）光敏电阻的光谱特性
光谱特性与光敏电阻的材料有关。
从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。
因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
图3.6.2光敏电阻的光谱特性
（4） 光敏电阻的伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。
图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。
由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。
在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现 象。
但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流
图3.6.3光敏电阻的伏安特性
3.7电容器
电容器通常简称其为电容，用字母C表示。
定义1：
电容器，顾名思义，是‘装电的容器’，是一种容纳电荷的器件。
英文名称：
capacitor。
电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于电路中的隔直通交，耦合，旁路，滤波，调谐回路，能量转换，控制等方面。
定义2：
电容器，任何两个彼此绝缘且相隔很近的导体（包括导线）间都构成一个电容器。
本次设计主要用刀电解电容和瓷片电容。
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