电工电子技术 课程设计doc.docx

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电工电子技术课程设计doc

电工电子技术课程设计

题目声光双控延迟节电照明灯

班级

学号

姓名

指导

时间

电工电子技术课程设计任务书

姓名班级指导老师

设计课题：

声光双控延迟节点盏明灯

设计任务与要求

查找一个感兴趣的电工电子技术应用电路，要求电子元件超过30~50个或以上，根据应用电路的功能，确定封面上的题目，然后完成以下任务：

1、分析电路由几个部分组成，并用方框图对它进行整体描述；

2、对电路的每个部分分别进行单独说明，画出对应的单元电路，分析电路原理、元件参数、所起的作用、以及与其他部分电路的关系等等；

3、用简单的电路图绘图软件绘出整体电路图，在电路图中加上自己的班级名称、学号、姓名等信息；

4、对整体电路原理进行完整功能描述；

5、列出标准的元件清单；

设计步骤

1、查阅相关资料，开始撰写设计说明书；

2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；

3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；

4、列出标准的元件清单；

5、总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；

6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。

参考文献

[1]周雪.模拟电子技术[M].西安电子科技大学出版社,2004

[2]任为民.电子技术基础课程设计[M].中央广播电视大学出版社,1997

[3]王兆安.电力电子技术[M].机械工业出版社,2000

[4]湘潭电机制造学校.可控硅技术[M].机械工业出版社,1979

[5]谢克明.电工电子技术简明教程[M].高等教育出版社,2003

[6]韩振振.数字电路逻辑设计[M].大连理工大学出版社,2000

[7]王之芳.传感器应用技术[M].西北工业大学出版社,1996

[8]丁镇生.传感器及传感技术应用[M].电子工业出版社,1998

1、总体方案与原理说明.................................1-3

2、光控电路设计...................4

3、半导体器件设计........................................5-6

4、声控电路设计........................................7-8

5、cmos数字集成电路设计...........................9-10

6、延迟电路设计…..……...........................................…..11

7、总体电路原理相关说明.................................12-14

8、总体电路原理图.....................................15

9、元件清单；.........................................16

10、参考文献.....................................................17

11、设计心得体会......................................18

1、总体方案与原理说明

为了加强我们对模拟电子技术，数字电子技术，电子工艺的理解和巩固，我花了一周的时间进行此次电工设计，而我设计的课题是声光控制照明灯的设计，我设计了一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便、使用寿命长的声光双控白炽灯节能照明灯。

在本设计中介绍了多种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显，同时也大大减少了维修量、节约了资金，使用效果良好。

白天光照好，不管过路者发出多大声音，都不会是灯泡发亮。

夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有碎发声响，就会自动亮为行人照明，过数十秒后又自动熄灭，节能节电。

关键词：

电路放大光敏电阻可控开关延迟电路话筒放大

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；广泛应用于走廊、楼道招待所等公共场所，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。

该电路在设计时应用了仿真软件，来进行仿真然后才确定下来的，虽然用的仅仅是EWB软件，但是在论文中也是比较有特色。

能够使人们在不知不觉中感受方便。

用声光控延时开关代替住宅小区的楼道上的开关，只有在天黑以后，当有人走过楼梯通道，发出脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。

在白天，即使有声音，楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。

声光控延时开关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，适合于各种楼房走廊的照明设备。

降低能耗、节约能源、注重环保是当今世界的主潮流，高能耗且会加剧温室效应的白炽灯越来越不受欢迎。

继公布“欧盟后年封杀白炽灯”的时间表后，世界各地陆续抛弃白炽灯已成定局，环保型节能荧光灯是白炽灯的替代者。

节能荧光灯VS白炽灯，胜券在握已无悬念，但楼道照明却限制了荧光灯的使用，因为楼道照明是非持续性的，有人经过才需要光亮，而不断的开关通断会影响荧光灯的使用寿命，所以声光控白炽灯在楼道照明领域得到广泛应用。

课题分析

它主要由9部分组成：

整流、稳压二极管；话筒；光敏电阻，可控硅开关等。

能够通过调节电阻和电容的大小来改变灯亮的时间长短，如果时间过长就应该减小电阻或电容的值，反之则增大。

光敏电阻和话筒的高度也会使灯的时间受到影响。

声光控节电开关,在白天或光线较亮时,节电开关呈关闭状态,灯不亮；夜间或光线较暗时，节电开关呈预备工作状态，当有人经过该开关附近时，脚步声、说话声、拍手声等都能开启节电开关。

灯亮后经过40秒左右的延时节电开关自动关闭，灯灭。

该开关适用于楼道、走廊、洗涮间、厕所等公共场合，能节电并延长灯泡使用寿命。

给人们的生活带来了很多的方便，受到了广泛的应用。

本电路是采用分分离元件的声控延时电路，其电路原理图如下图所示（电路图见方案三），原理图说明：

220V的灯充电直接整流。

在输入端串联25W灯泡，输出端接可控硅（负载）供电电路稳压电路，稳压电路是给话筒放大，音频放大等提供8.2V直流电，话筒放大，可以把声音信号转换为电信号并放大，然后，经过音频放大器使信号达到足够大；检波音频信号的正半周，即：

把音频信号转换为直流信号。

经过延时电路以后送到控制电路，由控制电路去控制可控硅，若可控硅断开，则整流电路负载断开，若导通，则整流电路负载导通。

光敏控制电路把光照变成电信号，从而去控制音频信号往后边输送情况。

可见：

本电路灯泡要受可控硅的控制，可控硅受话筒取得的音频信号和光敏电阻的控制，从而可以实现声控和光控；灯亮的时间由延时电路的时间长度决定。

设计方案

从实验的主要内容与要求中可以看出该电路可以用以下方案：

使用了数字集成电路cd4011，其内部含有4个独立的与非门vd1～vd4，使电路结构简单，工作可靠性高。

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vd1～vd4，使电路结构简单，工作可靠性高。

顾名思义，声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启"，若干分钟后延时开关“自动关闭"。

因此，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。

明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元，由此可画出如下所示的方框图。

图1

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脚控制其进入到与非门（VD2）对该信号进行一定的整形使其满足一定的要求，在到达延迟电路部分达到节电的作用，进过延迟是之后波形信号要进过由vd3和vd4构成两级整形电路，经过整形之后产生的电能将是开关接通使灯泡发亮。

其中r4、r7是vt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，即为高电平间t=2πr8c3，改变r8或c3的值，可改变延时时间，满足不同目的。

vd3和vd4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vd3、vd4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vd3、vd4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将交流220v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等供电。

当无声控信号输入MIC驻极话筒时，IC的①脚无输入信号电压，则IC的（12）脚无电压输出，BG管截止，继电器J不动作，其常开触点J1断开灯泡ZD的供电电源；当有声波信号送入MIC时，驻极话筒便将声波信号转换成电信号，经电容C1耦合给声控集成电路IC的①脚，在IC的（12）脚得到经IC内部二级放大输出电压，使BG管导通，继电器J吸合，其上的常开触点闭合，接通灯泡ZD供电电源，灯泡点亮。

与此同时，IC的④、⑤脚接的电容C3，能使⑤脚在收到信号后约50秒左右输出一个正脉冲，并送入IC的（13）脚，进行反相、放大与整形后，又从IC的（12）脚低电平，使BG截止，继电器J释放，常开触点J1断开灯泡的电源，灯泡熄灭。

也就是说，拍一下手掌或吹一声口哨，继电器J立即吸合、灯亮；约经50秒，J释放，灯灭。

ic选用cmos数字集成电路cd4011，其里面含有四个独立的与非门电路。

内部结构见图5，vss是电源的负极，vdd是电源的正极。

可控硅t选用1a／400v的进口单向可控硅100-6型，如负载电流大可选用3a、6a、10a等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图6所示，它的测量方法是：

用r×1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极，这时表针无读数，然后用黑表笔触一下控制极k，这时表针有读数，黑表笔马上离开控制极k这时表针仍有读数（注意触控制极时正负表笔是始终连接说明该可控硅是完好的。

驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：

用r×100档将红表笔接外壳的s、黑表笔接d，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高；光敏电阻选用的是625a型，有光照射时电阻为20k以下，无光时电阻值大于100mq，说明该元件是完好的。

二极管采用普通的整流二极管1n4001～1n4007。

总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。

其它元件按图1所示的标注即可。

2、光控电路设计

当夜晚来临，光线变暗，照射在RG上的光通量减弱，RG的内阻变得越来越大，控制器DM内部电路亦逐渐开通，从而有电流通过照明灯H而使其发光。

该电路系软启动方式，即照明灯H的灯丝由红逐渐过渡到白炽状态，并且在红丝时不易产生闪烁现象。

在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻如图所示。

为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。

构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。

当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变校光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。

当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。

入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

结合图1看图8。

白天，光敏电阻器RL呈现低电阻，与非门D2的4脚为低电平，则输出高电平，VD1截止，所以电路封锁了声音通道，使声音脉冲不能通过，此时总控制门D3不通，晶闸管SCR截止，所以电灯EL不能点亮。

夜间RL呈现高电阻，使与非门D2的4输入端为逻辑高电平“1”，这就为声音通道的考通创造了条件。

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

3、半导体器件设计

可控硅的原理：

可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。

可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。

它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。

（如下图所示）。

晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的

控制电路。

从晶闸管的内部分析工作过程：

晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结图3.1，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管图3.2。

当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。

图3.2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。

因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。

设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,

晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：

Ia=Ic1+Ic2+Ic0或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0

若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig

从而可以得出晶闸管阳极电流为：

I=（Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））（1—1）

硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化。

当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0,（a1+a2）很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0晶闸关处于正向阻断状态。

当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。

这样强烈的正反馈过程迅速进行。

当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。

晶闸管已处于正向导通状态。

式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。

晶闸管在导通后，门极已失去作用。

在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。

4、声控电路设计

如下面电路图所示当在夜晚时，光控电路已为声音通道开通创造了条件。

如果此时楼梯有人走动或者有人谈话，话筒BM拾取了声音信号经与非门D1放大输出，经C2耦合加到R3的两端，即与非门D2的5号输入端。

当音频信号的正半周期峰值电平超过与非门的输入阈值电平时，与非门D2因两个输入端均为逻辑”0”,则输出端为逻辑“1”，此高电平经过R7加至晶闸管SCR的门极，使SCR触发开通，接通由整流桥组成的电源电路，此时电灯EL即可点亮。

声音传感器采用灵敏度较高的驻极体电容传声器BM，输出阻抗2kΩ，R1为BM内部场效应管外接负载电阻器，注意BM两个焊点中与金属屏蔽壳相连的焊点为负极接地端。

射随驱动电路采用基极无偏置电压电路，当VT2基极输入电压达到一定值时，射极电阻器R5上有电压输出，VD1为VT2基极反向电荷提供通路。

只有当：

R5信

号电压上升，引脚1处于高电平状态，环境光线较暗，RG光敏电阻值较大（不小于5kΩ）时，输入端引脚2处于高电平状态，才能满足与门电路输出端引脚3上升到高电平状态的条件，通过限流电阻器R6触发单向晶闸管VS导通，其负载小电珠EL点亮。

电源GB通过开关二极管VD2降去0.7v后接集成电路VCC引脚。

通过2输入端与门电路实验，了解与门电路的作用。

首先，输入端信号电平达到开门电平时，输出端电压开始跃升，输入端信号电平升到一定程度，输出电压（4．5V）几乎不再变化，可以视为波形顶部的起伏变化被削顶；而输入端信号低于关门电平时，与门“关闭”，输出端电压几乎为零（O.15V），因此输出端信号为脉冲波形，这就是与门的整形作用。

其次，声音信号能否通过与门控制单向晶闸管导通，需要看另一个输入端一控制端电平的高低，环境光线较暗时，控制端处于高电平状态，用声音可以控制灯亮，这就是与门的选通作用；当环境光线较强时，控制端处于低电平状态，声控不起作用，这就是与门的禁止作用。

最后，与门的逻辑功能发挥作用，完成白天声控不起作用，黑夜用声音信号控制灯亮的功能。

当电子元件的伏安特性符合欧姆定律U=R.I时，我们称之为线性元件，而不符合欧姆定律的，称为非线性元件。

一般常见的线性电子元件主要有电阻器、电容器和电感器。

这些元件，都存在固定的电阻或电抗，它们的静态电阻与动态电阻不变且等同。

常见非线性元件有：

晶体二极管、三极管、场效应管、辉光放电管、电子管、晶闸管等。

这些元器件自身不存在固有电阻和电抗，却有固定的工作（击穿）电压。

它们的静态电阻与动态电阻都随其两端所加电压不同而变化，可以从无限大到零，甚至出现负阻现象。

在非线性电路中，为防止电流剧增时元器件被击穿，要接人限流电阻。

此电阻只有限流作用，它的接人不会改变非线性元件的固有工作电压，例如：

发光二极管、稳压二极管电路中所串的限流电阻即是。

电阻器具有调压和限流作用，但调压和限流不可混为一谈，这与工作于线性还是非线性电路有关。

举两例说明：

一是低压氖管电笔的工作（击穿、辉光）电压，一般约为80V，用它检测交流市电火线必须在电笔串入1～2MΩ电阻。

二是一只额定电压为80V的灯泡，欲使其在220V电压下工作，亦为其串人相应电阻，降去140V电压。

这两种电路结构完全相同，然而电阻的作用不一样。

前者与电阻串的是非线性元件氖管，故电阻器只有限流作用。

它的大小均不能改变氖管固有的80V工作（击穿、辉光）电压，而后者是线性元件灯泡，故所串电阻不仅可减小灯泡中的电流也可改变其电压，故常称其为降压电阻。

另外，我们使用的日光灯镇流器也叫限流器，而从不叫降压器，其原因也是因日光灯乃非线性器件也。

5、cmos数字集成电路

ic选用cmos数字集成电路cd4011，其里面含有四个独立的与非门电路。

内部结构见图6，vss是电源的负极，vdd是电源的正极。

可控硅t选用1a／400v的进口单向可控硅100-6型，如负载电流大可选用3a、6a、10a等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图7示，它的测量方法是：

用r×1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极（如印制板图所示），这时表针无读数，然后用黑表笔触一下控制极k，这时表针有读数，黑表笔马上离开控制极k这时表针仍有读数（注意触控制极时正负表笔是始终连接说明该可控硅是完好的。

驻极体选用

的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：

用r×100档将红表笔接外壳的s、黑表笔接d，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完

好，摆动越大灵敏度越高；光敏电阻选用的是625a型，有光照射时电阻为20k以下，无光时电阻值大于100mq，说明该元件是完好的。

二极管采用普通的整流二极管1n4001～1n4007。

本电路由一只CD4011输人与非门集成电路组成，用其中D3、D4组成一个单端触发的双稳态触发器，用来控制电灯的开与关。

用D1组成一个反相器，作为触摸控制器。

由电阻器R3、R4将D1的输人端偏置于高电平。

平时，D1的输人端因有电阻R4的作用，其为高电平，输出端为低电平，二极管VD1不导通，双稳态触发器处于一种稳定状态。

假定这时的稳定状态为D3输出高电平，D4输出低电平。

则双向晶闸管VTH未能受到触发而呈关断状态，电灯不亮。

当夜晚来临时，由于光照变弱使RL的电阻值增大，由D2与RS组成的线性放大器正常工作。

当人们用击掌声作为触发信号时，由B将掌声转变为电脉冲，经过VT一级放大后，再经C2藕合至D2作进一步放大，最后通过C3加至双稳态触发器的触发端，通过C4、C5将其触发翻转。

如果电灯原来处于关闭状态，这时就会被打开。

元器件选择IC（D1一D4）选用CD40114一2输人与非门数字集成电路，也可用CC4011、TC4011或MC14011等同类数字集成电路直接代换。

VDl选用1N4148型普通硅开关二极管；VD2选用IN4004型普通硅整流二极管；VD3选用IN4007型普通硅整流二极管；VS选用6V、0.5W硅稳压二极管，如1N5233型、2CW21C型等；VTH选用普通小型塑料封装双向晶闸管，如MAC94A4型或MAC97A6型等。

6、延迟电路设计

白天：

光敏管DG在光线照射下，反向电阻变小，IC1D反相器11脚输出高电平经D1使IC1D与非门3脚输出低电平，单向可控硅SCR截止，灯泡LAMP保持不亮。

夜间：

光敏管DG反向电阻变大，IC1D反相器11脚输出低电平，这是D1起到了隔离作用。

当话筒MIC接收到脚步等声音时，经C2到IC1C放大，输出的脉冲信号经C4使IC1A的1脚得到低电平，IC1D与非门3脚输出高电平，单向可控硅SCR导通，灯泡LAMP点亮；同时C5开始充电，使IC1B反相器4脚输出低电平，IC1A与非门3脚保持输出低电平，单向可控硅SCR保持导通，灯泡LAMP保持点亮。

当C5充电完毕，IC1B反相器输出变为高电平，IC1A与非门3脚输出低电平，单向可控硅SCR截止，灯泡LAMP熄灭。

当话筒MIC再次接收到脚步等声音时灯泡点亮延时熄灭（15秒左右），依次循环。

C5充电时间（即灯泡延时时间）由C5、R3的数值决定。

R5增大