课程设计报告_声光控延时开关.doc
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华北科技学院课程设计
声光控延时开关的设计
目录
一、设计作用及目的 2
1．设计作用 2
2．设计目的 3
二、设计具体要求 3
三、声光控延时开关的实现 4
1．系统概述 4
2．各部分工作原理 5
3．电路仿真 9
四、心得体会 15
五、附录：
元器件明细表 16
六、参考文献 17
声光控延时开关的设计
一、设计作用及目的
1、设计作用
公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关，由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象，故使灯泡寿命短，浪费电量，为国家、单位、个人造成经济损失。
另外，由于频繁开关或其他人为因素，墙壁开关的损坏率很高，既增大了维修量、浪费了资金，又容易造成事故隐患。
因此，设计研究一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。
使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮，晚上闻声自亮，待人走后，几十秒后自动关闭，既方便，又省电。
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。
2、设计目的
（1）使学生进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析能力；
（2）培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。
通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法；
（3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件，初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法，提高电子电路的设计和实验能力；
（4）熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础；
（5）了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图。
二、设计具体要求
1.能够通过照明灯开关对光线强弱的感应和通过照明灯开关对声强的感应设置两级开关，控制照明灯的亮灭。
2.能够实现有光线时灭，无光线有声时亮。
3.在灯亮一段时间（1～3min）后自动熄灭；
4.在照明灯点亮期间又有新的声源出现，照明灯重新开启。
5.电源为220v市电，控制对象为30w灯泡；
6.总设计画出电路原理框图；
7.利用仿真软件进行电路仿真，列出原件明细表。
三、声光控延时开关的实现
1．系统概述
系统分为电源电路、控制部分和延迟开关部分，示意图如图1所示：
图1系统示意图
2．各部分工作原理
（1）电源电路：
由D1~D6、R1、C1构成，如图2标注，D1~D4为整流电路，R1为限流电阻、电容C2滤去交流分量并储存一定的电能，为延时提供电压，稳压管D6起限压作用。
图2电源电路
（2）声光控部分：
电路通过光信号和声音信号控制，分别使电路中的三极管处于截止放大或者饱和状态，从而控制部分特殊点的电位达到声光控的目的。
如图3所示为静态工作点示意图，三极管处于放大状态时，Ube处于0.4V~0.7V之间。
图3三极管静态工作点示意图
光控由光敏电阻模拟，声控由压电陶瓷片模拟，电路中光敏电阻用RG1和RG2串联代替，压电陶瓷片由函数信号发生器代替。
如图4所示。
图4模拟声光控
白天在光线的作用下光敏电阻很小，此时即RG2被短路只剩下较小的电阻RG1，如图5所示。
此时T2基极电位变低而处于截止状态，即使函数信号发生器发出信号（模拟有声音信号情况）也不能通过T2向后放大。
同时PNP型管T3也截止，电容C4两端电压很小，可控硅VS处于截止状态，灯不亮。
图5有光照时模拟
晚上，RG1和RG2串联保持高电阻，其上端电位升高，T2进入放大区，可以接收并放大声音信号（信号发生器发出信号模拟）。
在无声音信号时，T3处于截止状态，灯不亮。
有声音信号时，信号发生器发出信号，首先通过T1放大，然后经R5与C3出，使T2的基极电位升高，T2、T3随之导通，正电源就通过T3、D7向电容C4充电，使C4两端电压升高，升至可控硅VS的触发电平时，VS就就由关断态进入导通态，灯亮。
（3）延时关断部分：
延时关断部分主要由R10、C4、C1成，如图6所示。
图6延时部分
电容电荷释放示意图如图7所示。
图7电容电荷释放示意图
灯延迟关断过程：
灯亮时，由D1~D4、组成的开关主回路就有较大的电流通过，VS导通后，VS两端电压跌落，由T1~T3均转为截止态，此时C4储存的电荷将通过R10释放，电容电荷释放示意图如图表13所示。
使C4两端电压逐渐下降，当降至VS门极的触发电平，VS在交流电过零时即关断，电灯X1随之熄灭。
由公式
u（t）=u（∞）+[u（0+）-u（∞）]·e-（t/ζ），
代入u（∞）=0V，u（0+）=13V，u（t）=5V
计算得t=179.6s为延迟关断时间。
若环境再有响声，则电灯再次被点亮，重复上述过程。
3．电路仿真
（1）电源电路仿真
220V交流电通过电灯，经过D1~D4整流后，电容C2滤去交流分量，D6为稳压值24V的稳压二极管，保证后方电路电压不超过24V。
D1~D4为整流电路，整流前后波形如图8所示；
稳压管D6起稳压作用。
稳压波形如图9所示。
稳压电路最终电压24V为后面的声光控电路提供合适的静态工作点，也是延时关断部分进行充放电必不可少的。
图8整流波形
图9稳压波形
（2）声光控部分电路仿真
白天有光照时光敏电阻减小，RG2被短路，如图10所示，T2、T3两管be间电压都很小，两管均截止，仿真如图所示，C4两端电压很小，不能使可控硅VS导通，灯不亮。
图10白天有光仿真
晚上无光照，光敏电阻有较高阻值，其电位升高使T2进入放大区，此时若没有声音信号，T3仍处于截止状态，仿真如图11所示。
C4电压很低，可控硅VS不导通，灯不亮。
图11晚上无声仿真
有声音信号时，信号发生器发出信号，首先通过T1放大，然后经R5与C3输出，使T2的基极电位升高，T2导通，T3饱和导通，导通后仅起降压作用，管压降约为3V，此时电源通过T3、D7向电容C4充电，C4两端电压升高，升至可控硅VS的触发电平时，VS进入导通态，灯亮。
仿真如图12所示。
图12晚上有声仿真
（3）延迟关断部分仿真
灯亮时，由D1~D4、组成的开关主回路就有较大的电流通过，VS导通后，VS两端电压跌落，此时C1、C4储存的电荷将通过R10释放，电容电荷释放示意图如图13所示。
测得波形如图表14所示。
使C4两端电压逐渐下降，当降至VS门极的触发电平，VS在交流电过零时即关断，电灯X1随之熄灭。
可控硅触发电平接近4.3V，由波形图可知，则在灯亮194.12s后，电容两端电压降至触发电平以下，可控硅截止，灯熄灭，与计算值179.6s接近。
图13电容放电延时仿真
四、心得体会
在这三周的电子技术课程设计中，我做的是“声光控制开关”。
这是一种声音和光照双控电路，多用于楼梯、过道、库房的场合。
白天光照时，不管过路者发出多大声音，都不会使灯泡亮。
夜晚光暗，电路的拾音器只要检测到有声响，灯就会自动照明，若再无声响，则过一段时间后灯自动熄灭，节能节电。
电源设计根据其主体电路及执行机构不同，要求可靠、价廉、有效益。
由于此开关在光线较暗时是否接通取决于声音的强弱，因此为加强其工作效应，设计了信号放大整形电路，微弱的信号经过此电路加工也能使开关导通。
本次的声光控制开关的设计实践将我们学到的知识应用到了实践，深化了对数字电路设计和模拟电子设计的认识，使我们在设计的实践中获得新知。
学习了一年的理论知识之后，这次的实践操作，我得到了课本之外的东西，通过自己的独立动手，老师耐心指导下以及同学的探讨，让我学会了分析电路、设计电路的步骤以及计算机辅助作图等。
在此设计中利用到了三极管的放大、光敏效应，让我们进一步巩固和掌握所学的理论基础知识，加深对了对模拟电路、数字电路、理解，对元气件的使用更加深刻。
五、附录
表1元器件明细表
名称
代号
型号或参数
作用
电阻
R1
100kΩ
限流
R2
9.1kΩ
基极偏置
R3
2MΩ
基极偏置
R4
56kΩ
集电极偏置
R5
62kΩ
耦合电阻
R6
91kΩ
耦合电阻
R7
4.7kΩ
基极偏置
R8
36kΩ
基极偏置
R9
10kΩ
集电极偏置
R10
62kΩ
放电延时
RG1
3kΩ
两电阻模拟光敏电阻受光时阻值变化
RG2
20MΩ
三极管
T1
2N914（NPN）
信号放大
T2
2N914（NPN）
信号放大、开关
T3
2N6727（PNP）
开关
电容
C1
220μF
滤波电容（电解电容）
C2
100nF
耦合电容
C3
1μF
耦合电容（电解电容）
C4
100μF
充放电电容（电解电容）
可控硅
VS
MCR22-8
单向可控硅
二极管
D1~D4
1N4007
整流
D5、D7
1N4007
单向导通
D6
1N4967（24V）
稳压管,限压
灯泡
X2
220V，30W
电源
V1
220V，50Hz
六、参考文献
【1】童诗白主编·模拟电子技术基础·高等教育出版社·2006年6月
【2】郭海文主编·电气实验技术·中国矿业大学出版社·2008年12月
【3】刘慰平主编·电子技能实训·北京理工大学出版社·2008年8月
【4】陈有卿编著·电子制作138例·人民邮电出版社·2001年4月
【5】高清主编·Multisim8电子工作平台及应用·高等教育出版社·2010年6月
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