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开放实验指导书
《声控与触摸灯控制电路设计制作》
开放实验指导书
高玄怡编写
信息与电子学院
二零一六年一月
实验项目：
声控与触摸灯控制电路设计与制作
一、实验目的
1.学习电子元器件的识别方法
2.掌握面包板制作电路的方法
3.培养学生的电子线路读图能力及画电路图的方法
4.培养学生电路连接的动手能力
5.掌握基本电子仪器：
万用表、信号源、示波器的使用方法
6.掌握电路制作中电子线路故障排查能力
二、实验原理
1.学习电路常用元器件的性能参数和特性
1.1电阻
1）电阻的分类：
电阻按材料分一般有：
碳膜电阻、金属膜电阻、水泥电阻、线饶电阻等。
一般的机电产品中的测控电路使用碳膜电阻较多，因为它成本低廉，满足测控的精度要求。
金属膜电阻精度高，使用在要求较高的放大器电路，测试仪器电路，测控系统设备上。
水泥电阻是能够承受比较大功率的，常用在较大的电器产品中。
线饶电阻的精度比较高，常用在要求很高的测量仪器上实现调节电压。
2）电阻值的表示：
电阻的阻值和误差用色环表示。
在电阻上有三道或者四道色环。
电阻端的是第一道色环，其余顺次是二、三、四道色环，如图1.1所示。
第一道色环表示阻值的最大一位数字，第二道色环表示第二位数字，第三道色环表示阻值位应该有几个零。
第四道色环表示阻值的误差。
可这样记忆：
棕1，红2，橙3，黄4，绿5，蓝6，紫7，灰8，白9，黑0。
电阻值最小0.01欧姆，电阻值的最大是1000000000欧姆，电阻分档根据使用要求选择不同的电阻值。
电阻值的误差是10%，5%，1%，0.5%，0.1%，0.5%，0.01%。
图1.1电阻色环表示图
3）光敏电阻器
光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值，随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
还有另一种入射光弱，电阻减小，入射光强，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（将光的变化转换为电的变化）。
常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
型号是2DU,3DU.光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。
设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。
通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。
当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内光敏电阻外形图和电路符号,如图1.2所示。
就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。
为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极常采用梳状图案，它是在一定的掩膜下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成。
图1.2光敏电阻外形图图1.3光敏电阻结构图
光敏电阻结构图如图1.3所示，光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它的阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。
亮阻小于5K，暗阻大于5M。
1.2电容
1）电解电容：
多数在1μF以上,直接用数字表示。
如：
4.7μF、100μF、220μF等。
这种电容的两极有正负之分,长脚为正极，短脚为负极。
2）瓷片电容：
电容多数在1μF以下,直接用数字表示。
如：
10、22、0.047μF、0.1μF等等,这里要注意的是单位。
凡用整数表示的,单位默认pF;凡用小数表示的,单位默认μF。
如以上例子中,分别是10P、22P、0.047μF、0.1μF等。
现在国际上流行另一种类似色环电阻的表示方法（单位默认pF）：
如：
“473”即47000pF=0.047μF“103”即10000pF=0.01μF等等“XXX”第一、二个数字是有效数字,第三个数字代表后面添加0的个数。
1.3二极管
1）结构和符号：
二极管具有两个电极，在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的传导性。
如图1.4所示。
图1.4二极管结构图
2）理想二极管的等效电路：
（1）对二极管加的正向电压稍大于零，二极管处于正向导通状态，相当于开关闭合。
（2）对二极管加反向电压时，二极管处于反向截止状态，相当于开关断开。
1.4稳压二极管
1）稳压管符号：
稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。
其表示符号为图1.5所示，稳压管的工作特性如图1.6所示。
图1.5稳压管符号图图1.6稳压管工作特性图
2）稳压管的特性：
稳压管工作于反向击穿区。
当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。
此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。
利用这一特性，稳压管在电路中能起到稳压的作用。
1.5可控硅
1）可控硅结构图1.8和符号图1.7所示，它是N-P-N-P-N五层三端半导体器件，也有三个电极，但它没有阴、阳极之分，而统称为主电极T1和T2，另一个电极G也称控制门极。
图1.7可控硅符号图图1.8可控硅结构图
2）管脚判别：
G与T1之间正反向电阻都很小，因此在用万用表的R×1挡测量晶闸管任意两引出脚间的电阻值时，正常时有一组为几十欧，另两组为无穷大，阻值为几十欧时表笔所接触的两管脚为T1和G，剩余的引出脚是T2。
判别出T2后，可以进一步区分T1和G。
假定T1和G两电极中的任意一脚为T1,用黒表笔接T1，红表笔接T2，将T2与假定的G瞬间短路，如果万用表的读数由无穷大变为几十欧，说明晶闸管能被触发并维持导通。
调换两表笔重复上面操作，结果相同时，说明假设正确。
如果调换表笔操作时，万用表指示为几十欧又指示为无穷大，说明晶闸管没有维持导通，说明原来的假定是错误的，原假定的T1极实际是G极，假定的G极实际上是T1极。
3）工作特点:
它的主电极T1和T2无论加正向电压还是反向电压，其门极G的触发信号无论是正向还是反向，它都能被“触发”导通，实现导通。
a）u2为正半周时，晶闸管VT承受正向电压，此时没有加触发电压，则晶闸管处于正向阻断状态，负载电压uL=0；如图1.8所示。
图1.8工作输出特性图
b）当ωt=0时，门极加有触发电压ug，晶闸管具备了导通条件，由于晶闸管正向压降很小，电源电压几乎全部加到负载上，uL≈u2；
c）在0＜ωt＜∏期间，尽管ug在晶闸管导通后即已消失，但是晶闸管仍然保持导通，因此，在这期间，负载电压uL依然和次级电压u2保持基本相等；
d）当ωt=∏时，u2=0，晶闸管自行关断，uL=0。
e）当∏＜ωt＜2∏时，u2进入负半周后，晶闸管承受反压，呈反向阻断状态，负载电压uL=0。
在u2的第二个周期里，电路将重复第一周期的变化。
如此不断重复，负载RL上就得到单向脉动电压。
改变触发延迟角的大小，即改变触发脉冲在每周期内触发的时刻，负载电压的波形不同。
1.6三极管
全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管、晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件·其作用是把微弱信号放大成辐值较大的电信号，具有电流放大作用，也用作无触点开关，是电子电路的核心元件。
从左倒右依次是E、B、C
三极管符号
1）三极管工作原理：
晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。
2）电流放大原理：
下面的分析仅对于NPN型硅三极管.我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib;把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic.这两个电流的方向都是流出发射极的,所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向.三极管的放大作用就是：
集电极电流受基极电流的控制（假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话）,并且基极电流很小的变化,会引起集电极电流很大的变化,且变化满足一定的比例关系：
集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍,即电流变化被放大了β倍,所以我们把β叫做三极管的放大倍数（β一般远大于1,例如几十,几百）.如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间,这就会引起基极电流Ib的变化,Ib的变化被放大后,导致了Ic很大的变化.如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的,那么根据电压计算公式U=R*I可以算得,这电阻上电压就会发生很大的变化.我们将这个电阻上的电压取出来,就得到了放大后的电压信号了。
晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。
这是三极管最基本的和最重要的特性。
我们将ΔIc/ΔIb的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“β”表示。
电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。
1.7集成芯片性能特点和应用方法
1）555集成芯片
（1）各引脚的功能如图1.9所示。
图1.9555集成芯片各引脚的功能图
（2）555集成芯片定时器的电路原理结构
如图1.10所示。
图1.10555集成芯片定时器的电路原理结构
2）驻极体话筒
驻极体话筒是一个电容式传感器，有一只引脚和外壳连接的那个是负极，另一个是正极，通过与接口电路实现声波信号的测试。
如图1.11所示。
图1.11驻极体电容式传感器
二．电路设计制作
1．用555芯片实现触摸开关电路设计制作。
（1）根据电路图2.1所示，选择器件制作。
图2.1触摸开和关的电路原理图
（2）工作原理是：
触摸A一次灯亮，再触摸B一次灯灭。
当人手碰一下金属触片A，人体上的杂波信号便通过C3加到时基电路的②脚，②脚被触发，整个触发器翻转，③脚输出高电平，输出经限流电阻R加到可控硅控制极，可控硅VS导通，ZD灯被点亮。
需要关灯时，用手碰一下金属片B，感应信号经C4加到时基电路的⑥脚，⑥脚被触发，③脚输出低电平，可控硅失去触发电流而截止，电灯熄灭。
2．采用芯片TT6061A实现四档灯泡的亮度控制电路设计制作
1）根据图2.2电路原理图选择器件，设计制作电路
图2.2四档控制灯泡的亮度电路原理图
3）电路工作原理
用专用芯片TT6061A完成四档控制灯泡的亮度：
通电后台灯不亮，
当人手触摸金属片时（IC第4脚为触摸端，金属片可以与台灯外部金属外壳连接），人体感应的杂波信号经过C加至到IC的第4脚（TI），该芯片经过内部处理后，从第8脚（AT）输出控制信号，使双向可控硅导通，灯泡点亮。
第一次导通角度小，灯泡发光亮度较弱；
第二次用手触摸金属片时，IC8脚输出相应的控制信号，从而使可控硅的导通角度增大，灯泡亮度增强；
第三次用手触摸金属片时，IC8脚输出相应的控制信号使可控硅的导通角度为最大，灯泡为最亮；
当人手第四次触摸时，IC8脚的控制信号消失，可控硅在交流电过零位时截止，灯泡熄灭。
第五次用手触摸时，IC的8脚又输出触发控制信号，可控硅又导通，灯泡发出较弱光……连续触摸，灯光会按照上述过程循环变换。
管脚
说明
1.CK
振荡电路端口，适当改变电阻大小，可改变灯的输出亮度
2.FI
交流信号同步输入端（采用AC频率）
3.VDD
电源正端，供IC使用
4.TI
手触摸控制端。
触摸一次可以改变灯的输出角度
5.SI
触摸灵敏度控制端。
适当改变R3、C3大小可改变灵敏度
6.NC
空脚，不需要接元件
7.VSS
电源负端
8.AT
信号输出端，驱动可控硅。
根据负载大小，可选用MAC97A6
（1A）
3.声光控智能开关电路设计制作
图2.3声光控智能开关灯电路
1）根据电路原理图选择电路器件设计制作，如图2.3所示。
2）声光控智能开关灯电路工作原理:
天亮时，光敏二极管VP受到光线的影响，阻值变小，（亮阻小于5K，暗阻大于5M。
）V与RP2分压值较低，555的4脚电压很低，芯片被强制复位即3脚输出低电平，此时即使柱体扬声器BM接收到声音，555的3脚输出仍是低电平，即控制双向晶闸管VR无触发信号，呈截止关断状态，灯泡EL不亮
天黑时，光敏二极管VP不受光照影响，因此阻值增大。
与RP2分压后电压增大，使555芯片4脚电压升高，强制复位消除，当有声响时，柱体扬声器BM将声音信号转换成电信号，并加在三极管VT的基极，VT放大的信号加在555的2脚，使555芯片的3脚输出由低电平转为高电平，双向晶闸管VR被触发导通，灯泡EL点亮。
声音消失后，整个电路仍处于暂稳态，当电容C3上的电压充至555的6脚的阈值电压时，电容C3通过7脚放电，整个电路又回到初始状态。
555的暂态工作时间长短决定了灯泡的延时长短，可由1.1RP1C3进行估算，调整电位器RP1可改变灯泡的延时时间。
功能：
是一种节能方便的开关，天黑时，用于人到灯亮，人走灯灭的一切场合。
4.PCB板设计与制作
根据以上设计的测控电路图，自选设计制作PCB板，并焊接完成成品制作。
三．实验基本要求
1.掌握实验中应用到的电阻、电容、555芯片、TT6061芯片、整流二极管、稳压二极管、三极管、可控硅、光敏电阻、柱体扬声器等元器件的结构，识别及用法。
2.掌握二极管的单向导电性，电容的滤波，稳压二极管的稳压作用。
3.掌握555芯片的工作原理和测控电路的实现方法。
4.掌握可控硅的工作原理和应用方法。
5.了解光敏电阻和柱体扬声器的用法，
6.了解三极管实现放大功能的原理。
四．实验仪器和材料
1.仪器：
万用表VC9802A，示波器DS1052E，稳压电源，函数发生器，整流实验箱提供交流12V电压。
2.材料：
电阻、电容、555芯片、TT6061芯片、整流二极管、稳压二极管、三极管、可控硅、光敏电阻、柱体扬声器，灯泡、导线等。
五．实验学时数与实验内容
1.按照电路图3.1由555芯片组成的电路选择器件进行设计制作调试，实现触摸A金属片灯泡亮，触摸B金属片灯泡暗的功能。
（6学时）
2.按照电路图3.2由TT6061芯片组成的电路选择器件进行设计制作调试，实现触摸4次金属片灯泡亮暗程度不同，亮，稍亮，微亮，熄灭四个状态的功能。
（10学时）
3.按照电路图3.3由555芯片组成的电路选择器件进行设计制作调试，模拟实现白天无论是否有声音灯泡都不亮，模拟晚上时由声音控制灯泡的亮暗，并可调节延长时间。
实现声控功能。
（10学时）
4.设计内容1,2和3的PCB电路图，并焊接调试完成电路板制作实现各功能。
（6学时）
六．实验步骤
1.按照电路图2.1由555芯片连接电路，首先调试整流、滤波、稳压电路部分，实现6.2V直流电压的输出，实现触摸A金属片灯泡亮，触摸B金属片灯泡暗的功能。
测量2种状态下555芯片3管脚的电压值，记录在表格中
灯泡亮
灯泡暗
输出端电压值
2.按照电路图2.2由TT6061芯片连接电路，实现触摸4次金属片灯泡亮暗程度不同，亮，稍亮，微亮，熄灭四个状态的功能。
记录四种状态下芯片各个管脚的电压值，
电压值
1
2
3
4
5
6
7
8
亮
稍亮
微亮
熄灭
并用示波器观察记录4种状态下可控硅的波形，拍照下来。
分析对应灯泡亮度的原理。
3.按照电路图2.3由555芯片连接电路，把光敏电阻遮住，模拟实现白天无论是否有声音灯泡都不亮，晚上时由声音控制灯泡的亮暗，并调节电阻值记录不同阻值时的延长时间。
实现声控功能。
延时时间
（实测值）
Rp1
C3
T（理论值）
4.设计电路图1,2和3的PCB版，并焊接调试完成成品。
七、实验结果与数据处理
1.分析电路的功能是否能够实现，
2．分析实验数据和示波器波形得出结论是否一致
3.根据各个电路原理分析实现的功能，是否可以扩展功能。
八、实验注意事项
1．三极管与可控硅的区别看型号。
不要混淆。
2.稳压二极管输出电压值6.2V要监测，注意外接电路不要短路。
3.示波器观察波形时只能用单通道，否则交直流共地会引起短路。
4.电路制作后，必须认真检查各个器件不能接错，导线不能接错。
5.电路制作测试前，必须接好电源，电源正负不能接错。
九、其他说明
《实验报告》按照学校实设处网上的格式填写并提交上传电子档。
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