稳压电源和声光控电路设计报告熊汉辉综述.docx
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稳压电源和声光控电路设计报告熊汉辉综述
电工电子综合制作课程设计报告
题目：
稳压电源和声光控电路
二级学院
机电工程学院
年级专业
15动力本
学号
1501250026
学生姓名
熊汉辉
指导教师
晏志勇
教师职称
副教授
报告时间：
2017年1月1日
前言
在学校、机关及厂矿的公共场所和居民居住区的公共楼道里普遍使用的都是机械手动开关。
由于机械手动开关经常被人为拨动，致使用了一段时间后就开始出现各种各样的原因使许多灯泡点亮长明的现象，这样既缩短了灯泡的寿命，又浪费了国家的电量，为国家、单位、个人造成了很多的经济损失。
另外，由于频繁开关或其他的人为因素，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。
所以，应该要改善一下这种现象，设计一种既安全又简单方便的新型墙壁开关，为消除事故隐患做足准备。
本项目研究的是一种利用声、光双重控制功能的无触点开关。
开关控制电路主要由声控部分、光控部分和延时处理部分组成。
白天光控电路对外界光亮程度进行检测，由于光亮程度较强，光敏电阻呈现小电阻为低电平，无论多大的声音干扰也不能开灯，从而实现白天灯泡不亮。
晚上或遇到阴天，光敏电阻感受到较暗的光强度并输出较大的电阻为高电平，遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮，并实现延时，从而实现自动控制。
而且对于声音感知的灵敏度和对光强度感知的灵敏度以及延时时间能够调节，即可以人为的设定延时时间。
这种开关特别适用于住宅楼、办公楼楼道、走廊、仓库、地下室及厕所等公共场所的照明灯的自动控制，是一种集声、光、延时于一体的既节电又方便的自动控制开关。
此外开关还采用两线制工作方式，即开关对外只有两个引脚，所以能直接取代普通机械开关以简化安装。
第一章任务分析
1.1、电子制作目的
1、学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。
2、学会直流稳压电源以及声光控的设计方法和性能指标测试方法。
3、培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。
4、学会焊接的基本方法和技巧。
5、学会电路原理图在实物中焊接过程中走线。
1.2、电子制作要求
（一）稳压电源：
根据相关电路图与工作原理，充分运用变压器、电容等电路元件设计一个低成本直流稳压电源。
设计需要包括整流滤波电路设计、稳压电路设计、稳流电路设计、DC/DC转换器设计、采用低输入/低输出电压差稳定电路解决好稳压电路的功耗问题；解决好输出电压的纹波问题和输出电流的保护问题。
（二）声光控电路：
实现一个由声音和环境亮度共同控制的开关，使其能自动控制电路在白天时断开，黑暗条件下，有声音出现时，可控硅导通，驱动灯泡发光，并开始进入延时状态，一段时间后可控硅自动断开，灯泡熄灭节能环保，可用于楼梯、厕所灯公共场所的自动管理。
1.3、电子制作所用的元器件极其功能
1.LM3177是应用最为广泛的电源集成电路之一，它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式，又具备输出电压可调的特点。
此外，还具有调压范围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。
lm317是可调节3端正电压稳压器，在输出电压范围1.2伏到37伏时能够提供超过1.5安的电流，此稳压器非常易于使用。
2.CD4011是四组2输入与非门，当两输入端有一个输入为0，输出就为1。
当输入端均为1时，输出为0。
3.LM358内部包括两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，色和于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组，音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供的使用运算放大器的场合。
4.555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
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。
5.LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电影院电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流于电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组、音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供的使用运算放大器的场合。
第二章电路原理
2.1.直流稳压电源的工作原理
直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图1。
图1直流稳压电源方框图
其中：
（1）电源变压器：
是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。
（2）整流电路：
利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电
（3）滤波电路：
可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。
（4）稳压电路：
稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。
整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图2所示。
在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。
正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。
电路的输出波形如图3所示。
图2整流电路
在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即。
电路中的每只二极管承受的最大反向电压为
（U2是变压器副边电压有效值）。
在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。
选择电容滤波电路后，直流输出电压：
Uo1=（1.1～1.2）U2，直流输出电流：
（I2是变压器副边电流的有效值。
），稳压电路可选集成三端稳压器电路。
总体原理电路见图4。
2.2、直流稳压电源原理图
2.3、声光控电路的工作原理
声光控延电路，顾名思义，就是用声音来控制开关的“开启"，经过若干秒后延时开关“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，由此可画出如图2-2所示的方框图。
图2-2声光控电路方框图
声光控照明电路原理图如图2-3所示。
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D1～D4，使电路结构简单，工作可靠性高。
图2-3声光控电路原理图
声音信号被驻极体话筒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，R4、R7是VT的偏置电阻，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，即为高电平期间t=2πR8C3，改变R8或C3的值，可改变延时时间，满足不同目的。
D3和D4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D3、D4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D3、D4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220V交流进行桥式整流，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芯片等供电。
2.4、声光控各部电路及原理分析：
1、用LM358接成的声控放大电路原理图：
图3-1声控放大电路
2、用LM358接成电压跟随器，管控电路原理图：
图3-2光控电路
3、将NE555的6脚和2脚相连作为信号输入端即可构成施密特触发器。
施密特触发器可对输入波形进行变换和整形，最重要的特点是能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲，它的电压传输特性是一条具有滞回特性的曲线，即触发器输出由低电平变为高电平和高电平变为低电平所对应的阈值电压是不同的。
其内部电路和波形如下图所示：
4、用74122为可重复单稳态触发器，根据其输入脉冲宽度
实现延时5s。
5、总的电路的设计是将声控放大电路、管控电路、555构成的施密特触发器和74122构成的单稳态触发器组合起来，这样即可以实现声控、光控、波形整形和延时的功能。
第三章工具、材料清单及元器件说明
3.1.电子制作工具介绍（万用表检测元器件、电铬铁、锡等）
（1）、电烙铁的选择与检测
1、电烙铁
外热式电烙铁
内热式电烙铁
2、电烙铁功率的选用
电烙铁的功率应视焊点的面积大小而定。
焊点大时散热速度也快,因此选用的电烙铁功率也应该大些。
焊接印刷线路板、无线电元器件一般采用25～45W的小型电烙铁,使用大烙铁容易损坏元器件。
应根据所焊接的元器件特点来选择烙铁头的形状。
电烙铁的正确使用与维护
电烙铁是焊接电路的主要工具,正确使用电烙铁是焊接技术的关键。
在使用电烙铁时要注意下面几点:
1）新烙铁使用之前,先用锉刀将其表面镀层去净并露出铜头,然后将烙铁通电,等烙铁头部微热时插入松香,在烙铁头上均匀地“吃上”焊锡。
2）使用烙铁时应严禁摔碰,以免电热丝受振动而断开,损坏电烙铁。
3）不要将烙铁头在金属上刻划或用力去除粗硬导线的绝缘套,以免使烙铁头出现损伤或缺口,减少其使用寿命。
4）经常用测电笔检查烙铁是否漏电,电源线的绝缘层是否完好,防止发生触电事故。
5）焊接一些特殊元件时,必须按要求接地线。
6）电烙铁经过长时间使用后,烙铁头部会生成一层氧化物,不容易吃锡。
如果烙铁口呈灰白色,可以用钢丝刷去。
如果烙铁口呈棕黄色,可用锉刀锉掉氧化层,按照处理新烙铁头的方法涂上焊锡即可继续使用。
当烙铁头严重磨损时,将影响焊接质量，此时必须更换新的烙铁头。
7）电烙铁不用时,宜放在烙铁架上。
（2）、万用表检测元器件
1、电容器简易测试
一般利用万用表的欧姆挡可以简单地测量出电解电容器质量的优劣，粗略地辨别其漏电、容量衰减或失效等情况。
具体方法为：
万用表选用R×1K或R×100K挡，将黑表笔接电容器的正极，红表笔接电容器的负极，若表针摆动大，且返回慢，返回位置接近∞，说明该电容器正常，且电容量大;若表针摆动虽大，但返回时，表针显示的欧姆值较小，说明该电容漏电流较大;若表针摆动很大，接近于0Ω，且不返回，说明该电容器已击穿;若表针不摆动，则说明该电容器已开路，失效。
2、二极管的检测
（1）采用指针万用表,选挡:
R×1kΩ。
检测方法:
将万用表的两只表笔分别去接触二极管的两个电极,测得两次阻值。
若该二极管质量良好,则一次万用表测的阻值在10kΩ左右,另一次为无穷大,否则二极管损坏。
阻值为10kΩ左右时,万用表黑表笔接的是二极管的正极。
（2）采用数字万用表,选择挡（数字表中此挡通常与蜂鸣器共用一个挡位）。
3、三极管的检测
（1）用指针式万用表的R×1kΩ挡检查三极管的好坏。
用R×1kΩ挡检查三极管时,共测量三只引脚的六次电阻值。
其中只有两次阻值大约在10kΩ左右,此情况只可能是将一只表笔固定在（比如黑表笔）三极管的某个电极（引脚）上不动,另一只表笔分别去接其它两个电极（引脚）的测量结果;其余四次测量阻值均为无穷大。
若符合上述结论,则三极管是好的,否则三极管损坏。
固定不动的表笔接的肯定是三极管的B级。
若固定的为黑表笔,则三极管为NPN型,反之为PNP型。
（2）用万用表判别晶体管的发射极和集电极。
用指针式万用表的R×10kΩ挡识别大多数三极管的E级和C级,并粗略检查其耐压值,下面以NPN型三极管为例介绍其检测方法。
B级找到后,用R×10kΩ挡去测量其它两只。
3.2、元器件清单：
序号
元器件名称
元器件标识
规格
数量
备注
1
电阻
R21、R22、R23、R24、R25、R26、
10K
7
2
电阻
R19
1K
1
3
电阻
R33
100K
1
4
电位器
R31
20K
1
5
电容
C12、C11
104
2
无极性电容
6
电容
C13、C15
10uF
2
电解电容
7
二极管
D7、D8
1N4001
2
8
发光二极管
LED2
红色
1
LED
9
三极管
Q4
S8050
1
NPN型
10
与非门
U4A、U4B、U4C、U4D、
CD4011
1
集成电路
11
驻极体
MR1
1
12
光敏电阻
BG1
1
13
点动开关
K2
1
14
稳压电源
1
3.3、元器件说明（主要介绍电阻、电容）
1、电阻的读法
色环电阻分4环电阻和5环电阻
2、电容：
1、电解电容
符号：
贴片电容“C、TC、CT、BC、EC、CE”
有极性电容：
引脚＂长＂的是正极，引脚＂短＂是负极．电容上有色带对的脚为负极．
2、无极性电容：
3、电容的特性：
通高频，阻低频；通交流，阻直流 （参照容抗）
4、电容的作用：
滤波、耦合、储能
1、滤波电容：
并接在电路正负极之间，利用电容通交隔直的特性，将电路中的交流电流滤除。
有极性的电容通常是负极接地。
2、耦合电容：
连接于信号源和信号处理电路或两极放大器之间，用以隔断直流电，让交流或脉动信号通过，使相邻的放大器直流工作点互不景响。
3、退耦电容：
并接于电路正负极之间，可防止电路通过电源形成的正反馈通路而引起的寄生振荡。
4、旁路电容：
并接在电阻两端，为交直流信号中的交流设置一条能路，避免交流成分在通过电阻时产生压降。
5、自举升压电容：
利用礤储能来提升电路某点的电位，使其电位值高于为该点供电的电源电压。
6、稳频电容：
在振荡电路中用来稳定振荡频率。
7、定时电容：
在RC定时电路中与电阻R串联共同决定时间长短。
8、软启动电容：
通常接在电源开关管的基极，防止开机时加在开关管基极的浪涌电流或电压太大而损坏的开关管。
第四章结语
4.1.电路安装
电路在安装时要预先做好排版，设计好元件之间的连线的走线，尽量做到不跳线。
LM317和CD4011两个芯片在安装时原理图和实物图的不同在走线时要灵活。
4.2.故障分析
1）若稳压电源输出电压可调范围在12V~15V可能是LM317芯片烧坏了，用万用表检测档，检测LM317的2,3引脚是否连通，连通则说明LM317已烧坏；
2）若可调范围在1.5~2.5之间，可能是R1和R2（原理图）反了；
3）发光二极管亮度低可能是电压较低，调高后依旧比较暗，可能是R2阻值太大；
4）发光二极管不亮可能是正负接反了，也有可能发光二极管已被烧坏了；
5）在声光控电路中，按电路图正确焊接，但发光二极管不亮，可能是CD4011的14引脚没有接电源的正极，7引脚没有接电源的负极；
6）在有光的情况下，有声音发光二极管也会延时亮一会，可能是驻极体的阴极未接电源的负极；
7）若发光二极管亮的时间很短可能是RC延时电路中，电阻过小或电容过小。
4.3、实验现象
在稳压电源中，用万用表电压档测电源的输出电压，调节电位器，万用表的示数在1.25~15.5V之间，且发光二极管随电压的增大而变亮；调节稳压电源的输出电压为4.5V给声光控电路，在声光控电路中，用电胶带遮住光敏电阻，对着驻极体敲击，可观察到发光二极管会亮一段时间后熄灭。
4.4、总结报告
在制作过程中要控制焊点的大小，尽量做到饱满，不要出现虚焊，焊点够亮，元件之间用导线来连接时每一个转角都是直角；在布局的时候，做到均匀分布，不要出现集中在一块地方；在焊接芯片的时候，焊接时间不要过久，有芯片底座的，先焊接底座。
4.5、调试及不完善之处
在调试过程中因为RC电路用的是固定电阻，所以延时电路的时间不可调，那么可以将固定电阻换为电位器。
参考文献
《电子设计制作基础》主编王港元江西科学技术出版社
《模拟电子技术》主编靳孝峰北京航空航天大学出版社
《灯光控制经典实用电路》主编张庆双机械工业出版社
《模拟电子技术基础实验》主编杨刚电子工业出版社
《电子电路制作指导》主编张宪化学工业出版社
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