声光控制延时开关.docx
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声光控制延时开关
声光控制延时开关
一、设计目的
1.掌握三极管的概念及相关物理量。
2.认识声光控开关电路的结构和原理
3.熟练掌握三极管的参数、作用及测量方法。
4.了解效应管、可控硅等元件的作用及测量方法。
5.掌握放大电路的简单分析。
6.培养独立分析电路的能力
7.熟练运用Protel99SE绘制原理图及PCB板制作
二、设计要求
整个电路由电源电路，放大电路，处理电路（声控电路、光控电路）及延时电路等部分组成。
电源由家用220伏交流电源供电，光敏控电路对外界光亮程度的感应相对应的电压信号。
从而实现白天灯泡不亮晚上遇到声响时，通过声控电路使灯泡自动点亮，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而要实现自动控制，延时电路声音消失后延长一段光照时间。
以增强电路的实用性。
1）电路稳定性和可靠性要高。
这是控制电路性能的最基本要求，否则自控能力弱，严重时会失去自动控制功能。
2）功耗要小。
控制电路一直接于交流220伏电路上，若功耗特别是静态功耗大，则不利于节能，甚至还会大大缩短控制电路的寿命。
3）灵敏度要能调节。
这是控制电路正常工作时，对声光控制信息信号的最低要求，控制信号的灵敏度应满足不同的环境要求。
4）带负载能力要强。
被控灯的功率不尽相同，因此要求控制电路的一定范围的驱动能力。
5）触发延时时间要能按要求调节。
延时时间至少在1分钟内可以调节。
三、方案设计与论证
设计的方案有以下三种：
方案一：
含555定时器、光敏三极管、双向可控硅的声光控电路
简要分析其优点：
此声、光同时控制的新式照明灯用光敏三极管的输出端控制555的触发控制端，用音频放大电路控制555的复位端。
555定时器接成单稳态触发器，控制双向可控硅，简单易制、成本低、节电又方便。
原理图设计：
设计中考虑到光敏电阻的阻值随电压升高有规律的下降，而蜂鸣器则用驻极体话筒代替。
具体原理如图:
图2-1设计原理图
555定时器接成单稳态触发器，控制双向可控硅，当555定时器输出高电平，触发可控硅导通，灯泡亮，当555定时器输出低电平时，可控硅未导通，灯泡灭。
电路由l0V稳压直流电源供电。
为使声光同时控制，将光敏三极管的输出端控制555的触发复位端，音频放大电路控制555的触发端。
缺点：
在：
该电路在声强>50dB时，对照明灯的有效控制率高于94％，过于敏感。
很小的声音也会促使灯发光，会造成能源的浪费。
方案二：
运用ＹＱ－Ｉ制成声光控电
简要分析其优点：
声光控延时开关的电路原理图见图２－１所示。
电路中的主要元器件是使用了数字集成电路ＹＱ－Ｉ，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。
图２－２为设计原理图
陶瓷压电蜂呜片B把声音变成直流控制电压。
通过光敏电阻的改变，使电位发生改变，从而控制晶闸管的通断，从而达到使灯自动熄灭的目的。
缺点：
降压功能不强，对晶闸管的冲击电流大，对灯泡的寿命有影响。
方案三：
声光控开关ICCD4011应用电路
简要分析其优点：
其采用集成块ICCD4011，制作起来成本低、并且节电又方便。
同时，对声音的灵敏度适中，并且原件容易设计。
小结：
在综合了以上三种电路的优缺点后，我们决定采用第三种方案。
四、设计原理及电路图
1．设计原理
220V的市电经过灯泡和全桥整流后一路加在单向可控硅MCR100-6上，另一路经R8限流后给本电路供电。
由于一开始可控硅无触发信号，呈关断状态，灯不亮。
C3为主滤波电容，四个二极管整流桥给本电路提供稳定的工作电压。
Q1、R2、R3组成前级电压放大电路，对话筒MIC送来的微弱信号进行放大，然后再送入四输入与非门CD4011芯片进一步放大，经C2的正极给其充电，很快C2上就充到了门电路的翻转电压，无光时，当有声音信号时，芯片1高电平，2高电平，则通过R6输出信号为高电平使可控硅导通，电灯点亮。
在这个过程中，声音信号只需一个瞬时即可，这是因为，当声音信号来时，C2上的电压很快就充到了电源电压，而这时即使声音信号消失，C2只能通过R6进行放电，所以C3上将维持一段时间的高电平，这个高电平将维持单向可控硅导通，这就是延时的效果，灯亮后所能延时的长短取决于C2上维持高电平的时间长短，所以选择C2的大小，可以控制延时的长短。
当C2上的电压低时，3Y输出高电平，4Y输出低电平，单向可控硅的控制端没了触发信号截止，灯熄灭。
有光时，1B输入为低电平，不论1A为高低电平，最后4Y输出都是低电平，即可控硅MRC100-6都截止，则灯不亮。
2、电路图、
3模块说明
①整流模块
四只整流二极管D1~D4J接成电桥的形式，固有桥式镇流之称，如下图。
在正半波电流通过电灯由线路3-2-可控硅再返回负极，在副半波时候电流通过4-1-2-可控硅再返回电源正极，于是达到镇流作用，使交流电变成直流电。
②放大模块
通过一个三极管，使接受到的微弱点信号通过放大能明显作用于电路。
如下图：
③驱动模块和声光控开关模块
本电路图在通过放大时也需要驱动电路并且和声光控开关同事运用，因此采用CD4011，即一举两得。
CD4011功能:
四2输入与非门CMOS芯片
逻辑表达式：
Y=A.B
A=Y.B
CD4011引脚图及引脚:
管脚功能：
1A数据输入端、2A数据输入端、3A数据输入端、4A数据输入端、1B数据输入端、2B数据输入端、3B数据输入端、4B数据输入端、VDD电源正、VSS地、1Y数据输出端、2Y数据输出端、3Y数据输出端、4Y数据输出端
④延时模块
当声音消失后需要灯泡延时亮一定时间，在本电路中采用RC延时电路
延时时间为T=RC
数据分析：
UR7=R7/（R7+R8）*220V=195.8V
UR8=R8/（R7+R8）*220V=24.2V
UC3=UR7=24.2V
所以由电源滤波电路原理可得:
电桥两边电压U2=UC3/0.9=26.9VU灯=220-U2=193.1V
控制电路晶体管静态分析:
UCEQ.V`CC通过测量的出:
IBQ=（V`CC-UBEQ）/R2ICQ=ΒIBQ
UCEQ=V`CC-ICQR3得R3=（V`CC-UCEQ）/ICQ
无光时,要使2处于高电平则:
URL≥UOHURL=RL/（RL+R4）*V`CC≥UON
∴R4≤（V`CC-UOH）/UOH*RL
声音来时,得满足使1为高电平,即需要使晶体管处于截止区.
∴UBE≤UOH
设麦克CM-18W的阻值为RCM,由仪器测得:
RCM/（R+RCM）*V`CC≤UON
得:
R≥（V`CC-UON）/UON*RCM.其中R=R1//R2=R1*R2/（R1+R2）
即:
R1*R2/（R1+R2）≥（V`CC-UON）*RCM/UON---------①
无声音时.得满足1为低电平,即晶体管导通.
测RBE由网孔电流法得:
UBE＞UON
UBE={RBE*[1-RBE/（RCM+RBE）]*V`CC}/[（R2+RBE-R2²）/（R1+R2）-RBE²/（RCM+RBE）]-----------②
由①②得:
R1R2的取值范围.
T=RC可计算时间此实验为15.51s
测量的晶体管放大倍数A=318
五、设计原理及电路图
PCB板的制作过程
1.编辑原理图及其一些相关工作
1）打开Protel99SE，新建一个ddb文件，并起名为声光灯控制电路.ddb。
在Documents内在选择SchematicDocument并打开生成一个Sheet1.Sch（原理图编辑器）。
按照设计好的设计图绘制好的PCB原理图如下图所示：
并将其保存。
2）制作库文件
新建一个Schlib1.Lib（原理图库文件），具体如下图所示：
光敏电阻CD4011
3）制作PCB库文件
新建一个PCBLIB1.LIB（PCB库文件），具体如下图所示：
BRIDGELAMP
2.电气法则测试
在原理图编辑器中，执行菜单命令Tools/ERC，按OK键生成测试结果，如下图所示：
报告中显示没有错误，说明我们并没违反电气法则。
3.创建元器件报表清单
在原理图编辑器中，执行菜单命令Reports/BillofMaterial，选择sheet，并Next,Next,Next，将三个全选中，再次Next，Finish后，生成三个报表如下所示：
Sheet1.Bom
Sheet1.CSV
Sheet1.XLS
并将它们保存。
4.创作网络表文件
在原理图编辑器中，执行菜单命令Design/CreateNetlist，按OK键生成网络表文件。
5.载入网络表和元器件封装
新建一个PCB1.PCB（PCB设计文件）文件，在PCB编辑器中，执行菜单命令Design/LodeNets，导入网络表，如下图所示：
确认无误。
6.制作PCB板
按下Execute后，经过规划PCB,放置螺丝孔和电源接线铜柱,从原理图加载网络表和元件到PCB,通过Room空间移动元件,手工布局调整（通过旋转元件进行，注意减少飞线的交叉）,覆铜等一系列处理后，等到如下图所示：
并将其保存。
六、元器件清单
表1-1元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
MIC
驻极体电容话筒
CW-18W
1
R1
电阻
18K
1
R2
电阻
3.3M
1
R3
电阻
510K
1
R4
电阻
220K
1
R5
电阻
3.3M
1
R6
电阻
30K
1
R7
电阻
18K
1
R8
电阻
150K
1
RL
光敏电阻
MG44-03
1
C1
独石电容
0.47uF/25V
1
C2
电解电容
22uF/25V
1
C3
电解电容
47uF/25V
1
CD4011
四输入与非门
1
D1~D4
二极管
IN4007
1
VD1
二极管
IN4148
1
T
单向可控硅
MCR100
2
备用一个
D1
灯泡
40W
1
灯座
220V普通灯座
1
插头
两项
1
S9014
三极管
1
七、硬件制作与调试
硬件选择:
MIC 用驻极体话筒， RG 用一般光敏电阻即可，YFA-YFD 用一片低工耗COMS四与非门电路 TC4011，T1用9014低频管，放大倍数越大灵敏度越高，D1用IN4148，D2是7.5v的稳压管，C2、C3用电解电容、SCR可选用 MCR100-6 1A的单向可控硅，电阻均为 1/8w 炭膜电阻，阻值按图。
D4-D7用IN4007，反向漏电必须小。
电灯的功率不能超过60W。
各种芯片的介绍
MIC驻极体话筒
独石电容
独石电容器是多层陶瓷电容器的别称，根据所使用的材料，可分为三类
A、温度补偿类NPO电介质
这种电容器电气性能最稳定，基本上不随温度、电压、时间的改变，属超稳定型、低损耗电容材料类型，适用在对稳定性、可靠性要求较高的高频、特高频、甚高频电路中。
B、高介电常数类X7R电介质
。
由于X7R是一种强电介质，因而能制造出容量比NPO介质更大的电容器。
这种电容器性能较稳定，随温度、电压时间的改变，其特有的性能变化并不显著，属稳定电容材料类型，使用在隔直、耦合、傍路、滤波电路及可靠性要求较高的中高频电路中。
C、半导体类Y5V电介质
。
这种电容器具有较高的介电常数，常用于生产比容较大、标称容量较高的大容量电容器产品。
但其容量稳定性较X7R差，容量、损耗对温度、电压等测试条件较敏感，主要用在电子整机中的振荡、耦合、滤波及傍路电路中。
在本次设计中我们只需要进行对耦合的独石电容并且电路的频率并不高，因此只需选择第三种就可以。
电解电容
电解电容是电容的一种，介质有电解液，涂层有极性，分正负，不可接错。
电容（Electriccapacity），由两个金属极，中间夹有绝缘材料（介质）构成。
原理：
电解电容器通常是由金属箔（铝/钽）作为正电极，金属箔的绝缘氧化层（氧化铝/钽五氧化物）作为电介质，电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。
铝电解电容器的负电极由浸过电解质液（液态电解质）的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成；钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰，均以电解质作为负电极。
并且分为有极性电解电容和无极性电解电容，有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用，无极性电解电容器通常用于音箱分频器电路、电视机S校正电路及单相电动机的起动电路。
因此在本电路主要应用于时间常数的设定，因此选用有极性电解电容。
9014三极管：
NPN
集电极-发射极电压45V
集电极-基电压50V
射极-基极电压5V
集电极电流0.1A
耗散功率0.4W
结温150℃
特怔频率最小150MHZ
放大倍数：
A60-150B100-300C200-600D400-1000
CD4011四输入与非门
CD4011功能:
四2输入与非门CMOS芯片
逻辑表达式：
Y=A.B
A=Y.B
1.测试与调试前的准备工作及有关电压测试
1）灯与控制电路一块接上220V电源，如原理图示；
2）二极管桥整流两端一般为20V左右，否则电路不正常；
3）CD4011集成块两端大小应为+5V左右，否则电路不正常；
4）用小块黑布盖住光敏电阻，拍手发声音，使灯亮，再测C8两端电压应为20V左右，正常，否则不正常；
2.灵敏度的调节
1）盖住光敏电阻，使之不被光照射；
2）整个电路接上220V交流电源；
3）延时电路的电容决定了灯亮的时间
调试:
将焊好的电路板对照电路图认真核对一遍,不要有错焊漏焊短路等现象发生.通电,人体不允许接触电路板的任一部分,防止触电,注意安全,如用万用表检测是将万用表两表笔接触电路板相应处即可.
在调试的过程中，刚开始不能实现控制，仔细检查时在独石电容上的问题，我们在耦合阶段的电容采用了瓷片电容来取代了独石电容，于是我们更换成了瓷片电容，再检查还是不能实现，再仔细检查，原来发现CD4011是直接接再电路中的，不需要单独供电，于是我们改接到电路中，于是再一次试验终于达到了目的。
对于光敏电阻，在打开电源开关，虽然蒙上了光敏电阻，但是不能达到声光控制，经过自习检查和查阅资料，了解到光敏电阻对光线很敏感，于是我们试着去严格控制光敏电阻的光线，在改变后，试验达到了目的。
八、结论与心得
略。
九、参考文献
略。
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