声光控延时电路的开发.docx
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声光控延时电路的开发
声光控延时电路的开发
1、功能与技术指标：
实现一个由声音和环境亮度共同控制的开关电路，控制电灯开和关，其功能是在白天，电路总是关断。
在黑暗条件下，电路处于等待工作状态，当有人经过或有声音出现时，可控硅导通，驱动白炽灯发光，并开始进入延时状态，延时时间结束后可控硅自动关断，电路断开，电灯熄灭，节电环保。
系统可以直接接入市电，平均延时时间1~2分钟。
2、原理框图：
感应系统对信号进行采集后将信号传至控制与延时电路，进而控制可控硅通断，实现本课题所要求的功能与指标。
原理框图
设计思想：
白天或晚上光线较亮时，光控部分将开关断开，声控部分不起作用，当光线较暗时，光控部分将开关自动打开，负载电路的通断受控于声控部分。
电路能否接通依据声音信号的强度，当声音强度达到一定程度时，电路自动接通，白炽灯点亮，并开始延时，延时时间结束后开关自动关闭，等下一次声音信号触发。
元件选择：
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MCR100-6A的单向可控硅，电阻均为1/8w炭膜电阻，阻值按图。
D3-D7用IN4007，反向漏电必须小。
电灯的功率60W。
3、电路图
工作原理：
电路如下图，220V市电通过灯丝、D3-D7、降压整流后，经过R7限流、D2、C3稳压滤波为电路提供稳定的工作电压。
R4、RG组成分压电路，白天由于光照RG阻值变小，YFA1脚电位被拉低，由与非门的逻辑关系可知此时YFA3脚输出为高电平，经过YFA2反相变为低电平，D1截止后级电路不动作。
晚上光线暗RG阻值变大，YFA1脚电位升高，如果此时有声音被MIC接收，经C1耦合T1放大，在R3上形成音频电压，此电压如高于1/2电源电压，则YF13脚输出低电平，经YFB反相，4脚输出的高电平经D1向C2瞬间充电，使YFC输入端接近电源电压，10脚输出低电平，由YFD反相缓冲后经R6触发可控硅导通，电灯正常点亮。
（此时则由C2向电路供电）如此后无声被MIC接收，则YFA输出恢复为高电平，C2通过R5缓慢放电，当C2电压下降到低于1/2电源电压时（按图中参数约一分钟）YFC反转、YFD反转，可控硅（SCR）截止电灯关闭，等待下次触发。
4、方案设计与安装调试
1、设计方案与方案比较
方案一
原理方框图如图1所示：
方案一声光控原理方框图
方案一电路原理图如下图表所示,电路用驻极体采集声音信号并用运放LM324对采集到得信号进行放大处理再输入到与非门，采用光敏电阻（R5代替）采集光信号转换为电平信号并经过运放LM324进行发大输入到与非门进行逻辑处理，延时功能通过555单谐震荡实现。
方案二
原理方框图如图
光敏电路
延时电路
信号采集
控制电路
方案二电路原理图
使用了数字集成电路TC4011，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,价格便宜。
方案一和方案二原理基本相同但是考虑到电路的复杂性和元器件的价格以及两个电路延时的效果，所以此次采用的是方案二进行设计。
2、单元电路设计
1）声音放大电路：
当MIC获取到声音信号后，其会转换成电信号，由声信号转换成的电信号控制电子开关，所以必须加三极管放大器放大该信号。
为了获得较高的灵敏度，Q1的β值选用大于100。
声信号选用灵敏度高的。
R3不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡，影响系统运行。
图一）声音放大电路
2）光敏电路：
当环境有一定亮度时，LR阻值很小，所以1处于低电位，不论2是什么电位，YFA的输出总是高电位，二极管IN4148因为电压反偏而截止，C2和R4下端始终处于高电位，也就是使3、4的四个并联输入端都处于高电位，它们的输出端处于低电位，所以电路在有光亮环境下不论出现多大强度音响灯都不会发光。
图二）光敏电路
3）开关电路：
当电压信号达到一定值时，电子开关打开。
当电压信号小于此值时，电子开关关闭。
其起到的主要作用是控制延时电路中的电容充放电。
声音信号变成直流控制电压,光控电路在有光照射时，光控电路阻值变小，对直流控制电压衰减很大。
4）延时电路：
由于需要的白炽灯持续时间并不是很长，大概几十秒左右，所以用一个电容控制开关的状态即可。
当夜晚无光时，电子开关打开时，C2连通，即开始充电。
当电子开关关闭后，C2开始放电。
当C2电压下降到低于1/2电源电压时（大约一分钟）YFC，YFD反转，可控硅截止电灯关闭，等待下次触发。
5）整流滤波电路：
D2和C3起稳压滤波作用，D2是7.5V的稳压管，C3用100UF的电解电容，D2，C3钧接地。
3、参数计算
延时电路采用RC振荡实现延时功能，
TC4011为CMOS管的供电电压为5V，翻转电压为2.5V。
延时时间计算如下所示：
=Uc
理论情况下电路延迟时间约为70秒，可改变R5和C2来改变延时。
此次设计所得到的实际延时时间为80秒。
4、安装过程
设计好电路图后，根据电路图先在面包板上连接电路，调试成功后再在电路板上焊接，安装过程中要细心，不能出现短路和断路问题。
出现问题后仔细检查电路的连接问题。
连接过程中不能出现三极管管脚连接错误，可控硅的连接也要正确，否则会出现烧毁元器件的情况，出现危险。
D3～D6、R7、D2、C3组成稳压二极管稳压电路产生7.5V直流电压给控制电路供电。
准备好全套元件后，用万用表粗略地测量一下各元件的质量，做到心中有数。
焊接时注意先焊接无极性的阻容元件，电阻采用卧装，电容采用直立装，紧贴电路板，焊接有极性的元件如电解电容、话筒、整流二极管、三极管、单向可控硅等元件时千万不要装反，注意极性的正确，否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。
电路板与220V高压连接在一起，在接220交流电时，必须接上白炽灯（220V，60W），特别注意防止触电。
安装焊接时注意器件的极性
5、调试问题处理
白炽灯一直亮着
白炽灯一直亮着的问题，多是三极管被击穿，造成继电器中一直有电流通过，从而白炽灯回路一直处于导通状态；或者是继电器和白炽灯回路的接法不正确，使得继电器中一直有电流通过或者白炽灯直接接在电源回路上，从而使白炽灯一直处于导通状态。
若没有上述错误，则极有可能是集成电路TC4011损坏。
白炽灯始终不亮
出现这一问题，先检查白炽灯是否正常。
如果白炽灯正常，就说明开关电路中有元件损坏。
可先焊开光敏电阻器的一个脚，在想话筒送入声音信号的同时，用万用表侧集成电路2脚的电压，看指针是否摆动。
若摆动很小或不摆动，就应检查声音触发控制电路中的各元件，包括话筒、电阻器R1到R4、电容器C1、三极管T1。
发光时间短
这是延时电路的电容器C2或电阻器R5有问题，可用容量大点的电容替换C2，或对电阻器R6进行替换。
若更换后，延时时间还是较短，则有可能是二极管D1不良。
注：
在实际电路中，由于电容器本身有电阻，再加上其放电并不是放到零为止，所以其放电时间比理论计算少。
白炽灯响应灵敏度低
如果需要很大响声，白炽灯才能触发点亮，则说明触发电路元件性能下降，此时应着重检查三极管的放大倍数β值，以及检查电阻R1-R4、电容器C1等。
6、注意事项
1）接好声光控延时开关与白炽灯，再通过整流电路接入220V交流电源，分别在白天及模拟晚上天黑的环境下测试电路关键点电压及波形，并测量白炽灯点亮维持时间t（延时时间）。
记录测量数据时注意标明白炽灯是在点亮还是熄灭状态。
2）测量时要注意用电人身安全，当没有使用隔离变压器时，特别要注意身体任何部位均不能接触电路板任何裸露的铜箔部分，包括测量公共点即“地线”。
3）操作要胆大心细，固定好开关电路板，选择好合适的万用表直流电压档测量，黑笔接好测量参考点，防止表笔接触引起电路短路。
4、小结
经过一个多月的硬件课程设计使我学会了许多，课本上的知识经过实践后很有一种成就感，又学会了许多课本上学不到的东西。
这次硬件设计是对过去两年知识的总结和运用，也是对我们的一次考查。
理论知识和实践相结合才能发现知识的魅力，也更能激发出兴趣。
在得到硬件设计题目之后，小组成员就投入到资料查找中，在图书馆和网上我们找了许多的资料，并设计了多套方案，经过汇总筛选后确定了最终的方案，这个过程是艰难的，却是收获最大的，因为在这个过程中我们学到了许多，以前不懂的问题现在懂了。
之前没有使用过Protel,因为要用Protel画图，就自学了Protel，通过设计课程我学会了protel的基本用法，也是这次设计的过程中很大的收获。
硬件设计的过程是个知识与实践相结合的过程，光有知识没有过去的时间积累也是不行的，在过去的课程中我们已经有过电子设计和金工实习的经验，了解到在实践中需要的注意事项，这对我们的这次硬件课程设计有很大的帮助，让我们更加有信心完成这次设计。
设计的过程中会遇到许多的问题，许多的问题一时解决不了会让我们感觉很沮丧，在是在热情的唐xx老师的帮助下我们靠着自己的耐心解决了许多难题，最终取得了成功。
设计的过程中要严格的执行安全规则，也要细心、耐心，不然会产生错误，因为元器件有许多的管脚，如果不细心的话很容易连错管脚，这样就很容易产生错误，无法实现设计功能，还有可能烧毁元器件，产生危险，所以这次硬件课程设计也让我们再一次体会到了科学的严谨。
此次硬件设计为三人一个小组的团队合作，在设计过程中我们培养了团队合作的精神，每个人发挥自己的优势，集体合作，很顺利的完成了硬件设计，每个人都付出了一份辛劳，都有很大的收获。
最后，感谢这次硬件课程设计的指导老师唐红文老师，感谢她对我们的指导和帮助。
附录元器件清单
元器件名称
数量
备注
驻极体
1
话筒
电容C1
1
104
电容C2，C3
1
10uF,100uF
光敏电阻RG
1
可见光光敏电阻
发光二极管
1
调试电路用
稳压管
1
7.5V（D2）
可控硅
1
100-6
二极管
4
IN4007（D3-D4）
二极管
1
IN4148（D1）
TC4011
1
集成门电路
三极管
1
9014
白炽灯
1
60w
电阻
7（带导线数根）
R1（22K）,R2（2.7M）
R3（33K）,R4（20K）
R5（4.7K）,R6（56K）
R7（270K）
参考文献
[1]清华大学电子学教研组编，童诗白﹑华成英主编.模拟电子技术基础.第4版.北京：
高等教育出版社，2010.
[2]清华大学电子学教研组编，阎石主编.数字电子技术基础.第5版.北京：
高等教育出版社，2010.
[3]龚华生主编.实用电路创意制作自学通.北京：
电子工业出版社，2006.
[4]刘天旺主编.PROTEL99SE电路设计应用教程.北京：
电子工业出版社，2007.
[5]AllanR.Hambley著李春茂改编.电子技术基础.北京：
电子工业出版社，2007.
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