电子系统设计课程设计声光控制开关.docx

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电子系统设计课程设计声光控制开关

目录

1绪论1

2系统方案与论证2

2.1方案论述与比较2

3设计原理及电路图3

3.1设计原理3

3.2系统电路图4

4各部分模块说明4

4.1整流模块4

4.2放大模块5

4.3驱动模块和声光控开关模块5

4.4延时模块7

5电路图设计与PCB制作8

5.1编辑原理图及其一些相关工作8

5.2初步生成PCB图12

5.3制作PCB板12

6硬件制作与调试13

6.1硬件选择13

6.2各种芯片的介绍13

6.3调试16

7结论与心得16

参考文献17

附录一：

元器件清单18

声光控制延时开关

孙晓鹏

（德州学院物理系，山东德州253023）

摘要声光控制延时开关电路是90年代逐渐出现在人们日常生活中。

当傍晚光线变暗时，开关自动进入待机状态，当有说话声、脚步声或其他声响时，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自动熄灭；白天光线较强时，受光控自锁，即使有声响灯也不会亮，可以达到节能的目的。

本文的声光控延时开关电路由电源电路、声控电路、光控电路、延时和电子开关电路组成。

可实现以下功能：

白天正常光照下，无论有无声音，该开关不动作，灯不亮；夜晚无声音的时候，灯不亮；有声音触发时，开关动作，灯亮；灯亮一定时间以后，自动熄灭且可自动延时。

关键词CD4011；声光控开关

1绪论

随着社会的发展，节能和环保越来越引起人们的重视，而且国家节能中长期专项规划明确提出照明用电占全国用电量的13%，可见照明节能显得非常重要.这就要求人们在生活中更广泛的使用声光控制延时开关照明灯。

声光控开关是用声音和光照度控制的开关，当环境的亮度达到某个设定值以下，同时环境的噪音超过某个值，这种开关就会开启。

声光控开关必须同时具备两个条件，声光才起作用。

从声光控开关的结构上分析，开关面板表面装有光敏二级管，内部装有柱极体话简。

而光敏二极管的敏感效应，只有在黑暗时才起到作用（可用液晶万用表测得数值）。

也就是说当天色变暗到一定程度，光敏二级管感应后会在电子线路板上产生一个脉冲电流，使光敏二级管一路电路处在关闭状态，这时在楼梯口等处只要有响声出现，柱极体活简就会同样产生脉冲电流，这时声光控制开关电路就连通起作用。

本设计研究的内容是声光控延时照明电路。

通过对声光控延时照明电路的电路组成、电路原理、单元电路的设计等几方面的研究，实现了声光控延时照明电路在白天不工作，而夜晚收到突发声信号是自动点亮，并延时15秒左右后自动熄灭。

在本次设计中以CD4011组合电路进行控制。

主要运用AltiumDesigner绘制原理图和印制电路板。

2系统方案与论证

为了能够设计出一种成本低廉，精确度较高，制作简单的声光控制延时开关，本设计给出了三种方案。

2.1方案论述与比较

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2-1：

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2-2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。

3设计原理及电路图

3.1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。

3.2系统电路图

图3-1系统电路图

4各部分模块说明

4.1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。

图4-1整流模块电路图

4.2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：

图4-2放大模块电路图

4.3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。

图4-3驱动模块和声光控开关模块电路图

CD4011功能:

四2输入与非门CMOS芯片

逻辑表达式：

Y=A.BA=Y.B

CD4011引脚图及引脚:

图4-4CD4011引脚图

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。

4.4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。

图4-5延时模块电路图

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

5电路图设计与PCB制作

5.1编辑原理图及其一些相关工作

5.1.1编辑原理图

打开AltiumDesignerSummer09，新建一个原理图，并起名为声光控开关.SchDoc。

在System菜单下库内寻找元器件，按照设计好的设计图绘制好的PCB原理图如下图所示：

图5-1PCB原理图

5.1.2制作原理图库文件

新建一个Schlib1.Schlib（原理图库文件），分别绘制光敏电阻、CD4011、灯泡、具体如下图所示：

图5-2光敏电阻

图5-3CD4011

图5-4LAMP

图5-5Q1-9014

5.1.3制作PCB库文件

新建一个PCBLIB1.PcbLib（PCB库文件），绘制封装图，具体如下图所示：

图5-6LAMP封装图

给各个器件添加封装图，如下所示：

图5-7给各器件添加封装图

5.2初步生成PCB图

新建一个PCB1.PcbDoc（PCB设计文件）文件，在原理图中执行菜单命令设计、UpdatePCBDocument声光控开关.PcbDoc，生成PCB图，如下图所示：

图5-8初步生成的PCB图

5.3制作PCB板

按下UpdatePCBDocument声光控开关.PcbDoc后，经过规划PCB,放置螺丝孔和电源接线铜柱,从原理图加载元件到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：

5-9PCB图

并将其保存。

6硬件制作与调试

6.1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 MCR100-61A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。

6.2各种芯片的介绍

6.2.1MIC驻极体话筒

图7-1MIC驻极体话筒

6.2.2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。

图7-2三种独石电容

6.2.3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。

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。

图7-3电解电容

6.2.49014三极管：

NPN

图7-4三极管

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

6.2.5CD4011四输入与非门

图7-5CD4011

CD4011功能:

四2输入与非门CMOS芯片

逻辑表达式：

Y=A.BA=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

6.3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。

通电后，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。

7结论与心得

本设计采用声光控电路控制，采用集成块ICCD4011对照明电路的开通和关断进行控制。

实现了声控光控延时开关的功能，在白天无论是否有声音，灯都不能被点亮。

在夜晚当有声音产生时，灯被点亮，且在声音消失后，灯泡亮度能维持一段时间，即夜晚有人经过的时候，灯被点亮，并有足够的时间让人通过。

采用此声光控制电路可以防止不必要的能源浪费，符合绿色环保的理念。

参考文献

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高等教育出版社，2005

[2]康华光主编．电子技术基础模拟部分（第五版）[M].．北京：

高等教育出版社，2005

[3]黄智伟主编．基于NIMultisim的电子电路计算机仿真设计与分析.北京：

电子工业出版社，2011

[4]胡汉才．单片机原理及系统设计[M]．北京：

清华大学出版社，2001：

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[5]刘守义．单片机应用技术[M]．西安：

西安电子科技大学出版社，2002．

[6]陆应华．电子系统设计教程（第二版）[M]．北京：

国防工业出版社，2009．1．

[7]IbrahimKayaNusretTanDerekP．Atherton．ArefinementprocedureforPIDcontrollers[J]．ElectricalEngineering，（2006）（88）：

215–221．

附录一：

元器件清单

表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