声光控节电路灯.docx
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声光控节电路灯.docx
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声光控节电路灯
郑州科技学院
《模拟电子技术》课程设计
题目____________________
____________________
学生姓名
专业班级
学号
院(系)
指导教师
完成时间2012年月日
1课程设计的目的4
2课程设计的任务与要求4
2.1课程设计的任务4
2.2课程设计的要求4
3设计方案与论证4
3.1整体构思及设计方案4
3.2原理框图6
3.3原理简述:
6
3.4电路的论证简述:
7
4设计原理及功能说明7
5单元电路的设计(计算与说明)10
5.1VCC值的确定10
5.2延时电路设计11
5.3声音控制电路11
5.4光控制电路11
5.5降压滤波电路11
5.6负载11
5.7桥式整流电路设计11
5.8电容滤波电路12
6硬件的制作与调试14
6.1硬件制作14
6.2硬件调试15
7总结19
8本电路的优缺点及改进方法20
参考文献21
附录1:
总体电路原理图21
附录2:
元器件清单21
1课程设计的目的
1、巩固加深对模拟电子技术基础知识的理解,提高综合运用所学知识的能力,培养学生独立分析问题、解决问题的能力。
2、通过查找资料、选方案、设计电路、仿真或调试、写报告等环节的训练,熟悉设计过程、步骤。
为今后从事电子线路的设计、研制电子产品打下良好的基础。
3、作为电力电子技术的入门,学习晶闸管的应用。
4、设计模拟和数字电子混合电路,实现特定功能。
学习这一技能,积累这方面的经验。
2课程设计的任务与要求
2.1课程设计的任务
1.设计办公大楼、写字楼或居民住宅楼内应用的声光控灯开关。
2.在白天照度较高时,即楼道内光线充足时本开关不启动,灯熄灭。
3.夜晚楼道内光线较差时,若楼道内充分安静(无人行动时),灯泡不启动。
4.若在光线较差的楼道内有人发出声响,就启动该装置使灯泡点亮。
2.2课程设计的要求
1.灵敏度高,感应距离为3米。
2.延时一分钟(可调)后开关可自动断开,灯灭。
3.灯泡有220V电压供电。
也可接100W以下的其它电气设备。
4.节电开关自身消耗小于0.5W。
3设计方案与论证
3.1整体构思及设计方案
在白天或光线较亮时,开关呈关闭状态,灯不亮,夜间或光线较暗时,开关呈预备工作状态。
当有声音或者响动时,开关启动,灯亮。
公共场所和居民居住区的公共楼道普遍使用机械手动开关,由于各种原因往往出现许多灯泡点亮长明的现象,故使灯泡寿命短,浪费电量,为国家、单位、个人造成经济损失。
另外,由于频繁开关或其他人为因素,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。
因此,设计研制一种电路新颖、安全节电、结构简单、安装方便的声光双控白炽灯节能自动开关显得相当有必要。
使公共场所和居民居住区的公共楼道灯在白天时不亮,晚上闻声自亮,待人走后,几十秒后自动关闭,既方便,又省电。
光电开关是传感器大家族中的成员,它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。
由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的(即电缘绝),所以它可以在许多场合得到应用。
光电开关是传感器大家族中的成员,它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。
由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的(即电缘绝),所以它可以在许多场合得到应用。
采用集成电路技术和SMT表面安装工艺而制造的新一代光电开关器件,具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高、工作区域稳定和自诊断等智能化功能。
这种新颖的光电开关是一种采用脉冲调制的主动式光电探测系统型电子开关,它所使用的冷光源有红外光、红色光、绿色光和蓝色光等,可非接触,无损伤地迅速和控制各种固体、液体、透明体、黑体、柔软体和烟雾等物质的状态和动作。
接触式行程开关存在响应速度低、精度差、接触检测容易损坏被检测物及寿命短等缺点,而晶体管接近开关的作用距离短,不能直接检测非金属材料。
但是,新型光电开关则克服了它们的上述缺点,而且体积小、功能多、寿命长、精度高、响应速度快、检测距离远以及抗光、电、磁干扰能力强。
目前,这种新型的光电开关已被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。
此外,利用红外线的隐蔽性,还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用
以往的声控开关大多都是应用模拟电子技术进行设计,分立元件多,不可靠,如今单片机技术已经相当成熟,运用单片机可以设计出智能型的声控开关,电路设计好后,运用软件编程来实现其功能,灵活方便,修改简单。
目前许多声控开关的平均使用寿命不长,主要是因为电路作频繁的开关,启动电流非常大,导致功率元件可控硅由于过载而损坏。
采用开关电压过零保护技术,可消除白炽灯开启瞬间的大电流冲击,有效地防止可控硅元件启动时的电流过载,大大地延长了开关的使用寿命,并且可以起到保护灯泡的作用。
设计声光控开关,最起码要考虑三方面的问题,其一是灯泡的开关控制,这是由220V市电供电。
其二是光控制,使其在有光时,即使有声音也不能亮。
其三就是声音控制,在晚上或光线不足时,只要有人经过,发出声音,灯泡就会点亮。
3.2原理框图
延时输出
处理
放大
声电转换
执行机构
电源
声源
图3-2-1原理框图
3.3原理简述:
声源产生的声音信号,经声电转换器后转换成微弱的电信号,该信号经放大后送处理器处理,处理器将幅度、频率不尽相同的一群声波信号转换成一次状态改变的控制信号,该信号经延时处理电路达到设计要求时间与设计要求功能,经执行机构直接控制负载动作,处理电路如下图2所示:
输入输出
输入
输出
(a)框图
(b)波形
9
输出
信号处理
图3-3-1信号处理框图
3.4电路的论证简述:
光敏
DU
图3-4-1声光控节电开关电路原理图
本电路为一声光自动控制白炽灯开关。
白天或夜晚光线较亮时,光控部分将开关自动关断,声控部分不起作用。
白天或夜晚光线较亮时,光控部分将开关自动关断,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。
电路是否接通,取决于声音信号强度。
当声强达到一定程度时,电路自动接通,点亮白炽灯,并开始延时,延时时间到,开关自动关断,等待下一次声音信号触发。
4设计原理及功能说明
4.1设计原理
图4-1-1原理电路图
本电路使用家用交流220V作为电源。
经过D5--D8整流成直流,此直流电一方面提供给电灯使用。
另一方面经过R9、R10分压D3C3稳压得到6.2V直流工作电源。
R1、MIC构成声音输入电路,经过C1耦合送到Q1进行放大。
R2、R3、Q1构成普通的音频放大电路。
放大后经过C2输出。
D1、D2、C4构成倍压整流将声音信号转变成直流电。
光敏电阻在光亮的环境下电阻值很小相当于短路,在黑暗的环境下电阻值很大,相当于开路。
因此在光亮时阻止声音信号继续往后送。
R3、R6、R7、Q2、Q3构成直流放大电路。
D4、D5、C5、R8、KG1构成延时控制电路。
其原理方框图如下:
交流开关
延时电路
电子开关
光敏电路
倍压整流
声音放大
麦克风
图4-1-2声光控节电路灯原理方框图
电路原理方框,由话筒、声音放大、倍压整流、光控、电子开关、延时和交流开关七部分电路组成。
4.2功能说明
1、麦克风
图4-2-1麦克风
麦克风的分类:
动圈式、驻极式。
2、声音放大
图4-2-2放大电路
话筒MIC1和VT1、R1~R3、C1组成声音拾取放大电路。
为了获得较高的灵敏度,VT1的β值选用大于100。
话筒MIC也选用灵敏度高的。
R3不宜过小,否则电路容易产生间歇振荡。
3、倍压整流
图4-2-3倍压整流
C2、D1和D2、C3构成倍压整流电路。
把声音信号变成直流控制电压。
4、光敏电路
4-2-3光敏电路
R4、R5和光敏电阻R11组成光控电路。
光敏电阻在光亮的环境下电阻值很小相当于短路,在黑暗的环境下电阻值很大,相当于开路。
因此在光亮时阻止声音信号继续往后送。
5单元电路的设计(计算与说明)
5.1VCC值的确定
可由R3、R1的分压作用将家用电压经整流后所得电压Vo=220x1.414=311V
输入电压的表达式为:
Vcc=R1*Vo/(R1+R3)算得Vcc=5V
5.2延时电路设计
由二极管D1电阻R8和电容C3组成。
延时时间由R8和C3决定,按图中所示参数值可延时约60~70S。
二极管D1起隔离作用。
5.3声音控制电路
由话筒MIC、电阻R1、R2、R3、电容C1和三极管T1组成。
声音信号经话筒MIC转化为电信号后经C1耦合至T1放大,最后由T1的集电极输出并送入集成电路IC1的2脚。
5.4光控制电路
由电阻R4和光敏电阻Rg组成。
光的强弱经光敏电阻Rg转化为高、低电平后送入集成电路IC1的1脚。
5.5降压滤波电路
由电阻R5、R6和电容C2组成。
其功能是对桥式整流电路输出脉冲直流电压进行降压滤波,获得10V左右的直流电压,作为控制电路的直流电源。
5.6负载
由白炽灯EL组成,最大可接100W。
5.7桥式整流电路设计
整流电路有单相桥式整流电路,单相半波整流电路,单相全波整流电路等。
本系统选用单相桥式整流电路。
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路,其电路如图5所示。
在分析整流电路工作原理时,整流电路中的二极管是作为开关运用,具有单向导电性。
根据图5的电路图可知:
当负半周时二极管D1、D3导通,在负载电阻上得到正弦波的正半周。
当正半周时二极管D2、D4导通,在负载电阻上得到正弦波的负半周。
在负载电阻上正负半周经过合成,得到的是同一个方向的单向脉动电压。
单相桥式整流电路的波形图见图5-7-1。
图5-7-1整流电路及波形图
5.8电容滤波电路
滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同,实现滤波。
电容器C对直流开路,对交流阻抗小,所以C应该并联在负载两端。
电感器L对直流阻抗小,对交流阻抗大,因此L应与负载串联。
经过滤波电路后,既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量,改变了交直流成分的比例,减小了电路的脉动系数,改善了直流电压的质量。
滤波电路常有电容滤波,电感滤波和RC滤波等。
本系统设计在单相桥式整流电路直接接并联电容构成电容滤波电路,经过此电容滤波电路滤去整流输出电压的纹波。
电容滤波电路如图5-8-1所示
图5-8-1电容滤波电路
滤波原理:
若电路处于正半周,二极管D2、D4导通,变压器次端电压v2给电容器C充电。
此时C相当于并联在v2上,所以输出波形同v2,是正弦形。
所以,在t1到t2时刻,二极管导电,C充电,vC=vL按正弦规律变化;t2到t3时刻二极管关断,vC=vL按指数曲线下降,放电时间常数为RLC。
当放电时间常数RLC增加时,t1要右移,t2点要左移,二极管关断时加长,导通角减小图7中的,见曲线;反之,RLC减少时,导通角增加。
显然当RL很小,即IL很大时,电容滤波的效果不好,见图7中的曲线。
反之,当RL很大,即IL很小时,尽管C较小,RLC仍很大,电容滤波的效果也很好,见图7中的曲线。
图5-8-2电容滤波过程
6硬件的制作与调试
6.1硬件制作
1)制作步骤:
①根据具体情况计算电路参数;②选取元件、识别和测试。
包括各类电阻、电容、电感、(稳压)二极管、三极管和可控硅的数值、质量、电器性能的准确判断;③根据实际外壳大小设计1:
1印刷板布线图;④设计制作印刷线路板,在一块4×7cm面积大小敷铜板设计印刷电路;⑤制作检测:
为确保制作能一次成功,所有元器件都要认真检测,判别元器件是否完好。
最容易分不清二极管+、-极,三极管E、B、C极位置。
特别注意可控硅检测;⑥焊接、调试电路。
2)制作注意事项:
①首先检查你的印刷电路是否设计正确,元器件位置是否安装正确。
特别是话筒、二极管、三极管、电容等极性不要装错;②焊接质量尤其重要。
焊接时间较长易损坏元器件,焊点处理是否合理,有没有焊接点短路、虚焊、多余管脚是否剪去;③制作过程中必需听从实训老师电子制作按排和要求,遵守纪律,注意用电安全,按照正常规程进行操作。
6.2硬件调试
故障判断:
①元器件安装后,通电220v电压检查不正常情况下:
检查元器件是否安装正确;②在这种不明确情况下,可以不通交流电,加入8V直流电压到D4阳极,检查各个三极管工作电压:
VE=+6.8V(VT3的e极电压)(6-2-1)
1)检查电子开关是否正常。
将万用表电压档测可控硅(MCR100-6)阴阳极电压,当短接VT3的e、c极,可控硅(MCR100-6)阳极电压下降为零,说明电子开关电路正常;
2)检测Mic话筒两端电压约2~3V左右,说明Mic话筒连接正确。
再检查R11光敏电阻两端电压值,光照时电压较低,不受光时电压较高,说光控电路工作正常;
3)整体测试:
将光敏电阻用不透光的物体遮档住,测量VT3发射极对地电压,当发出响声在话筒边发出声音时,测得的电压就为5V以上,然后没有声音后又变为0。
4)实物电路元件参数的测量
(1)三极管电流放大系数:
β=(Ic-Iceo)/Ib≈Ic/Ib=132.6(6-2-2)
(2)光敏电阻的阻值变化范围,当无光照时,R11≈512K,当有光照时,R11≈76K;
(3)滤波电容C3上的直流电压:
Uc3=13.62V(6-2-3)
(4)Mic两端电压:
Um=2.7V(6-2-4)
(5)在无光照的条件下,发出声音时,VT3发射极对地电压
Uv=5.43V(6-2-5)
没有声音时,VT3发射极对地电压:
Uv=0V(6-2-6)
5)各部分定性说明以及定量计算:
R1是放大电路的反馈电阻,起反馈的作用。
C1是滤波电容,起滤波的作用。
R3是放大电路的偏置电阻,使三极管有一个基本的工作电流,使三极管工作在线性放大区,以避免放大信号失真。
加入C3是为了减小电路中加入反馈电阻对放大倍数的影响。
而C2也是滤波电容,一般情况下,电解电容的作用是过滤掉电流中的低频信号,但即使是低频信号,其频率也分为了好几个数量级。
因此为了适合在不同频率下使用,电解电容也分为高频电容和低频电容(这里的高频是相对而言)。
低频滤波电容主要用于市电滤波或变压器整流后的滤波,其工作频率与市电一致为50Hz;而高频滤波电容主要资料如下工作在开关电源整流后的滤波,其工作频率为几千Hz到几万Hz。
当我们将低频滤波电容用于高频电路时,由于低频滤波电容高频特性不好,它在高频充放电时内阻较大,等效电感较高。
因此在使用中会因电解液的频繁极化而产生较大的热量。
而较高的温度将使电容内部的电解液气化,电容内压力升高,最终导致电容的鼓包和爆裂。
D1是一个整流二极管,二极管的基本性质是“单向导电”,交流电流过时,只有正(或负)半周时电流能流过,而在负(或正)半周时,电流是截止的,就是说,只有半个周期的电流流过,另半个周期因为电流方向是相反的不能流过,这样在电路中就只有一个方向的电流了,也就是把交流电变成了单身脉动电流,这就是它能整流的基本原理。
C2、D3和D2、C3构成倍压整流电路,利用电源的半个周期对电容器充电,使电容器带上与电源电压几乎相等的电压;当电源处于另一个周时,电源电压与电容器上的电压相叠加,便利整流电压加至另一个电容器上的电压约是电源电压的两倍。
同样,安排合适的电路还能得到多倍压整流电路。
倍压整流电路的原理是半波整流,通常用于负荷电流不大、要求电压较高的电路中。
9013VT1的作用是将输出电压值增大一倍。
电路的前半部分是声强检测与信号处理电路,后半部分是光控部分
6)在实验室实现过程中遇到的问题及排除措施:
1.第一天遇到的故障是把9012VT3的引脚的正负极接反了,因为三极管发射极和集电极正确连接时β大,反接时β就小得多,所以放大作用相当于没有,出现故障。
解决方法是把正负极对调过来,使他实现了放大作用。
关于9012VT3的引脚
介绍:
emitter是发射极
collector是集电极
base是基极
图6-2-1三极管9014管脚图
2.对咪头的正负极性不分,在老师的指导下,弄清楚了咪头的正负极,有三条短线的一端是负极,后来经过改正,把咪头的正负极给修正过来了。
3.在修改了以上两个错误后,调试时,电路已经可以正常工作了,把光敏电阻挡住后,给电路声音信号,灯泡亮了,但是亮了之后就一直不熄灭,分析原因后得出,我们在该电路中运用了单向可控硅,他一旦导通后,外部信号就无法使其断开,只能靠去除负载或降低其两端电压使其断开,故灯亮的时候灯不再熄灭。
4.第二天遇到的故障是焊接出现问题,由于9012VT3的引脚被剪短,造成难以焊接,接触不良。
解决方法是加了一段线到9012VT3的发射极引脚上边,焊接后还是略有点接触不良。
原件的引脚一旦被减短,焊接就是一个大问题,很容易造成接触不良。
5.实验中,看到许多同学的电容爆炸了,在网上查了相关资料后得知,为了防止这些情况发生,可以在补偿电容器组的每相内串接一个空心电抗器来限制电流。
使电容电路的合成电抗对于高次谐波而言,变为感性电抗。
在高次谐波中,3次谐波因变压器的△连接而被短路,因此这是针对5次以上谐波的措施。
若选择串联电抗器的电抗使5次谐波谐振时,则5次谐波被短路,对5次谐波以上的高次谐波,因电容回路变为电感性,所以波形被改善,从而根本上消除了产生谐振的可能。
防谐振串联空心电抗器的电抗可以通过计算得出结果。
6正确的电路调试:
检查整个电路板没有虚焊、漏焊和短路后,接上负载白炽灯EL以及220V交流市电进行通电检查。
调试时用万用表直流电压挡测试集成电路IC1的14脚应有10V左右的直流电压。
然后在有光无声的条件下测量三极管T1集电极C应为低电平,即此时三极管T1应饱和导通,在有光有声的情况下,白炽灯EL应不亮。
用不透明的胶布遮蔽住光敏电阻Rg,在有声音时白炽灯EL应能点亮并且延时60~70秒后自动熄灭。
达到以上要求,说明电路已调试成功。
7总结
1、通过这次课程设计,加强了我们动手、思考和解决问题的能力。
2、在设计过程中,经常会遇到这样那样的情况,就是心里想老着这样的接法可以行得通,但实际接上电路,总是实现不了,因此耗费在这上面的时间用去很多。
3、我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强,由于课本上的知识太多,平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能,而且考试内容有限,所以在这次课程设计过程中,我们了解了很多元件的功能,并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
平时看课本时,有时问题老是弄不懂,做完课程设计,那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些晶体管的功能,平时看课本,这次看了,下次就忘了,通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。
认识来源于实践,实践是认识的动力和最终目的,实践是检验真理的唯一标准。
所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。
4、在制作PCB时,发现一定要有细心耐心恒心才能做好事情,首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单,兼顾到方方面面去考虑是很需要的,否则只是一纸空话。
5、在按照老师的原理图后的做PCB版时,由于项目组成员对单面板的不熟悉,导致布线后元件出现在另一边,增加了布线难度,也产生很多不曾注意的问题,今后要牢记这个教训,使以后布线更加顺利。
以下是对布线的一些心得体会:
参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求,而且为了便于操作和生产,间距也应尽量宽些。
最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时,信号线的间距可适当地加大,对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距,一般情况下将走线间距设为8mm。
焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm,这样可以避免加工时导致焊盘缺损。
当与焊盘连接的走线较细时,要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状,这样的好处是焊盘不容易起皮,而是走线与焊盘不易断开。
(1)首先要考虑PCB尺寸大小。
PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小则散热不好,且邻近线条易受干扰。
电路板的最佳形状矩形,长宽比为3:
2或4:
3,位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2mm。
(2)放置器件时要考虑以后的焊接,不要太密集。
(3)以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。
元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接,去耦电容尽量靠近器件的VCC。
(4)在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。
一般电路应尽可能使元器件平行排列。
这样,不但美观,而且装焊容易。
(5)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向。
(6)布局的首要原则是保证布线的布通率,移动器件时注意飞线的连接,把有连线关系的器件放在一起。
(7)尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰
6.在这次设计中,在经过反复的失败后,心里反而不感到难过,因为在多次的试验中,我学到了很多实践方面的知识,这在以后的工作中会有很大的帮助。
另外,课程老师亲切的态度让我在学习的过程中没有丝毫压力,觉得这是个愉快的学习知识的过程,两周的课程让我忙忙碌碌,收益良多。
8本电路的优缺点及改进方法
调试时,电路可以正常工作,但当电路中灯亮后,无论给什么信号灯还是不熄灭,分析原因后得出,在该电路中运用了单向可控硅,单向可控硅一旦导通后,外部信号就无法使其断开,只能靠去除负载或降低其两端电压使其断开,故灯亮的时候灯不再熄灭。
在电路中运用了单向可控硅,但是当电路导通后,它不能在外界的条件下熄灭,也许可以去掉单向可控硅,让电路可以在环变(如光照强弱,声音有无)的情况下,可以自动的接通和断开。
参考文献
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13~15.
[2]嘉兴学院,模拟电子实验指导书[J],嘉兴学院教务处印.2010,23(3):
97~98
[3]迟钦河等,电子技能与实训[J],电子工业出版社2009.342~344
[4]陈大钦,电子技术基础实验[M](电子电路实验,设计,仿真)高等教育出版社2004.49~77.[5]郑步生,Multisim2001电路设计及防真入门与应用[M],电子工业出版社2009,13:
25~26
附录1:
总体电路原理图
附录2:
元器件清单
1)所需元件清单:
序号
名称
型号规格
数量
1
电阻
150K
1
2
电阻
24K
2
3
电阻
2.4M
1
4
电阻
18K
2
5
电阻
680K
1
6
电阻
150K
1
7
电容
100uF
1
8
电容
104
1
9
电容
22uF
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- 关 键 词:
- 声光 节电 路灯