声光控制照明灯的设计.docx

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声光控制照明灯的设计

声光控制照明灯的设计

课程设计报告

题目声光控制照明灯的设计

系别物理与电子工程学院

年级专业光伏技术与产业

班级

学生姓名xx

学号

指导教师xxx

设计时间

1设计任务与要求……………………………………………………1

2设计方案与论证……………………………………………………2

2.1方案一………………………………………………………………………2

2.2方案二……………………………………………………………………2

2.3方案三………………………………………………………………………3

2.4各方案分析比较……………………………………………………………3

3电路设计与仿真…………………………………………………4

3.1声控电路……………………………………………………………………4

3.1.1模块电路及参数计算……………………………………………………4

3.1.2工作原理和功能说明……………………………………………………4

3.1.3器件说明…………………………………………………………………43.2光控电路………………………………………………………………………5

3.21模块电路及参数计算………………………………………………………5

3.2.2工作原理和功能说明………………………………………………6

3.2.3器件说明…………………………………………………………………6

3.3单稳态可重复触发延时电路……………………………………………7

3.3.1模块电路及参数计算………………………………………………7

3.3.2工作原理和功能说明………………………………………………8

3.3.3器件说明…………………………………………………………………8

3.4电路仿真……………………………………………………………………11

3.4.1仿真软件简介……………………………………………………………11

3.4.2仿真电路图……………………………………………………………12

3.4.3仿真结果…………………………………………………………12

4电路的制作与调试…………………………………………………14

4.1电路安装……………………………………………………………………14

4.2电路调试……………………………………………………………………15

4.2.1调试步骤及测量数据…………………………………………………15

4.2.2故障分析及处理………………………………………………………15

4.3整机性能指标测量…………………………………………………………15

5小结…………………………………………………………………16

参考文献………………………………………………………………17

附录1：

电路原理图……………………………………………………18

附录2：

元器件清单……………………………………………………19

1设计任务与要求

要求完成声控灯电路的设计、仿真、制作和调试，

（1）采用晶体管设计电路完成一个简易声控灯的设计；

（2）该电路夜间有声音信号时，照明灯（用LED发光管模拟）点亮；

（3）无声时延迟5秒后熄灭;

（4）如声音间隔小于5秒，则LED持续点亮；

（5）白天有声无声均不点亮。

（6）利用仿真软件Multisim仿真电路，并绘制电路的原理图，要求图纸绘制清晰，布线合理，符合绘图规范；

（7）制作电路，完成电路的调试、测试和分析

（8）完成课程设计报告。

2方案设计与论证

2.1方案一

电路主要由直流供电电路、控制电路、延时电路三部分组成。

控制电路采用基本数字逻辑单元进行设计。

其中各个电路功能如下所示：

直流供电电路由D1-D4组成桥式整流电路。

交流220V电压经桥式整流桥后变成脉动的直流电，供后续电路工作。

控制电路由四与非门CD4011、驻极体话筒BM、光敏电阻R5、三极管9014、单向可控硅SCR等元器件组成。

由CD4011的选定的输出端控制晶闸管的关闭，从而控制整个灯的关灭。

光敏电阻在白天时，电阻值小，CD40011输出永远为低电平，晶闸管为低电压，不导通，灯不亮。

光敏电阻在夜晚时阻值大，光敏电阻与声音信号的有无一起控制CD4011的输出。

夜晚当有声音时，声音信号经过放大，与光敏电阻控制的CD40011输出为高电平，晶闸管导通，灯亮。

无声音信号时，不亮。

延时电路有电容C和电阻R的冲放电量控制。

2.2方案二

声控灯电路主要包含四部分，分别为：

电源电路、光控电路、声控延时电路、晶闸管开关电路。

其中电源电路主要为控制电路提供工作电压，本设计采用传统的电源电路设计方法，即降压、整流、滤波、稳压，使电路输出12V直流电压供给控制电路。

光控电路是根据光线的强弱来优先决定电灯的亮灭。

该电路可以对声控延时电路进行控制，在白天光线较强时，光控电路输出低电平将声控电路封锁；在晚上光线较弱时，光控电路输出高电平，则声控功能打开。

本设计采用光敏电阻和其他电阻组成的分压电路来控制555定时器的触发输入端2脚，并且将555定时器的2脚和6脚连接在一起，通过一电容接地，555定时器的输出去控制声控电路中的555定时器的复位端。

声控延时电路主要在光线较弱时起作用。

这主要是通过光控电路的输出来控制的。

在白天，该电路在光控电路的控制作用下，处于关闭状态，对任何声音信号都不响应；在晚上，光控电路将该电路的功能打开，使得该电路能根据外界声音信号作出相应的响应。

经放大处理后的声音信号控制处于单稳工作模式的555定时器来实现声控及延时功能。

晶闸管开关电路受声控电路555定时器输出端的控制。

当其输出低电平时，晶闸管截止，由于照明灯与晶闸管串联，所以灯熄灭；当其输出高电平时，晶闸管导通，照明灯点亮。

2.3方案三

电路由声控部分，光控部分，施密特触发器，可重复触发单稳态电路组成。

声音进入话筒转变为电信号声音进入话筒转变为电信号经过一系列进入集成块LM358中。

在LM358内部，由3引脚进入运算放大器的信号产生的输出信号进入负反馈网络。

对于LM358内的比较器，当有光照的时候，光敏电阻的阻值降低，光敏电阻两端的电压也随之降低，进入LM358的5引脚的电压小于一值，比较器无输出进入NE555，此时不工作；黑天无光时，电阻增大，两端电压增大，大于一值，使比较器的输出为1，NE555正常工作。

当反馈电路输出的电压U大于一值时，NE555输出的下降沿信号到74HC123的1A（1引脚）和1B（2引脚）后，灯亮持续5秒,可重复触发。

当反馈电路输出的电压U小于一值时，NE555输出的上升沿信号到74HC123的1A（1引脚）和1B（2引脚）后，灯亮持续5秒，可重复触发；

当无上升沿或下降沿时5秒后灯熄灭。

2.4各方案分析比较

由于方案一电路设计过于复杂，需要两个555计时器，并且需要变压器实现低电压来执行各个电路，所需要的元器件多，不易实现，可行性较差；而方案二电路设计也过于复杂，需要整流管整流，并且需要晶闸管导通，电路设计难度大；方案三简单方便，易于实现，同时电路稳定，所用元器件少，可行性好。

故选择三号方案。

3电路设计与仿真

3.1声控电路

3.1.1模块电路及参数计算

图1声控电路原理图

要使LM358的声控放大电路的放大倍数为30～50，

即

可选用

=4.7K

、

=150

，此时算得

。

，要使LM358的2脚和5脚的电压为

，必须选用两对阻值一样的电阻，这里在5引脚选用4.7K

，在2引脚选用1K

。

3.1.2工作原理和功能说明

声音进入话筒转变为电信号与R1分压，经过C2（10uf）电容进行信号筛选，由电源提供5V直流电压，经过R3（4.7KΩ）电阻与接地的R4（4.7KΩ）电阻产生静态工作点Q（2.5V）直流信号从3引脚进入集成块LM358中。

3.1.3器件说明

（1）LM324

LM324内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿的四运算放大器，适合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，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的运算放大器的场合。

LM324其内部电路及管脚排布如图2所示：

图2LM324内部电路及管脚排布

（2）驻极体话筒

驻极体话筒：

驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。

属于最常用的电容话筒。

由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。

驻极体话筒如图3所示：

图3驻极体话筒

3.2光控电路

3.2.1模块电路及参数计算

图4光控电路图

当光线充足时，光敏电阻阻值很小，LM358的3脚分压小，电压比较器输出1脚为低电平。

NE555电路4引脚为低电平有效，此时不管2脚和6脚输入为高或低，OUT输出端直接复位为0。

74HC123的1脚和2脚也为低，其Q端输出也为低，Q’端为高电平，发光二极管负端为高，灯不会亮；当光线不充足时，光敏电阻阻值很大，LM358的3脚分压大，故电压比较器反相输入，输出为高电平，NE555的直接复位端4脚无效。

3.2.2工作原理和功能说明

对于LM358内的比较器，当有光照的时候，光敏电阻的阻值降低，光敏电阻两端的电压也随之降低，进入LM358的5引脚的电压小于2.5V，比较器无输出进入NE555，此时不工作；黑天无光时，电阻增大，两端电压增大，大于2.5V，使比较器的输出为1，NE555正常工作。

3.2.3器件说明

（1）光敏电阻

光敏电阻：

又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。

入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。

当它受到光的照射时，半导体片内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。

如图5所示：

图5光敏电阻

（2）LM324

LM324内部包括有四个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合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，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的运算放大器的场合。

LM324其内部电路及管脚排布如图2所示：

图2LM324内部电路及管脚排布

3.3单稳态可重复触发延时电路

3.3.1模块电路及参数计算

图6单稳态可重复触发延时电路

当光线充足时，光敏电阻阻值很小，LM358的3脚分压小，电压比较器输出1脚为低电平。

NE555电路4引脚为低电平有效，此时不管2脚和6脚输入为高或低，OUT输出端直接复位为0。

74HC123的1脚和2脚也为低，其Q端输出也为低，Q’端为高电平，发光二极管负端为高，灯不会亮；当光线不充足时，光敏电阻阻值很大，LM358的3脚分压大，故电压比较器反相输入，输出为高电平，NE555的直接复位端4脚无效。

这时若有声音信号通过驻极体话筒输入，通过电容滤波后输入LM358声控放大电路，经放大后输入NE555的2脚和6脚，正弦波形被施密特变换为反相矩形波。

NE555的2脚和6脚输入大于

的电压，3脚输出OUT由低变为高，74HC123的1脚和2脚接收到一个上升沿脉冲，输入到74HC123单稳态触发器后再次经波形变换，Q端产生一个上升沿脉冲。

由于LED接入74HC123的Q’引脚，故其在Q’引脚是一个下降沿脉冲，此时发光二极管负端为低，灯会亮，亮时延迟时间为脉冲宽度

。

声音信号消失，Q端上升沿维持5s后灯会自动熄灭。

要使延时时间为5s，即使

=5s，选用150

的电阻和47uF的电容，即在14脚和15脚间接入47uF的电容，在15脚和

间接入150

电阻。

3.3.2工作原理和功能说明

当反馈电路输出的电压U大于2/3VCC时，即U大于3.33V时，NE555输出的下降沿信号到74HC123的1A（1引脚）和1B（2引脚）后，灯亮持续5秒,可重复触发。

当反馈电路输出的电压U小于1/3VCC时，即U小于1.67V时，NE555输出的上升沿信号到74HC123的1A（1引脚）和1B（2引脚）后，灯亮持续5秒，可重复触发；

当无上升沿或下降沿时5秒后灯熄灭。

3.3.3器件说明

（1）NE555

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到16V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。

NE555是一种应用特别广泛作用很大的集成电路，在很多电子产品中都有应用。

NE55的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。

NE555内部结构及引脚排如下列图7所示：

图7NE555的内部结构及引脚排列

（2）74HC123

74HC123是一款高速CMOS器件，74HC123引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。

74HC123遵循JEDEC标准no.7A。

　　74HC123是双路可再触发单稳多谐振荡器，可通过多达3种方式实现输出脉宽控制。

74HC123的nA和nB输入带施密特触发功能，使得电路对缓慢的输入上升和下降具备更高的容差性。

74HC123参数74HC123基本参数电压 2.0～6.0V驱动电流 +/-5.2mA传输延迟 26ns@5V74HC123其他特性逻辑电平 CMOS功耗考量 低功耗或电池供电应用74HC123封装与引脚SO16,SSOP16,DIP16,TSSOP16。

74HC123特性：

DC通过高有效或低有效输入触发可再触发，以适应超长脉冲，最高可达100%占空比可直接复位，终止输出脉冲除了复位输入，所有输入带有施密特触发功能ESD保护HBMEIA/JESD22-A114-C超过2000VMMEIA/JESD22-A115-A超过200V。

温度范围：

-40～+85℃、-40～+125℃。

器件中单稳触发器作用是不管触发信号持续多长时间，只固定维持外围阻容给定的一段时间就恢复触发前状态，外围电阻电容决定单稳时间，因为触发是由边缘触发，上升或下降沿。

可再触发单稳不同之处是前次触发后的单稳没有恢复触发前状态而又有触发信号时，可再触发单稳将在触发边缘开始继续维持阻容给定的单稳时间，而单稳是不理会在翻转后的触发信号的。

此芯片也可做多谐振荡器用。

74HC123的引脚排列、内部结构及功能表如图8、9及表1所示：

图874HC123引脚图

图974HC123内部结构

表174HC123功能表

74HC123单稳态触发器。

它有两种输入，A为低电平有效，B为高电平有效。

有两种输出，正好相反。

用外接的电阻电容作定时元件，时间自己定，比74LS电路易用。

单稳态触发器74HC123及外围电路来实现该功能。

74HC123为双可重复触发的单稳态，其输出脉冲的宽度主要取决于定时电阻R与定时电容C，脉宽的计算为电容值与电阻值的乘积即：

WP=R´C，在实际设计中R=5kW，C=80pF，输出脉宽为400ns、幅度约5V。

脉冲快沿放大与射极跟随输出电路，主要作用是对整形与展宽后的触发脉冲进行加速和放大，以便得到有较高幅度和较快上升沿的脉冲信号去触发场效应管2SC3306。

（3）发光二级管

发光二极管简称为LED。

由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。

磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。

它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。

当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由电子，在PN结的附近分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。

电子和空穴复合时释放出的能量多少是不同的，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。

常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。

如图10所示：

图10发光二极管

3.4电路仿真

3.4.1仿真软件简介

Multisim本是加拿大图像交互技术公司（Interactive Image Technoligics简称IIT公司）推出的以Windows为基础的仿真工具，被美国NI公司收购后，更名为NI Multisim ，而V12.0是其（即NI，National Instruments）最新推出的Multisim最新版本。

NI Multisim 12具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、 时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等电路分析方法，以帮助设计人员分析电路的性能。

3.4.2仿真电路图

图11声控灯仿真原理图

3.4.3仿真结果

图12电路仿真结果图

图13声控灯电路仿真结果图

当白天时可调电阻最小，无论声音信号有无，灯皆不亮；

当黑夜时可调电阻任意，但不是最小，此时声音信号频率、振幅达到一区域值，灯亮。

随着振幅逐渐减小，灯灭。

4、电路的制作与调试

4.1电路安装

图14电路安装完图

首先先将元器件中声控电路部分全部安装在是电路板上，依次连接电线；接着依上分别把其他电路全部安装连接完；然后调节电源电压，调至需要的电压；最后将电源与电路连接，并按要求改变各参数以观察、检测电路是否符合要求。

4.2电路调试

4.2.1调试步骤及测量数据

（1）调试白天电路工作情况

调节滑动变阻器R4为较小值时（模拟白天）。

按下电源开关，发出声音（相当于驻级接受到声音信号），灯泡不发光。

调试结果符合电路原理。

在调试的时候，用直流电压表测试各关键点的电位，验证与理论值相符合。

（2）调试夜晚电路工作情况

调节滑动变阻器R4为较大值时（模拟夜晚）。

按下电源开关，发出声音（即驻级接受到声音信号），灯泡发光。

然后马上停止发声，灯在5秒后灭掉，即通过调试结果可以观察到灯亮，且能延时5秒左右。

如果声音不断快速（在5秒内）发出，灯会持续亮，直到最后一次断开5秒后，灯熄灭。

4.2.2故障分析及处理

故障一：

第一次调试电路时，发现各部分接触良好，元器件位置正确，但是发声，灯不亮

处理方法：

经过检查，发现LED灯有损坏，经调换后，灯亮

故障二：

解决麦克风问题后，进一步测试电路，发现灯不能按照要求无声时延迟5秒后熄灭，如声音间隔小于5秒，则LED持续点亮

处理方法：

R6的电阻值不符合仿真值150

，所以造成时间不符合

4.3整机性能指标测量

当声音频率、振幅达到一区域值时LED发光管点亮：

无声时延迟5秒后熄灭，声音间隔小于5秒则LED持续点亮，在有光照情况下有声无声均不点亮；电路如果在LED灯点亮期间又有新的声源出现，LED灯重新开启。

5小结

（1）设计电路之前应尽量全面的熟悉地需设计的电路组成、原理、各个元器件所能接通后的最大电压、电流等。

（2）连接电路之前需检查各个元器件是否完好，如有损坏，请及时向老师请求更换。

（3）接通电源之前应确认电源电压是否符合要求，否则容易因一时疏忽而将元器件烧坏。

（4）调试之前应检查可调电阻的阻值是否达到此时的需求，否则可能会应电阻未能达到要求而造成数据结果错误。

参考文献

[1]高等教育出版社彭介华主编《电子技术课程设计指导》

[2]国防科技大学高吉祥主编《电子技术基础实验与课程设计》第二版

[3]华中理工大学陈大钦主编《电子技术基础实验－电子电路实验.设计.仿真》第二版

[4]清华大学童诗白、华成英主编《模拟电子技术基础》第三版

[5]清华大学阎石主编《数字电子技术基础》第四版

[6]国防工业出版社彦永军李梅编《Protel99电路设计与应用》

附录1：

电路原理图

附录2：

元器件清单

序号

名称

型号规格

数量

1

运放

LM324AD

1

2

555定时器

LM555CM

1

3

单稳态可重复触发芯片

CD74HC123

1

4

可调电阻

20K

1

5

电阻

4.7K

4

6

电阻

1K

2

7

电阻

150K

2

8

电阻

10K

1

9

电阻

330

1

10

电容

10μ

2

11

电容

4.7μ

1

12

电容

0.01μ

1

13

电容

47μ

1

14

麦克风

1

15

LED

1