最标准模拟电子技术课程设计声控开关的设计.docx

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最标准模拟电子技术课程设计声控开关的设计

烟台南山学院

模拟电子技术课程设计

题目声控开关的设计

姓名：

____

所在学院：

_计算机与电气自动化学院

所学专业：

_自动化

班级___

学号___

指导教师：

________

完成时间：

____

模电课程设计任务书

一、基本情况

学时：

40学时学分：

1学分课程设计代码：

07120102

适应班级：

电气工程、自动化

二、进度安排

本设计共安排1周，合计40学时，具体分配如下：

实习动员及准备工作：

2学时

总体方案设计：

4学时

查阅资料，讨论设计：

24学时

撰写设计报告：

8学时

总结：

2学时

教师辅导：

随时

三、基本要求

1、课程设计的基本要求

模电课程设计是在学习完模拟电子技术课程之后，按照课程教学要求，对学生进行综合性训练的一个实践教学环节。

主要是培养学生综合运用理论知识的能力，分析问题和解决问题的能力，以及根据实际要求进行独立设计的能力。

初步掌握模拟电子线路的安装、布线、焊接、调试等基本技能；熟练掌握电子电路基本元器件的使用方法，训练、提高读图能力；掌握组装调试方法。

其中理论设计包括总体方案选择，具体电路设计，选择元器件及计算参数等，课程设计的最后要求是写出设计总结报告，把设计内容进行全面的总结，若有实践条件，把实践内容上升到理论高度。

2、课程设计的教学要求

模电课程设计的教学采用相对集中的方式进行，以班为单位全班学生集中到设计室进行。

做到实训教学课堂化，严格考勤制度，在实训期间累计旷课达到6节以上，或者迟到、早退累计达到8次以上的学生，该课程考核按不及格处理。

在实训期间需要外出查找资料，必须在指定的时间内方可外出。

课程设计的任务相对分散，每3名学生组成一个小组，完成一个课题的设计。

小组成员既有分工、又要协作，同一小组的成员之间可以相互探讨、协商，可以互相借鉴或参考别人的设计方法和经验。

但每个学生必须单独完成设计任务，要有完整的设计资料，独立撰写设计报告，设计报告雷同率超过50%的课程设计考核按不及格处理。

四、设计题目及控制要求

声控开关的设计

1．了解声光控延时开关电路的组成及工作原理。

2．熟悉驻极体话筒和光敏电阻器的特性。

3．学习声光控延时开关电路设计。

4．光线暗时，声音触发开关接通灯亮，延时一定时间（20秒左右）后自动熄灭。

五、设计报告

设计完成后，必须撰写课程设计报告。

设计报告必须独立完成，格式符合要求，文字（不含图形、程序）不少于2000字，图形绘制规范。

设计报告的格式如下：

1、封面

2、内容提要

3、目录

4、正文

（1）所作题目的意义、本人所做的工作及系统的主要功能；

（2）方案选择及论证；

（2）设计步骤及原理图；

（3）元器件的选择；

（4）设计过程中出现问题的解决方法；

5、心得体会

6、参考文献

六、考核方法

模电课程设计的考核方式为考查，考核结果为优秀、良好、中等、及格和不及格五等，分数在90-100之间为优秀，80-89分之间为良好，70-79分之间为中等，60-69分之间为及格，60分以下为不及格。

考核分三个方面进行：

平时考勤：

30%；实验及设计成果质量：

40%；课程设计报告：

30%。

有下列情形之一者，课程设计考核按不及格处理：

1、设计期间累计迟到、早退达8次；

2、设计期间累计旷课达6节；

3、设计报告雷同率超过50%或无设计报告；

4、不能完成设计任务，达不到设计要求

摘要

声控延时开关采用行人脚步，拍手或咳嗽声来控制灯的开启。

灯光延时一定时间自动关闭。

白天光线强时将其闭锁，即使有行人的脚步声开关始终处于闭锁状态也不会开启。

实现声来灯亮、声离灯灭，令我们无论在家里还是在别处，方便自如，都能够乐在其中。

ZX2027灯头型声光控延时开关，在灯头上装上白炽灯安装在走廊、楼梯间或厕所里，白天不亮，晚上只要你发出声响灯就亮20秒，人离开后灯熄灭。

开关电路中声音检测采用驻极体话筒MIC，三极管T2组成放大器。

无声响静态时T2是处于饱和导通状态，当有声响时，话筒MIC接收声响信号，可使T2截止。

亮度检测由光敏电阻RG完成。

电路使用的CMOS数字集成电路CD4011，内含有四个2输入端与非门。

CD4011中除其中一个直接用为2输入端与非门作为判别电路外，其余三个均接成反相器作放大器用。

D6、R6、C4组成延时电路。

开关采用可控硅T1。

二极管D1~D4与可控硅T1组成可控整流电路，当T1导通时，灯泡发亮；T1截止时，灯泡熄灭。

关键字：

驻极体话筒、三极管、光敏电阻、声控开关

目录

1绪论1

1.1声控开关介绍1

1.2设计任务技术指标：

1

2设计的目的和任务1

3设计要求及总体框图设计2

4功能设计3

4.1VCC值的确定4

4.2延迟的确定4

4.3与非门的高低电平的输入确定4

4.4整流电路的设计5

4.5电容滤波电路7

4.6晶闸管的工作原理8

5总原理图10

6元件清单11

7总结12

参考文献13

1绪论

1.1声控开关介绍

声控开关，全称是声控延时开关，是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关。

生活中，好多地方都使用声控灯照明，声光双控延时照明灯白天自动关闭，夜间有人走动时，其脚步声或谈话声可使电灯自动点亮，声音过后30s电灯又会自动熄灭。

这种延时照明控制开关能有效地消除长明灯、节约电能；

声控开关，即采用模电数电混合集成电路，进行逻辑运算，控制电路中电流。

其中重要部件光控电子开关，它的“开”和“关”是通过可控硅的通断来实现，而可控硅的通断又受自然光的亮度（或人为亮度）控制，故声控灯又名为声光控灯。

该装置适合广泛用于楼梯、走廊、路灯和厕所等场所的照明，起到日熄夜亮的控制作用，以节约用电。

声控开关在实际中的应用相当广泛，是一些声控灯基本组成部分，其原理适用于很多声控器械，它涉及到时序逻辑电路如何设计、分析和工作等方面。

通过此电路更深刻的了解时序逻辑部件的工作原理，从而掌握如何根据需要设计满足要求的各种电路图，解决生活中的实际问题，将所学知识应用于实践中。

1.2设计任务技术指标：

1.任务：

设计一个声控开关，控制对象为发光二极管。

2.基本要求

a、接收到一定强度的声音后，声控开关点亮发光二极管（电流5～10mA），延时时间在1～20s之间可调。

b、延时时间用数字显示（采用共阳极数码管），时间单位可调，显示范围为1～20s。

2设计的目的和任务

1、巩固加深对模拟电子技术基础的理解，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、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、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。

3设计要求及总体框图设计

1、办公楼或居民楼应用的声控开关；

2、白天光线充足时，灯不亮；

3、晚上光线暗，若无人声，灯不亮；若有人声，则亮。

据技术要求，此声控灯开关可由以下几个单元组成：

图1整体框图

4功能设计

本设计主要由桥式整流电路、降压滤波电路、声音信号输入电路、光信号输入电路、延时控制电路以及外接电路6部分组成。

图2声光控制电路图

根据图2电路，原理如下：

由四个二极管组成的桥式整流电路将输入电路的220V50Hz交流电压变换成脉动直流。

该脉动直流电压一路有R3和R1、C3分压并滤波后得到传感及逻辑控制电路所用的电压VCC；另一路接到晶闸管BT169的阳极。

当BT169的控制级（栅极）为高电平且输入的交流信号Vi=COS（wt+Φ）处于正半周期时，电流由D2→地→D4→灯流过而将灯点亮。

当Vi处于负半周期时，电流由灯→D3→地→D1而将灯点亮。

当BT169的控制级为低电平时，晶闸管截止，此时不会产生驱动灯的电流，此时灯是熄灭的。

由此可见，灯的亮灭是由晶闸管的控制级电平决定的。

因此，关键问题是如何控制其栅极电平的高低。

有光时灯灭；无光无声时灯灭；无光有声时灯亮。

参考图2，对光敏电阻RW而言，当有光时，RW<2kΩ，此时HD14011的1脚即第一个与非门的一个输入端为低电平（地），所以3脚为高电平、4脚为低电平，10脚为高电平，11脚为低电平，则此时晶闸管截止，灯泡是灭的。

相反，如果无光时，RW>2MΩ，此时HD14011的1脚是高电平，此时第一个与非门的输出取决于2脚的状态，而2脚的状态将由噪声传感器来决定，当没有声音时，2脚为低电平，因此A为高电平，B为低电平，C为高电平，D为低电平，此时晶闸管截止，灯泡灭。

当有声音产生时，在麦克风两端产生一个交流信号，经过电容而将2脚置为高电平，此时A为低电平，B为高电平，C为低电平，D为高电平，从而将晶闸管触发导通，灯泡点亮，同时由于B为高电平，可对电容C2充电，这样，当声音消失后，由于C2和R7的存在，使C点维持在低电平直到C2放电结束，在此过程中，灯泡将会一直保持在亮的状态直至此过程结束。

4.1VCC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V0=220x1.414=311V，输入电压的表达式为：

Vcc=R1*V0/（R1+R3），算的VCC=5V。

4.2延迟的确定

图3延迟电路部分

由R7、C2组成延迟电路，要求延迟时间为1min，与非门工作高低电平为3.4V，0.3V，延迟T计算公式：

T=R7C2ln（Vt+/Vt-），算得R7=1.1MΩ，C2=22uf。

4.3与非门的高低电平的输入确定

如果无光时，RW>2MΩ,与非门有一脚是高电平，此时第一个与非门的输出取决于另脚的状态，此脚的状态将由噪声传感器来决定。

当没有声音时：

灯不亮，要求第一个与非门的一脚为低电平，即使三极管工作在饱和区满足条件且输入的电压为0.3V。

此时A为高电平，B为低电平，C为高电平，D为低电平，此时晶闸管截止，灯泡为暗。

由三极管的工作参数得:

Ibs=（Vcc-Vce）/R8β=0.2uA

Ib=（Vcc-Vce）/R2=1.4uA在饱和工作区不满足IC=βIb且Ib>Ibs

令Ib=10Ibs

由此可得R8=510KΩR2=3MΩ

当有声音时：

灯亮，要求第一个与非门的一脚为高电平，三极管工作在放大区且输出高电平3.4V。

在麦克风两端产生一个交流信号，经过电容而将脚置成高电平，此时A为低电平，B为高电平，C为低电平，D为高电平，从而将晶闸管触发导通，灯泡点亮。

R=R6//R2算得R=35Ω

I=Ib+Vce/R算得I=20mA

满足声音传感器的额定电流I=20mA电压1~12V。

图4等效图

4.4整流电路的设计

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。

整流电路的工作原理：

 桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图5所示。

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的桥式二极管整流电路和图6的整流波形图可知：

当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。

当负半周时，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。

图5桥式二极管整流电路

图6桥式二极管整流波形图

参数计算：

二极管桥式整流电路输入、输出之间的数量关系及二极管选择的条件：

输出电压VO、输出电流IO与输入电压V2的关系：

VO=2×0.45V2=0.9V2

IO=0.9×（VO/RL）

二极管所承受的电流及耐压值

IV=IO/2=0.45×（VO/RL）

VRM=V2m

单向桥式整流电路二极管选择条件：

IVZ≥IO/2=0.45×（VO/RL）

VRM≥V2m

4.5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应该与负载串联。

经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可以滤掉一部分交流分量，改变了直流成分的比例，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去整流输出电压纹波。

电容滤波电路如图7所示。

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。

图7电容滤波电路

图8电容滤波过程

当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，二极管关断时间加长，导通角减小，见图8中的曲线；反之，RLC减少时，导通角增加。

显然当RL很小，即1L很大时，电容滤波的效果不好，见图8中的曲线。

反之，当RL很大，即1L很小时，尽管C较小，RLC仍很大，电容滤波的效果也很好，见图8中曲线。

4.6晶闸管的工作原理

晶闸管的工作原理分析：

晶闸管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图9所示。

当晶闸管的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时BG2导通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始导通，BG1导通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和导通状态。

电路很快从截止状态进入导通状态，这是栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持导通状态不变。

如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和BG2均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少，BG1和BG2的基极电流也将减少，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从导通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。

在实际应用中，我们可通过一个开关来短路晶闸管的阳极和阴极从而达到晶闸管的关断。

等效图如下：

图9晶闸管的工作原理

5总原理图

本设计声光双控电子开关的总电路图如图10所示：

图10总原理图

6元件清单

表1电路元件清单

7总结

经过这为期一周的模拟电子技术基础课程设计，在设计“声光控开关”的过程中，我终于知道了在做这样的一个课程设计的时候，应该从什么地方着手，应该怎么样构造自己的思路，怎样利用自己所学的知识来实现自己的设计方案，并通过不断的查找资料来实现他的功能。

在此过程中，不但让我体会到了设计的繁琐与艰辛，同时也让我更好的巩固了以前所学的知识。

通过本课程设计，我进一步熟悉了各元器件的工作原理及功能，比如驻极体话筒和可控硅的管脚分布、参数及工作原理，进一步掌握了原理图的设计。

在这次课程设计完毕之后，我体会颇多。

同时，在完成课程设计的过程中，培养了自己严谨的做学态度，。

所以在这次设计中我学到了很多对我的学习和成长有帮助的东西。

参考文献

1.康华光,《电子技术基础》数字部分（第五版），高等教育出版社出版，1997

2.彭介华,《电子技术课程设计指导》，高等教育出版社,2002

3.华成英,童诗白.《模拟电子技术基础》（第三版）清华大学电子学教研组编,高等教育出版社,2004

4.杨旭东,刘行景,杨兴瑶.《实用电子电路精选》.化学工业出版社,1999

5.华成英.《电子技术》北京.中央广播电视大学出版社,1996