传感器课程设计-基于压电陶瓷制作声控延时小夜灯.doc

题 目基于压电陶瓷制作声控延时小夜灯 摘要随着电力电子的蓬勃发展和迅速换代促进了压电陶瓷压电式传感器的发展,压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电陶瓷声控延时照明夜灯是采用压电陶瓷片作为声控元件，由数字集成电路和晶闸管等组成的控制电路，电路功能说明图(压电陶瓷声控延时小夜灯电路原理图)所示是光控、声控延时照明楼道灯电路。该灯白天由于光线的照射，始终处于关闭状态，一到晚上，该灯只要收到猝发声响（如脚步、击掌声等），灯就会自动点亮，延时一段时间后又会自行熄灭。这是一种十分实用的节能照明灯电路，不仅适用于住宅楼的楼道，也同样适用于其他公共照明场所。关键词：压电式传感器 晶闸管 目 录一 、设计目的1二、设计任务与要求12.1设计任务32.2设计要求4三、设计步骤及原理分析53.1设计方法103.2设计步骤113.3设计原理分析11四、课程设计小结与体会12五、参考文献13前言 当你夜晚走在大街小巷、上厕所等，是否在为找不到开关而绞尽脑汁？是的，在日常生活中我们可以发现很多时候我们需要灯的时候却没有或者不能够实现智能控制，而声控灯的设计就能够满足人们的需求。科技发展为我们带来了许多方便，同样在灯光控制方面它也给我们带来便利。公共场所照明越来越朝着智能化、人性化的方向发展。现在市场上不仅有声光控开关，还有微波感应开关和热释远红外感应开关。目前，微波感应开关的抗干扰性能尚不理想，红外感应开关在性能上较为理想，但安装复杂，价格也偏高。而声光控不仅价格低廉，安装方便，而且也能有很好的控制效果，因此声光控可以有一个很好的应用前景。本次课题设计是声光控灯控制系统设计的前身设计声控灯系统，此控制灯系统的设计采用模块化结构，主要有声控电路，延时电路等。在设计此控制系统时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、容易、条理清晰。这种设计思路可以应用于以后的大型产品设计中，团队分配工作中发挥重要作用，能够大大的降低难度也不会因为一个小模块没出来而影响总体的进度。声控灯控制系统有对声音信号进行识别并通过延时电路使灯泡亮的功能。利用3v直流稳压电源供电，用压电陶瓷片检测声音信号并通过555时基集成芯片对信号进行放大，对声音信号进行逻辑分析，rc充放电电路控制驱动灯泡。当有声音会亮，无声音则不亮，该声控灯控制系统能很好的实现设计要求，相比市场上的一些产品而言，具有成本低廉性能良好的优点。同时，为了让我们更清楚地理解怎样通过所学的知识和自己的动手实践能力来掌握对模拟电路知识的应用，为我们今后的学习奠定基础和对自己专业的深入认识，为自己步入社会做一定的基础。而且本实验着重在于对如何做到用声音来控制电路，从而将其更好的应用至我们的日常生活中来，对于我们专业而言并不是在纸上如何谈兵而需要的是实践操作能力的提升。通过一定的知识和动手能力，达到初步了解即拍延时小夜灯的原理，继而才可以再次扩宽自己的视野.241. 设计目的 了解和学习压电陶瓷声控延时照明夜灯内部元器件的组成，方案是如何设计的，了解压电陶瓷声控延时照明夜灯的工作原理.2. 设计任务及要求1.1设计任务1.夜晚听到声响时自动点亮2、具有节能优点。3、走廊声控灯白天呈关闭状态。1.2设计要求 压电陶瓷声控延时照明夜灯是采用压电陶瓷片作为声控元件，由数字集成电路和晶闸管等组成的控制电路，压电陶瓷声控延时照明夜灯的设计要求是它以拍手声作为遥控指令，拍一下手掌，照明灯就点亮；再拍一下手掌，照明灯就熄灭. 3. 设计步骤及原理分析 3.1设计方法 3.1.1本方案是在开放性实验中老师要求的一电路，就是将压电陶瓷片改成咪头（话筒），其原理大致是相同的。如图： 将两方案进行比较，其实原理都一样，只是因为希望和以前的实验有所改变，进而再了解一下不同的振荡源（发生装置）产生的效果。所以采用方案一，看看其是否能够有同样的效果。 3.1.2总体设计思路 声控灯主要是依据声控原理来设计的。利用声控电路是为了节约能源。整个电路由电声控电路、延时电路等部分组成。电源由实验提供稳压电压。通过声控电路使灯泡自动点亮，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而来实现自动控制，延时电路声音消失后延长一段光照时间。总体方框图如图3.1.1所示。 3.1.3电路各模块设计简介3.2.1 声控电路如图3.2.1声控电路为声音信号采集电路，利用压电陶瓷片在声音变化下电压发生改变的特性。当声音达到4.1khz以上的谐振频率时在out端将输出一个大于2v的高电平，当低于4.1khz或没有声音时在out端产生一个小于0.8v的低电平。 3.1.4延时电路本延时电路采用rc充放电电路作为延时部分，通过555内部结构（与非或关系）等使充电放电电路分开。这样极短的声音刺激就能实现电路的延时工作。信号由ft-27经9014单向c1充电。所以充电后555芯片的7脚电位高于1脚，3脚就输出正电位，此时输出小于2v，此时三极管vt2开启，继而vt3也导通，点亮小灯泡h。在声音信号刺激结束后，电容向电阻r3r4r5等放电，其中r3为1m电位器，使其放电时间为0s到51.7s可调。如图： 3.1.5综合控制模块的设计思路 在设计之初，首先要明确所设计电路的功能为在保证充分电的条件下还要能做到延时性、精确性好，即信号不失真。根据这一设计思路，在有声音时将产生大于2v的信号，而实际也是要求这种情况下控制灯亮。给555时基集成电路的输出端3管脚一个不大于3v的高电平信号，才能控制灯亮，而在其他情况下都将产生低电平，约接近于0v。根据这些，选择9014,9012三极管等就能达到设计要求。4.2延时控制模块原理声控夜灯的延时控制模块总体参考方案图如图4.2所示。它包括rc电路和555芯片两个个模块组成。从外界进行信号识别，从而达到灯泡发亮的功能。 3.1.6 555集成电路的框图及工作原理 电路和数字电路的混合体，如图4.3所示。555集成电路开始是作定时器应用的。但后来经过开发，它除了作定时延时控制 外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本r-s触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟 10 图4.3 555芯片内部结构555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图2(a)所示，按输入输出的排列可看成如图2(b)所示。其中6脚称阈值端(th)，是上比较器的输入；2脚称触发端(tr)，是下比较器的输入；3脚是输出端(vo)，它有o和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端(dis)，它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端(mr)，加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端(vc),可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。由于晶体三极管vt1的偏流电阻r1取值较大，所以vt1趋于截止状态，其集电极输出电压高于1/3vdd=1.0v（vdd等于电源电压，即3.0v，与之相连的时基集成电路ic的低电位触发端2脚处于高电平，单稳态电路处于稳态。电容器两端通过ic的7，1脚被ic内部导通的三极管短路，ic的3脚输出低电平，vt2，vt3均无偏流而截止，小灯泡h不发光。当在有效距离范围内拍一下手掌时，突发的声波被压电陶瓷片b接收，并转换成微弱的电信号，该信号的正半周经vt1放大后，从其集电极输出负脉冲，时基集成电路ic的2脚获得瞬间低于1/3vdd=1.0v 的低电平触发信号,使ic组成的单稳态电路受触发进入暂稳态(即延时状态),ic的3脚输出高电平,vt2获得适合的偏流而导通,vt3进入完全饱和导通状态 小灯泡通电发出亮光，随着ic的3脚变成高电平，ic内部导通的三极管截止，解除对电容器c的短路，电池gb通过电阻r3向电容器c开始充电，当c两端的充电电压（即ic的高电位触发端6脚电位）达到2/3vdd=2v时，单稳态电路翻转恢复稳态，ic内部三极管重新导通，c通过ic的7，1脚放电并被再次短路，ic的3脚重新输出低电平，导通到vt2，vt3失去偏流而截止，h断电自动熄灭。电路中，小灯泡h每次延时点亮的时间长短，取决于单稳态电路中电阻器r3，电容器c的时间常数，具体可以通过公式：t=1.1r3c 可通过一电位器来达到对延时时间的长短。在晶体三极管vt1电流放大系数，r1电阻值确定的情况下，通过改变r2的电阻值，可调整静态时ic的2脚电位高低，也就是说，通过适当调整r 2的电阻值，可以控制声控灵敏度。4.5设计方法与参数的确定ic选用静态功耗很小的cmos时基集成电路（又称“555时基集成电路），这种cmos时基集成电路的静态电流很小，而且工作电压低（实测不低于2v就能工作）。常用的普通ttl工艺生产的“555”时基集成电路，因其功耗大，要求工作电压较高，所以不适宜在本制作中使用。 vt1，vt2均选用9014（集电极允许最大电流icm=0.1a，集电极最大允许功耗pcm=310mw），要求vt1的电流放大系数200，vt2的电流放大系数100，vt3选用9012（icm=-0.5a,pcm=625mw),要求电流放大系数50。 r1-r5均选用rtx-1/8w型碳膜电阻器。c用漏电很小的优质cd11-10v型电解电容器。b用27mm压电陶瓷片ft-27，要求配上简易塑料或金属共振腔盒，当助鸣箱。h用手电筒常用的2.0v小电泡。电压用实验室的直流稳压电源3.0v. 3.2设计步骤 反相器d5和d6组成双稳态电路，它有两个稳定状态。这两个稳定状态是靠电阻器r9和r10交连获得的。电平一路经r11加到晶闸管vth的门极上，使其开通，故el通电发光；另一路经r10加到11脚，反相后10脚输出低电平，此低电平又经r9加到13脚。r9和r10交连获得的。若10脚输出高电平，12脚输出低电平，则晶闸管vth无触发信号而处于关断状态，这时照明灯el熄灭不亮。电阻器r7和r8和电容器c4和c5及二极管vd7和vd8组成引导门，其作用是将8脚输出的低电平信号（即负脉冲）每次都加到输人端为高电平的反相器d5（或d6）的输人端。假设12脚为低电平，则13脚必为高电平，12脚的低电平经电阻器r10加到11脚，反相后10脚输出高电平。此高电平又经电阻器r9加到13脚，反相后使12脚为低电平，所以这个状态是稳定的。如果这时拍一下手掌，8脚就输出一个负脉冲，因13脚为高电平，所以vd8导通，8脚输出的负脉冲就通过c5和vd8加到13脚，反相后12脚输出高电平，此高电平一路经r11加到晶闸管vth的门极上，使其开通，故el通电发光；另一路经r10加到11脚，反相后10脚输出低电平，此低电平又经r9加到13脚。所以拍手声过后，虽然8脚不再输出低电平，由于r9的祸合交连作用，故此状态就能保持下来，12脚始终输出高电平，el一直点亮发光。需要关灯时，只要再拍一下手掌，3.3设计原理分析 采用压电陶瓷片的声控照明灯电路原理图如图所示。压电陶瓷片b为换能器，它接收到拍手声波信号后就输出相应的电信号送到由反相器d1, d2和d3组成的高增益放大器进行放大，放大后信号由6脚输出，经vd6整流使反相器d4的输人端获得高电平，反相后8脚输出低电平，此低电平作为触发信号使双稳态电路发生翻转。 反相器d5和d6组成双稳态电路，它有两个稳定状态。这两个稳定状态是靠电阻器r9和r10交连获得的。若10脚输出高电平，12脚输出低电平，则晶闸管vth无触发信号而处于关断状态，这时照明灯el熄灭不亮。电阻器r7和r8和电容器c4和c5及二极管vd7和vd8组成引导门，其作用是将8脚输出的低电平信号（即负脉冲）每次都加到输人端为高电平的反相器d5（或d6）的输人端。假设12脚为低电平，则13脚必为高电平，12脚的低电平经电阻器r10加到11脚，反相后10脚输出高电平。此高电平又经电阻器r9加到13脚，反相后使12脚为低电平，所以这个状态是稳定的。如果这时拍一下手掌，8脚就输出一个负脉冲，因13脚为高电平，所以vd8导通，8脚输出的负脉冲就通过c5和vd8加到13脚，反相后12脚输出高电平，此高电平一路经r11加到晶闸管vth的门极上，使其开通，故el通电发光；另一路经r10加到11脚，反相后10脚输出低电平，此低电平又经r9加到13脚。所以拍手声过后，虽然8脚不再输出低电平，由于r9的祸合交连作用，故此状态就能保持下来，12脚始终输出高电平，el一直点亮发光。需要关灯时，只要再拍一下手掌，8脚又输出一个负脉冲，此负脉冲将通过c4和vd7加到11脚，使双稳态电路发生一次翻转，这时12脚恢复低电平，vth失去触发电压，当交流电过零时即关断，el熄灭。 vd1一vd4接成桥式整流电路，它和vth组成el的供电主回路。vd5、r1和cl组成半波降压整流电路，它与r3、r4和rp又构成分压器，输出约为4v的直流电供集成电路ic使用。 ic选用一块cd4069六反相器数字集成电路，它的六个反相器全部可用上。vth选用普通小型塑料封装单向晶闸管，如mcr100-8型ia/600v的晶闸管。vd1一vd5用1 n4004型或1n4007型硅整流二极管；vd6一vd8用1n4148型硅开关二极管。rp选用wsw型有机实心微调电位器，其余电阻全部采用rtx-1/8w碳膜电阻器；c1采用cd11-10v型电解电容器，其余电容用ctl型陶瓷介质电容器；b用27mm的普通压电陶瓷片，如ft-27、htd27a-1等型号。4.课程设计小结与体会 1.设计初期要考虑周到，否则后期改进很困难。应该在初期就多思考几个问题，进行详细了解，选择最合适的方法动手设计。总体设计原理在整个设计过程中非常重要，应该充分了解电路的原理。2.设计时，多使用已学的方法，要整体考虑，不可看一步，做一步。在整体设计都正确后，再寻求简化的方法。3.在设计某些模块的时候无法把握住整体，这时可以先进行小部分功能