光电式电子蜡烛课程设计说明书.docx

模拟电子技术课程设计说明书 光电式电子蜡烛 院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名： 指导教师： 职称 副教授 专 业： 电子信息工程 班 级： 学 号： 完成时间： 2016年6月 模拟电子技术课程设计任务书学院：电气与信息工程学院适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程指导教师学生姓名课题名称光电式电子蜡烛内容及任务一、设计任务 设计一个光电式电子蜡烛;实现火柴或打火机照亮下，发光二极管发光,采用吹气开关实现发光二极管停止发光，并关停音乐。二、设计内容1、电路设计方案比较；2、电路参数分析计算和选择；3、 单元电路设计并进行分析；4、实物制作；5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；6、撰写设计报告。拟达到的要求或技术指标一、基本要求与指标1、采用光敏管在使用火柴或打火机照亮下使发光管发光作为蜡烛；2、通过时基集成电路、继电器和吹气开关实现对发光管的控制；二、扩展要求与指标 发光的同时，实现播放音乐； 进度安排起止日期工作内容2016.6.106.15下达任务书；针对课题任务书，收集资料；2016.6.166.18针对课题任务，进行电路设计与仿真；2016.6.196.20进行电路制作与调试；2016.6.216.22进行说明书书写；2016.6.23实物答辩与说明书收集。主要参考资料1.王振宇，李香萍，沈燕.实验电子技术.北京：电子工业出版社，2004。2胡宴如，耿苏燕。模拟电子技术（第二版）.北京：高等教育出版社，2005.3熊幸明，王新辉，曹才开.电工电子技能训练.北京：电子工业出版社，2004.4金惠幼.电子电路.北京：人民邮电出版社.1986.指导教师意见签名：年 月 日教研室意见签名：年 月 日模拟电子技术课程设计任务书学院：电气与信息工程学院 适应专业：自动化、电气工程及其自动化、通信工程、电子信息工程 指导教师学生姓名课题名称直流稳压电源内容及任务一、设计任务设计一个直流稳压电源，当输入为有效值220V的交流电压时，能产生12V、9V 、5V三组直流电压输出。二、设计内容1、电路设计方案比较；2、电路参数分析计算和选择；3、 单元电路设计并进行分析；4、实物制作；5、系统调试（使用的仪器、测试数据表）；6、撰写设计报告。拟达到的要求或技术指标1、 设计要求及技术指标1、要求输入电压为有效值220V、50HZ的市电交流电压，电源输出电压为12V、9V 、5V。2、最大输出电流为Iomax=500mA，纹波电压VOP-P5mV，稳压系数Sr5%。二、扩展要求与指标1、能显示电源输出电压值，00.0-12.0V； 2、要求有短路过载保护。进度安排起止日期工作内容2016.6.106.15下达任务书；针对课题任务书，收集资料；2016.6.166.18针对课题任务，进行电路设计与仿真；2016.6.196.20进行电路制作与调试；2016.6.216.22进行说明书书写；2016.6.23实物答辩与说明书收集。主要参考资料1阎石.数学电子技术基础.第五版.北京：高等教育出版社，2006.489497 2康华光.电子技术基础模拟部分.第五版.北京：高等教育出版社，2006.116126;485516 3郭培源.电子电路及电子器件.北京：高等教育出版社，2000.286413 4谢自美.电子线路设计.武汉：华中理工大学出版社，1994.149226 5熊幸明，王新辉，曹才开.电工电子实训教程.北京：清华大学出版社，2007.283300指导教师意见签名：年 月 日教研室意见签名：年 月 日 摘 要本次模电课程设计课题是光电式电子蜡烛，光电式电子蜡烛是一个模拟真实蜡烛的实验产品，传统蜡烛有各种缺陷，对大气造成污染且容易引起火灾，光电式电子蜡烛用电路来实现蜡烛的功能，利用火柴来点燃蜡烛，用嘴吹灭蜡烛，实现了无污染，无危害，而且随时可以开关，不会造成浪费。设计的系统主要由传感器、放大电路、比较电路，驱动电路等模块组成，由光照光敏电阻仿真点蜡烛，风吹驻极体仿真吹蜡烛。在软件设计上引入了状态机的思想，使程序结构清晰化。电子蜡烛的工作原理，采用光敏管用火柴照亮下使发光管发光作为蜡烛，通过时基集成电路，继电器和吹气开关实现对发光管的控制，设计电路，选取元件并制作出器件，实现电子蜡烛功能。 关键词：继电器；吹气；光敏电阻目 录1 概述 1 2 设计方案的论证 22.1 设计方案的比较 2 2.2 设计方案的选择 23 电路的设计 3 3.1 总电路原理分析 3 3.2 元器件的选择 33.3 直流稳压电源的设计 53.3.1 变压电路的选择 5 3.3.2 整流电路的选择 5 3.3.3 滤波电路的选择 6 3.3.4 稳压电路的选择 94 电路的制作与调试 7 4.1 电路原理图 74.2 电路仿真与调试 8 4.2.1 电路仿真 8 4.2.2 电路的调试 9 4.3 直流稳压电源的调试 105 设计总结与体会 11参考文献 12致谢 13附录一元件清单 14附录二电路原理图 16附录三电路PCB图 17 附录四实物图 181 概述原始时代的火把是蜡烛的起源。那时候原始人把脂肪或者蜡一类的东西涂在树皮或木片上，捆扎在一起，做成了照明用的火把。公元前3世纪左右出现的蜜蜡就是我们今天所见的蜡烛的雏形。 1820年，法国人强巴歇列发明了三根棉线编成的烛心，使烛心燃烧时自然松开，末端正好翘到火焰外侧，因而可以完全燃烧。但蜡烛还有待进一步完善，它的材料一般是有许多缺点的动物油脂，解决这一难题的是舍未勒尔等人。1809年6月至7月间，法国科家舍夫勒收到一家纺织厂的来信，请他分析、确定他们寄来的一个软皂样品的成份。在仪器设备非常简单、朴素的学校实验，他研究了皂化过程中需要使用的各种油脂。经过大量实验，他第一次发现了这样的事实：在一切油脂中，不论其来源如何，脂肪酸的含量均占95%，其余的5%则是皂化过程中生成的甘油。 通过研究他搞清了皂化过程的本质，同时他还有一项重大的发现：当时用油脂做成的蜡烛，由于里面有甘油，燃烧时火焰带烟，气味难闻。若改用硬脂酸做成蜡烛，燃烧时不仅火焰明亮，而且几乎没有黑烟， 不污染空气。 舍夫勒尔把他的发现告诉盖一吕萨克，并建议两人共同研究如何具体解决这个问题。他们用强碱把油脂皂化，再把得到的肥皂用盐酸分解，担取出硬脂酸。这是一种白色物质，手摸着有油腻感，用它制成的蜡烛质地很软，价钱更加便宜。 1825年，舍夫勒尔用硬脂酸制成石蜡硬脂蜡烛，在人类照明史上开了一个新纪元。 现在，各种材料的工艺蜡烛已经成为销售的主流，透明的果冻蜡，各种颜色、各种形状、各种功能的艺术蜡烛更是层出不穷，相信以后随着各种技术的不断提高和各种蜡烛原材料的普及使用，艺术蜡烛定会发展到一个相当高的阶段。到那时，蜡烛不再仅仅是简单的照明，而是融合了浪漫、艺术、养生、欣赏、照明、宗教等等各种功能走入我们平常的生活之中。2 设计方案的论证2.1 设计方案的比较 (1) 音乐存储设计方案按任务要求，一次生日快乐歌和鼓掌声的执行时间需要约20秒；语音芯片有20秒语音录放电路；此外，有模拟处理存储方式，使录放音质保真性较高，抑制背景噪音能力强，且断电后语音内容不丢失。(2) 仿真点亮的方案选取方案一：传感器采用光敏电阻。该方式采用非接触式仿真，通过光线的亮暗控制仿真蜡烛与语音芯片。该方式优点是触发点亮动作较简单；缺点为光线太亮会触发动作，即点亮蜡烛。方案二：传感器采用热敏电阻。利用热敏电阻的阻值随温度变化的原理，可采用热敏电阻仿真点蜡烛的过程。其优点为仿真点蜡烛的动作逼真，信号检测稳定；缺点是火焰直接接触传感器，传感器易于损毁。经过方案比较，权衡其优缺点，采用光敏电阻通过照亮的方式仿真蜡烛点亮。2.2 设计方案的选择仿真吹熄的方案选取 方案一：传感器采用驻极体MIC，信号放大电路采用三极管或场效应管，该方式的优点是原理清晰，结构简单；缺点是构成比较电路需要的元器件较多，故其成本较高，且三极管的稳定性不好，其性能会随温度的变化而发生改变； 方案二：传感器采用驻极体MIC，信号放大电路采用运算放大器，由运放构成比较电路比较简单，该方式的优点是稳定性好，多运放的集成电路中多余的运放可应用于其它的用途，因此，在电路系统设计中可降低成本；其不足之处在于不能够改变内部电路，设计不够灵活。 经过方案比较，采用对驻极体吹气仿真蜡烛吹熄，放大电路采用三极管的设计。3 电路的设计3.1 总电路原理分析整个电路由直流稳压电源的+5V插口供电，接通电源后，用打火机向光敏电阻光照，其电阻会减少，使发光二极管发光，即点亮蜡烛。当要熄灭蜡烛时，向MIC吹气，使得放大器的电压增加。发光二极管熄灭，即实现了灯的关闭。照明电路也就是电路中的蜡烛由1个发光二极管构成并带有1个10k的电阻保护发光二极。在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。3.2 元器件的选择1、光敏电阻光敏电阻是采用半导体材料制作，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。 它的工作原理是：用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，然后接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。 在光敏电阻两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。2、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。将模拟式万用表拨至R100档，两表笔分别接话筒两电极（注意不能错接到话筒的接地极），待万用表显示一定读数后，用嘴对准话筒轻轻吹气（吹气速度慢而均匀），边吹气边观察表针的摆动幅度。吹气瞬间表针摆动幅度越大，话筒灵敏度就越高，送话、录音效果就越好。若摆动幅度不大（微动）或根本不摆动，说明此话筒性能差，不宜应用。3、三极管的识别三极管，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管，晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件。其作用是把微弱信号放大成幅值较大的电信号,也用作无触点开关，俗称开关管。套件中使用的是PNP型的三极管9012、NPN型的三极管9013，9014。当把有字的面向自己，引脚朝下，总左往右排列是发射极E，基极B，集电极C。如图1所示。 图1 三极管的引脚图晶体三极管具有电流放大作用，其实质是三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量。这是三极管最基本的和最重要的特性。我们将Ic/Ib的比值称为晶体三极管的电流放大倍数，用符号“”表示。电流放大倍数对于某一只三极管来说是一个定值，但随着三极管工作时基极电流的变化也会有一定的改变。3.3直流稳压电源的设计直流稳压电源主要是由降压部分，整流电路，滤波电路和稳压电路四个部分所组成，其原理框图及各部分输出波形如图2所示。图2 直流稳压电源原理图 设计的稳压电源的要求是当输入为有效值220V的交流电压时，能产生12V、9V 、5V三组直流电压输出，最大输出电流为I0max=500mA。3.3.1变压电路的选择设计使用的降压电路是双15V交流变压器，其波形变化如图3所示。 图3 变压器波形变换3.3.2整流电路的选择 整流电路的作用是把经过变压器降压过后的交流电通过整流，变成单向的脉动直流电，主要是通过二极管或者集成的整流桥完成的。KBL406整流桥的最大反向电压是560V，是比较常用的整流桥堆。设计选择的是KBL406整流桥堆，整流电路的波形变换图如图4所示。 图4 整流电路波形变换图3.3.3 滤波电路的选择 经过整流电路之后，得到的是波动较大的脉动直流电，并不能够完全的滤除交流部分，所以还不能够作为直流稳压电源使用。滤波电路的作用就是将其中的交流成分滤除掉。在小型的整流滤波电路中，电容滤波电路是最常使用的一种滤波电路。电容有一定的储能作用。并联的电容器在电源供给的电压升高的时候，可以把部分能量储存起来，当电源电压降低的时候，可以把这部分的能量释放出来。可以使负载电压曲线变得平滑，效果也会比较好。根据滤波电容公式： (2) (3) (4)其中：T为交流电压的周期，T=0.02s,设计要求的=500mA，代入（4）式，求得=33，再带入（2）式，求出C=1515uf。实际选择的时候。滤波电容应该适当取大。所以选择的是4700uf的电解电容。通常三端稳压器需要接去耦电容和旁路电容。可以防止产生振荡，进一步抑制纹波，提升直流稳压电源的稳压效果。通常使用的去耦电容是104的瓷片电容，旁路电容一般是220uf的电解电容。3.3.4稳压电路的选择 因为设计要求的输出电压为正负12V，正3.3伏和正负5伏，因此使用的三端稳压器型号分别是LM7812，LM1117，LM7805，LM7912，LM7905六种三端稳压器，可以满足设计要求。4 电路的制作与调试4.1 电路原理图当光照射到光敏电阻R8时，光敏电阻的阻值减小，产生低电平，Q5导通，LED发光，音乐芯片唱起生日歌，当对着驻极体话筒MIC吹气，经过Q1，Q2，Q3的级级放大，产生高电平，Q5截止，所以LED灯熄灭，音乐停止。其中用到了三极管S9012,S9013,S9014,光敏电阻，音乐芯片，LED灯，电容，电阻组成了电路原理图，图5为电路原理图。图5 电路原理图4.2 电路仿真与调试4.2.1 电路仿真图6表示光电式蜡烛Multisim仿真图如下所示。当光敏电阻阻值减小，则将电路闭合，LED1点亮，测试图如图7所示。 图6 光电式电子蜡烛调试 图7 光电式电子蜡烛点燃测试图 图8 光电式电子蜡烛熄灭测试图图8表示电子蜡烛熄灭图，当电位器断开时，LED灯熄灭。4.2.2 电路的调试电路中采用三极管S9012,S9013,S9014，驻极体话筒，光敏电阻，usb插口或直流稳压电源。当光照到光敏电阻，电阻阻值减小，LED灯亮，音乐芯片唱起生日歌，当对着驻极体话筒MIC吹气，经过Q1，Q2，Q3的级级放大，产生高电平，Q5截止，所以LED灯熄灭，音乐停止。电路调试图如图9,10所示。灯亮的图如图9所示，灯灭的图如图10所示。 图9 电子蜡烛点燃图 图10 电子蜡烛吹灭的图4.3直流稳压电源的调试 设计的直流稳压电源有6种不同的电压输出，分别是正负12伏，正负9伏和正负5伏。经过实际的输出电压的测量，测出输出电压为：12.01V，9.03V，4.99V，-12.04V，-8.99V，-5.02V，和理论的输出电压相比，误差不大，在可以接受的范围内。直流稳压电源输出电压如图表1所示。 表1 直流稳压电源输出电压表理论输出电压实际输出电压12V12.01V3.3V3.03V5V4.99V-12V-12.04V-5V-5.02V5 设计总结与体会我们的课程设计课题是光电式电子蜡烛的设计与制作，经过几个星期的思考和准备，通过对课题的设计，大大提高了自己各方面的能力，例如对书本基础知识的理解和掌握程度，对资料的查找方法，对自己知识面的扩展和提高。但这其中，也有迷茫和不知所措的时候，要多问一些有经验的学长或者是老师，把一些不懂的问题搞懂。在设计课题时资料收集花费了大量的时间，采集的资料不能从头到尾的抄袭，而要取其所需，找到自己需要的材料才能应用，而后在其中加入自己的思想，组织整理，渐渐有了头绪。万事开头难，只要把原理图做好，后面就顺利多了。接下来就是元件的购买，假如元件没有的话，就要改原理图。经过不断的创新和修改，终于看了成果。尽管，还有很多不足和欠缺的地方，但是经过这次课程设计，我们学到了合作的快乐，还有学习的乐趣。也让我们学会了怎样去面对制作过程中遇到的困难，怎么去解决，让我学会了思考。让我们在设计的同时也温习了一些书本上的定理，亲身体会其制作的艰难路程，也为我以后的学习打下了结实的基础。我们也坚信，以后的设计会越来越好的。经过这段课程设计的日子，我发现不管是学习哪种软件，都给我留下了很深的印象。由于没有接触，开始学得很费力，但到后来就好了。在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是问别人，因为每个人掌握情况不一样，不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。参考文献1.王振宇，李香萍，沈燕.实验电子技术.北京：电子工业出版社，2004。2胡宴如，耿苏燕。模拟电子技术（第二版）.北京：高等教育出版社，2005.3熊幸明，王新辉，曹才开.电工电子技能训练.北京：电子工业出版社，2004.4金惠幼.电子电路.北京：人民邮电出版社.1986.5康华光.电子技术基础（模拟部分）.第四版.北京：高等教育出版社，1999.6郭培源.电子电路及电子器件.北京：高等教育出版社，2000.7章忠全.电子技术基础实验与课程设计.北京：中国电子出版社，1999.8刘润华.现代电子系统设计.山东东营：石油大学出版社，1998.9谢自美.电子线路设计.武汉：华中理工大学出版社，1994.10周政新.电子设计自动化实践与训练.北京中国民航出版社，1998 致 谢本课程设计是在雷老师精心指导和大力支持下完成的。本课题在选题及设计过程中得到雷老师的悉心指导。她多次为我指点迷津，帮助我开拓设计思路，精心点拨、热忱鼓励。她渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。通过这次课程设计我从雷老师那学到不少有用的知识，也积累了一定的项目开发经验。本课程设计通过两周的设计与开发已基本完成，实现了光电式电子蜡烛的基本功能。同时还要感谢同组成员以及同班同学的帮助，如果没有他们的帮助，我一个人是很难完成此次课程设计的。附录一 元件清单 表2 光电式电子蜡烛元器件清单名称型号数目备注电阻1k若干电阻10k若干电阻100k若干电容10uf若干电容10pf若干排针若干光敏电阻1三极管S9012 S9013 S90145LED1二极管IN41481音乐芯片一片驻极体话筒1USB插口1表3 直流稳压电源元器件清单序号名称型号与规格数量备注1变压器E148*24 50/60Hz1个2整流桥GBU 4061个3电容2700uf2个4电容220uf6个5电容10nf8个6LED6个7六角开关1个8稳压器L7812、L7912、L7809、L7909、L7805、L7905各1片9排针1排10电源线1条附录二 电路原理图图11 光电式电子蜡烛原理图图12 直流稳压电源原