声光控灯课程设计.doc

第一章 系统概论1.1系统的功能夜间通常要在黑暗的现场设置警示提示灯具，用来提醒过往的人员，以防止夜晚过往人员。为了提高警示提示效果、节省电能和方便使用，警示灯最好采用自动控制方式即声音和光线。本文介绍的警示灯控制的电路就具备了声控和光控两种功能。声光控路灯控制器可以自动实现白天光线较暗和晚上遇到声响时，灯自动点亮，从而实现人来灯亮，人走灯灭，既方便又实用。不仅节约了电能，而且能延长灯泡使用寿命。可广泛应用于楼梯，走廊，卫生间及生活小区等公共场所的照明控制。此控制器经济实用，即使一般的脚步声也能出灯泡发光照明好。（1）具有光控功能，白天光线较亮，即使有声音路灯也不亮，光线较暗，有声时灯点亮。（2）具有声控功能，晚上光线较暗，有声音时路灯点亮，保持一段时间自动灭掉。 本次课程设计是我第一次用带焊点的面包板，第一次焊元器件，可能有不完美的地方，希望老师和同学们给予批评和指正。1.2系统的组成 本系统主要有三个大模块组成。NE555组成的延时电路，LM358组成的反馈和放大电路，74LS122组成的第二章设计方案论证2.1 电路原理图 2.2工具和元器件的选择 工具：万用表DT-9208一台，拔线钳子一把，镊子一把，导线若干，电烙铁一把。 元器件：10K电阻一个，4.7K电阻五个，330一个电阻，150K一个电阻，10uF电容一个，470uF电容一个，发光二极管一只，光敏二极管一只，NE555集成块一块，LM358据此快一块，74LS122集成块一块，驻极体话筒，面包板一个。 第三章 元器件介绍3.1 LM358简介概述：LM358内部包括有两个独立的，高增益，内部频率补偿的双运放大器。适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也使用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流于电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器，直流增益模块和其他说有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。特性：内部频率补偿直流电压增益高（约100dB）单位增益频带宽（约1MHz）电源电压范围宽：单电源(3一 30V)；双电源（1.5V 一15V）低功耗电流，适用于电池供电低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围输出电压摆幅大（0一 Vcc）引脚排列图：3.2 NE555简介 NE555 (Timer IC)大约在1971由Signetics Corporation发布，在当时是唯一非常快速且商业化的Timer IC，在往后的30非常普遍被使用，且延伸出许多的应用电，尽管近CMOS技术版本的Timer IC如MOTOROLA的MC1455已被大的使用，但原规格的NE555依然正常的在市场上供应，尽管新版IC在功能上有部份的改善，但其脚位劲能并没变化，所以到目前可直接的代用。NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。555时基电路的工作过程如下：当2脚，即比较器A2的反相输入端加进电位低于VDD的触发信号时，则VT9、VTll导通，给双稳态触发器中的VTl4提供一偏流，使VTl4饱和导通，它的饱和压降Vces箝制VTl5的基极处于低电平，使VTl5截止，VTl7饱和，从而使 VTl8截止，VTl9导通，VT20完全饱和导通，VT21截止。因此，输出端3脚输出高电平。此时，不管6端(阈值电压)为何种电平，由于双稳态触发器(VTl4-VTl7)中的47k电阻的正反馈作用(VTl5的基极电流是通过该电阻提供的)，3脚输出高电平状态一直保持到6脚出现高于VDD 的电平为止。当触发信号消失后，即比较器A2反相输入端2脚的电位高于VDD，则VT9、VTll截止，VTl4因无偏流而截止，此时若6脚无触发输入，则VTl7的Vces饱和压降通过4.7k电阻维持VTl3截止，使VTl7饱和稳态不变，故输出端3脚仍维持高电平。同时，VTl8的截止使 VT6也截止。当触发信号加到6脚时，且电位高于VDD时，则VTl、VT2、VT3皆导通。此时，若2脚无外加触发信号使VT9、VTl4截止，则 VT3的集电极电流供给VTl5偏流，使该级饱和导通，导致VTl7截止，进而VTl8导通，VTl9、VT2。都截止，VT21饱和导通，故3脚输出低电平。当6脚的触发信号消失后，即该脚电位降至低于VDD时，则VTl、VT2、VT3皆截止，使VTl5得不到偏流。此时，若2脚仍无触发信号，则 VTl5通过4.7k电阻得到偏流，使VTl5维持饱和导通，VTl7截止的稳态，使3脚输出端维持在低电平状态。同时，VTl8的导通，使放电级 VT6饱和导通。通过上面两种状态的分析，可以发现：只要2脚的电位低于VDD，即有触发信号加入时，必使输出端3脚为高电平；而当6脚的电位高于 VDD时，即有触发信号加进时，且同时2脚的电位高于VDD时，才能使输出端3脚有低电平输出。4脚为复位端。当在该脚加有触发信号，即其电位低于导通的饱和压降0.3V时，VT8导通，其发射极电位低于lV，因有D3接入，VTl7为截止状态，VTl8、VT21饱和导通，输出端3脚为低电平。此时，不管2脚、6脚为何电位，均不能改变这种状态。因VT8的发射极通过D3及VTl7的发射极到地，故VT8的发射极电位任何情况下不会比1.4V电压高。因此，当复位端4脚电位高于1.4V时，VT8处于反偏状态而不起作用，也就是说，此时输出端3脚的电平只取决于2脚、6脚的电位。 根据上面的分析，CA555时基电路的内部等效电路可简化为如图所示的等效功能电路。显然，555电路(或者专556电路)内含两个比较器A1和A2、一个触发器、一个驱动器和一个放电晶体管。两个比较器分别被电阻R1、R2和R3构成的分压器设定的VDD和VDD。参考电压所限定。为进一步理解其电路功能，并灵活应用555集成块，下面简要说明其作用机理。从图15可见，三个5k电阻组成的分压器，使内部的两个比较器构成一个电平触发器，上触发电平为VDD，下触发电平为VDD。在5脚控制端外接一个参考电源Vc，可以改变上、下触发电平值。比较器Al的输出同或非门l的输入端相接，比较器A2 的输出端接到或非门2的输入端。由于由两个或非门组成的RS触发器必须用负极极性信号触发，因此，加到比较器Al同相端6脚的触发信号，只有当电位高于反相端5脚的电位时，RS触发器才翻转；而加到比较器A2反相端2脚的触发信号，只有当电位低于A2同相端的电位VDD时，RS触发器才翻转。NE555的特点有： 1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。 2.它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑闸配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。 3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。 4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。 参数功能特性： 供应电压4.5-18V 供应电3-6 mA 输出电225mA (max) 3.3 发光二极管简介 发光二极管（LED）：是用半导体材料制作的正向偏置的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流时，注入的非平衡载流子（电子空穴对）在扩散过程中复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。按光输出的位置不同，发光二极管可分为面发射型和边发射型。我们最常用的LED是 InGaAsP/InP双异质结边发光二极管。 发光二极管具有可靠性较高，室温下连续工作时间长、光功率电流线性度好等显著优点，而且由于此项技术已经发展得比较成熟，所以其价格非常便宜。因此在一些简易的光纤传感器的设计中，如果LED能够胜任，选用它作为光源即可大大降低整个传感器的成本。然而LED的发光机理决定了它存在着很多的不足，如输出功率小、发射角大、谱线宽、响应速度低等。因此，在一些需要功率高、调制速率快、单色性好的光源的传感器设计中，就不得不以提高成本为代价，选用其它更高性能的光源。3.4 驻极体话筒简介概述：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。 构造与原理：驻极体话筒由声电转换和阻抗变换两部分组成。声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜。然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷。膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容。当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压。驻极体膜片与金属极板之间的电容量比较小，一般为几十pF。因而它的输出阻抗值很高(Xc12tfc)，约几十兆欧以上。这样高的阻抗是不能直接与音频放大器相匹配的。所以在话筒内接入一只结型场效应晶体三极管来进行阻抗变换。场效应管的特点是输入阻抗极高、噪声系数低。普通场效应管有源极(S)、栅极(G)和漏极(D)三个极。这里使用的是在内部源极和栅极间再复合一只二极管的专用场效应管。接二极管的目的是在场效应管受强信号冲击时起保护作用。场效应管的栅极接金属极板。这样，驻极体话筒的输出线便有三根。即源极S，一般用蓝色塑线，漏极D，一般用红色塑料线和连接金属外壳的编织屏蔽线。驻极体话筒与电路的接法有两种：源极输出与漏极输出。源极输出类似晶体三极管的射极输出。需用三根引出线。漏极D接电源正极。源极S与地之间接一电阻Rs来提供源极电压，信号由源极经电容C输出。编织线接地起屏蔽作用。源极输出的输出阻抗小于2k，电路比较稳定，动态范围大。但输出信号比漏极输出小。漏极输出类似晶体三极管的共发射极放入。只需两根引出线。漏极D与电源正极间接一漏极电阻RD，信号由漏极D经电容C输出。源极S与编织线一起接地。漏极输出有电压增益，因而话筒灵敏度比源极输出时要高，但电路动态范围略小。Rs和RD的大小要根据电源电压大小来决定。一般可在2251k间选用。例如电源电压为6V时，Rs为47k，RD为2。2k。图3输出电路中，若电源为正极接地时，只须将D、S对换一下，仍可成为源、漏极输出。一声控电路前置放大级中驻极体话筒的源极输出和漏极输出的两种不同的接法，最后要说明一点，不管是源极输出或漏极输出，驻极体话筒必须提供直流电压才能工作，因为它内部装有场效应管。 驻极体话筒极性的判别：关于驻极体电容式话筒的检测方法是：首先检查引脚有无断线情况，然后检测驻极体电容式话筒。驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好，价格低廉，应用非常广泛。驻极体话筒的内部结构如图所示。由声电转换系统和场效应管两部分组成。它的电路的接法有两种：源极输出和漏极输出。源极输出有三根引出线，漏极D接电源正极，源极S经电阻接地，再经一电容作信号输出；漏极输出有两根引出线，漏极D经一电阻接至电源正极，再经一电容作信号输出，源极S直接接地。所以，在使用驻极体话筒之前首先要对其进行极性的判别。在场效应管的栅极与源极之间接有一只二极管，因而可利用二极管的正反向电阻特性来判别驻极体话筒的漏极D和源极S。将万用表拨至R1k档，黑表笔接任一极，红表笔接另一极。再对调两表笔，比较两次测量结果，阻值较小时，黑表笔接的是源极，红表笔接的是漏极。 编辑本段驻极体话筒灵敏度检测：在收录机、电话机等电器中广泛应用的驻极体话筒，其灵敏度直接影响送话和录放效果。这类话筒灵敏度的高低可用万用表进行简单测试。将万用表拨至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。对于三根引脚驻极体电容式话筒检测方法同上，只是黑表棒接输出引脚2脚，红表棒接引脚3脚。 高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化。我们知道电容上电荷的公式是QCV，反之VQ/C也是成立的。驻极体总的电荷量是不变，当极板在声波压力下后退时，电容量减小，电容两极间的电压就会成反比的升高，反之电容量增加时电容两极间的电压就会成反比的降低。最后再通过阻抗非常高的场效应将电容两端的电压取出来，同时进行放大，我们就可以得到和声音对应的电压了。由于场效应管时有源器件，需要一定的偏置和电流才可以工作在放大状态，因此，驻极体话筒都要加一个直流偏置才能工作3.5光敏电阻器简介光敏电阻器（photovaristor）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。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。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（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。一般光敏电阻器结构如图所示。 工作原理：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。 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。 分类：根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅。锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。 主要参数：光敏电阻的主要参数有亮电阻，暗电阻，光电特性 光谱特性，频率特性，温度特性。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。没有极性，纯粹是个电阻期间，使用时可加直流也可以加交流 制作材料：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。光敏电阻的原理结构如图2.6.1所示。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。3.6 74LS122简介74LS122可重触发单稳态触发器（有擦除端）。简要说明：122为可以重触发的单稳态触发器，共有54/74122和54/74LS122两种线路结构形式，其主要电特性的典型值如下 型号输出脉冲宽度PdCT54122/CT7412245ns-115mWCT54LS122/CT74LS122116ns-60mW 122的输出脉冲宽度可由三种方法控制。一是通过选择外定的元件和R值来确定脉冲宽度，由于122有内定时电阻Rint，故必要时可只接Cent。二是通过正触发输入端（B）或负触发输入端（A）的重触发延长，三是通过清除（CLK）的清除缩小。 管脚图：引出端符号： Cext 外接电容端 Q 正脉冲输出端 /Q 负脉冲输出端 Rext Cent 直接电容，电阻端 /CLK 直接清除端（低电平有效） Rint 内电阻端 A1，A2 副触发输入端 B1，B2 正触发输入端逻辑图：第四章 电路的安装与调试4.1 电路的安装首先估计一下各个元器件的大概位置。哪里放ne555，哪里该接地等。然后就是把元器件的插座插到面包板上，不要放集成块。以免焊线时把集成块烧坏。把各个电阻电容放好，在板子的后面把该焊的地方焊上，该断开的地方一定不能短接。焊的时候一定注意好位置，不要把旁边的导线或者电阻一起焊上，以免短接。焊锡尽量少用，焊牢固就行，一个焊点最多停留三秒，以免烧坏元器件。最好设计出的电路美观大方，焊点富有光泽，圆滑。把所有的电源连接到一起，把所有的地都接到一起。一定要看好电路走向。4.2 电路的调试 电路安装后，Vcc接电源的+5V，GND接电源上的负极或者地。把光敏电阻用手挡住，在麦克风旁边发声音。放光二极管就会亮两到三秒钟。但是我们的灯一直都不亮，仔细检查急了连三遍都正确。最后发现是电容正负极接错了。真是太大意了！把焊点融化后，把正负极调换后在焊上。接通电源，还是不亮，问题究竟在哪里呢？对照电路图反复检查，电路没问题。把万用表调到二极管档，测量每个焊点，是否有漏焊的地方，也是没有问题，各个集成块也都通了电源，也都接地了，为什么就是不亮呢？可能是集成块本身就是坏的，和同学换了试试，还是不亮。反反复复检查了四五遍，一点问题也没有，和我一组的同学都很是郁闷。我拿着板子又检查了一遍，一点问题也没有。无意间看了看电源，一直在4.8V左右，是不是不够