专业基础课程设计要求

电子信息工程《专业基础课程设计》研究报告声光控节能灯的设计中国•大庆2015年6月信息技术学院课程设计任务书二、课程设计工作日自 年 月 日至 年 月 日三、 课程设计进行地点： 四、 程设计任务要求：（详细内容见课程设计文档）课题来源:目的意义:基本要求:课程设计评审表目录设计任务要求…………………….………方案比较………….………3单元电路设计 4元件选择（要求计算元件参数） 5整体电路（标出原元件型号和参数、画出必要波形图） 6说明电路工作原理 困难问题及解决措施…………….……总结与体会……………….致谢……………….………参考文献……….………题目：声光控节能灯的设计要求：节能灯在白天或光线较亮时，节能灯呈关闭状态，灯不亮，夜间或光线较暗时，节能灯开关呈预备工作状态。当有人经过该开关附近时，脚步声等把开关启动，灯亮，延时40~50秒后节电开关自动关闭、灯灭。整个电路采用分立元器件或者数字集成电路组成。规定：设计硬件线路，用protel画图。按单元电路详细说明硬件线路设计思路，元件参数，选取根据。附详细的元件清单。总结设计过程和设计体会。完成时间：3周。1.设计任务要求节能灯在白天或光线较亮时，节能灯呈关闭状态，灯不亮，夜间或光线较暗时，节能灯开关呈预备工作状态。当有人经过该开关附近时，脚步声等把开关启动，灯亮，延时40~50秒后节电开关自动关闭、灯灭。整个电路采用分立元器件或者数字集成电路组成。2.方案比较2.1方案（一）：如图所示是采用LM324运算放大器制作而成的声、光控楼梯走道延迟照明开关，它采用二线制接法，可以直接取代普通照明开关，而不必更改室内原有布线。该设计声光控节能灯电路由拾音乐电路、放大电路、声控电路、光控电路、逻辑电平反转及触发电路、延时电路及电源电路等部分组成。其中四只电压比较器的运放Al〜A4采用一块单电源四运放集成电路LM324,运算放大器LM324是整个电路的核心部分，其中的A1和A2组成了两级同相比例放大器，作用是将MIC输出的微弱信号进行放大，A3、A4是两个电压比较器，分别控制光信号和声音信号。最后通过A4的比较输出来控制可控硅的导通，进而控制灯的亮灭。其他元件如图所示，无特殊要求。光控部分：当白天光比较强的时候，光敏电阻的阻值较小，运放A3组成的比较器的9脚（反向端）的电位升高，高于其基准电压（比较器的l0脚），此时比较器输出低电平，二极管VDl截止，光控电路输出的信号被封锁，此时无论有无声音信号，晶闸管都不会导通，灯都不会亮。而当夜晚光比较弱的时候，光敏电阻的阻值增大，运放A3组成的比较器的9脚（反向端）的电位降低，低于其基准电压（比较器的10脚），此时比较器输出高电平，二极管VDl导通，光控电路输出的信号被送到运放A4的输入端，此时晶闸管的导通情况完全由声控电路决定。当

有声音信号时，声音信号通过前面的两级放大，送到A4的输入端进行比较放大，输出高电低平，控制晶闸管的导通，进而控制灯的亮和灭。声控部分：由拾音电路及放大电路两部分组成声控部分。其中，话筒B和电阻R1组成拾音电路。两级运算放大器及外围电阻组成了两级放大电路。每一级放大电路都是同向比例放大电路，对话筒输出的信号进行放大，确保能够触发晶闸管导通510Q1N414»嘉r3.?mLQ|Ei-220V□510Q1N414»嘉r3.?mLQ|Ei-220V□2.1.2方案（二）如图所示是它内部装置主要由声控检测电路、光控检测电路、磁控检测电路、触发电路、单稳态电路、开关组成。利用555单稳态触发达到有声光双控的延迟照明的效果。主要组成：由声控检测电路、光控检测电路、磁控检测电路、触发电路、单稳态电路、开关组成。声敏元件麦克风VI与电阻Rl、R2，组成声敏取样电路，主要是将声信号转变为电信号，为单稳态电路提供触发信

号。光敏三极管、干簧管可以将光信号、磁场信号转变为电信号为单稳态电路提供触发信号。£TJ!1¥2.2.1£TJ!1¥2.2.1方案分析：一、要求电路能够通过照明灯开关对光线强弱的感应：控制照明灯第一级开关，该要求主要针对光控制电路，要使电路能够实现对光线强弱的感应，应使用对光线强弱敏感的电子器件，如光敏电阻、光敏二极管等光电传感器。在电路中，光电传感器根据光线强弱的变化而变化，从而使电路参数发生相应的变化。由于光控电路的输出状态只有两种：高电平和低电平。因此，光控电路可使用555定时器来实现对电压变化的转换。二、要求电路能够通过照明灯开关对声强的感应：在第一级开关开通的前提下，控制照明灯的亮灭。该要求主要针对声控电路，要使电路能够实现对声强的感应，则应使用对声音信号敏感的电子器件，如小型驻极电容话10筒、压电陶瓷片等声电传感器。由于声电传感器收集来的声音信号都比较微弱，所以要对信号进行放大处理。又因为声音信号是连续振荡的不确定信号，为了便于处理，先将信号波形进行整形，这可以由模拟迟滞比较器来实现。模拟比较器的输出为高低两种电平信号，利用该信号可以去控制555定时器的触发输入端。另外，由光控电路的输出控制此555定时器的复位端，来决定声控电路的开启与关闭。在这两种控制信号的作用下，达到声音控制照明灯亮灭的目的。三、要求电路能够实现照明灯点亮时间t后自动关断：该要求可以通过处于单稳模式的555定时器实现（说明：此处的555定时器与第二条要求中的555定时器为同一片）。2.2.2方案确定：在这几个方案中，我选择了第二种方案，该设计主要包含四部分电路，分别为：电源电路、光控电路、声控延时电路、晶闸管开关电路，因为电路简单，制作方便，省去了能耗大、笨重、极易产生热量的电源变压器，具有结构简单、自耗电轻微、性能稳定、灵敏度高、通用性强的特点，也很好的将所学知识运用到其中。单元电路设计一、电源电路：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。二、光控电路：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。三、声控延时电路：该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。本设计采用压电陶瓷片作为声电转换元件，并加入了两级音频信号放大电路和迟滞电压比较器来对声音信号进行处理，经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。四、晶闸管开关电路：该电路受声控电路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。元件选择JT采用027mm的压电陶瓷片，如FT-27型;电阻均采用金属膜电阻RJ45-1/8W型；电容C6~C9均采用容值较大，耐压值高，价格便宜的铝电解电容，如CD11-16V型；电容CIO采用普通独石电容，如104M/50V型；晶体管VT1、VT2采用2SC9014型硅NPN管;集成块U3采用pA741型集成运算放大器；集成块U4采用TTL型定时器NE555；电位器RP2选用WH系列碳膜电位器，如WH148型。SCR选用触发电流较小的1A、8OOV小型塑封单19向晶闸管，如MCR1OO-6的小型塑封单向可控硅。MK1可选用CRZ2-113F型驻极体电容话筒。元件参数的计算光敏电阻RL的选择要求是亮阻与暗阻相差倍数愈大愈好。经查资料，MG45-14型光敏电阻满足要求，其最大亮阻（10KQ）与最小暗阻（10MQ）相差1000倍，反应时间小于20ms。下面利用这两个阻值来确定R1、R2、R3的值。在光线较强时，RL1=1OKQ，此时应有，555（1）的2脚和6脚的电压大于2/3VCC，假设就等于2/3VCC，并将电位器的取值定为100KQ，则有VCC（R2+RP1）/[（RL1+R1）+（R2+RP1）]=2/3VCC当RP1=100KQ时，有2R1-R2=80（KQ）若取R2=51KQ，则R1=15KQ。确定R3的值，使得在RL最小时，电路中的电流不超过555定时器的最大允许电流就行了。取R3=10KQ。R1~R3均采用1/8W金属膜电阻，如RJ45-1/8W；RP1采用WH系列碳膜电位器，如WH148型。电阻与电源电路中一样，电容C4用铝电解电容，耐压值为16V就能满足要求，即可采用CD11-16V型；为使电路的充放电时间常数尽量小，则电容的C4容值要取得小一些，可取为100pF。电容C5一般用0.01pF的普通独石电容，如103M/50V型晶体管VT1、VT2选用2SC9014型硅NPN小功率管。2SC9014的有关电参数如表3-3-2所示。在集电极电流IC=100mA,基极电流IB=5mA时，测试晶体管2SC9014的集射极间饱和电压典型值为VCES=0.14V。则电阻R4、R5的值可用以下两式来推算R4=(VCC-VBE)/IB(5-3)R5=(VCC-VCES)/IC参数名称腆型值单位集电极耗散功率PcIII300mWIcm10'DmA电磁大覆P60-1D00率150MHz由于所给晶体管的参数均为极限值，因此实际应用时所取的值通常要比由式(5-3)、(5-4)计算出来的值大得多。例如，在晶体管工作在线性放大状态时，IB为几十到几百微安，Ic为几毫安到几十毫安。因此电阻R4应在几百千欧到几兆欧之间，电阻R5应在几千欧到几十千欧之间。可取R4=1MQ，R5=22KQ。同理，R6可确定为47KQ。般情况下，人正常说话的声音的幅度约为50分贝，转化为电信号有效值约为VI~40mV，则经音频放大电路后，信号的强度为VI=161Vi~6.4V由原理图可知，VP二VREF二VCCR9/(R9+R8)VN=V1R10/(R7+R10)+V2R7/(R7+R10)由于经放大后的音频信号电压有效值V1=6.4V，再根据定时器555翻转进入暂稳态的条件：2脚电压低于1/3VCC，6脚电压低于2/3VCC。由于电容C9两端电压为零，显然6脚电压为低电平，小于2/3VCC。当外界没有声音发出时，模拟比较器的输入电压小于基准电压VREF，则其输出电平为高电平，显然555的2脚的电平大于1/3VCC。假设此种情况下就有V2=1/3VCC,)可得V2二VREF+R10(VREF-VI)/R7若取VREF=1/2VCC=6V，则R10=5R7。若要求照明灯点亮时间t在30~60s之间连续可调，同光控制电路一致，取电容C9=100pF。 当电路定时为最短30s时，根据下式确定电阻R11的阻值，即t=1.1R11C9则由上式计算得到Rll=270KQ，此时，电位器RP2在电路中的阻值为零。当电定时为最长60s时，根据下式确定电位器RP2的阻值范围。即t=1.1(R11+RP2)C9则由上式可确定RP2=549KQ。电容C10同光控电路中的电容C5一样，取值为O.OlpF

5.整体电路电源电路根据以上内容，下面给出完整的电源电路图光控电路该电路将外界的光强变化转化为电路输出电平的变化，其输出的电平信号控制声控延时电路，从而实现对照明灯亮灭的控制。5.3声控延时电路由对技术要求的解读可知，该电路由四部分构成，分别为：音频信号采集放大电路、模拟比较器电路、工作于单稳模式的555定时电路及晶闸管开关电路。

6.电路工作原理6.1光控电路的工作原理开始时，电路输出为高电平，电容C4充电到电压为2/3VCC时，电路输出发生反转，此后，只要光线的强弱变化不大，则电路的输出维持低电平；若光线较弱，则电容C4放电，当电压VC下降到1/3VCC时，电路发生反转，输出高电平，同样，只要光线强弱变化不大，则电路的输出维持高电平。因此，555（1）工作在施密特触发器模式。声控电路工作原理该电路中的定时器555（2）的复位端4脚，受光控电路中的定时器555（1）的控制。当外界光线较强时，555（1）始终输出低电平，致使555（2）的总是处于复位状态，即输出始终为低电平晶闸管SCR处于截止状态，灯EL不亮。当外界光线较弱时，由压电陶瓷片JT收集来的声音信号，经晶体管VT1、VT2组成共射极放大电路放大后，加在模拟比较器的反相输入端。比较器的基准电压由R8、R9组成的分压电路提供基准电压为VREF=VCCR9/（R9+R8）当外界有声音信号时，有VI〉VREF，比较器输出低电平脉冲，经C8、R12组成的微分电路后，变为低电平窄脉冲，使555（2）触发翻转为高电平，即进入暂态。该高电平作用在晶闸管VTH的控制极上，使晶闸管导通，灯EL点亮。由于555（2）工作在单稳态模式，经时间t后，555（2）回到稳态，该时间可用下式来计算t心1.1（R11+RP2）C9即灯EL点亮时间t后自动熄灭。7困难问题及解决措施在设计过程中如何选择合适的光敏电阻？解决办法：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。光敏电阻的检测：先用手拿住两只引脚，使其对着光，然后用数字表测出值；再用握住使其背光，测出其值。8.总结与体会通过对该题目的设计，我对555定时器的应用有了全面而深刻的认识，对设计电路的思想方法也有了新的认识。在设计过程中所遇到的难题，凭借自己的能力都能加以解决，感觉自己真的学到了很多东西，不仅仅是在知识层面上，更重要的是思想上的认识。我想，不仅仅是做课程设计，做其他的事也一样，只要在思想上有全面的认识，细节上加以足够重视，遇到困难能够耐心地去分析解决，那么就没有什么事情做不好。在设计过程中，通过查阅资料，阅读文献，我学到了很多切实有用的分析方法和技巧，这对于我以后的学习有很大的帮助。这更使我认识到，学习学的是方法，设计学的是思想。因此，要多总结别人的方法，来形成自己的思想，这样学到的东西才实实在在。9.致谢经过长途跋涉，为的是各自的成长与收获，同时为了到达终点的甘甜和芳香。在这充满阳光味道的季节里，我的心情却充满着失落。随着论文的终结，意味着我生命中最纯美的学生时代即将结束。纵然有百般不舍，但这一天终