我們組選的電子制作題目是一種節(jié)約能源的聲光雙控開關(guān)的設(shè)計。它是由集成芯片74LS00和NPN型晶體管為核心實現(xiàn)的，駐極體話筒的聲音信號和光敏電阻感受到的光信號以“與”的關(guān)系來控制74LS00輸出高低電平，經(jīng)過延時電路，然后74LS00的輸出控制LED燈的導通和斷開，從而控制燈泡的亮與滅。在白天，無論有無聲音，這種電子開關(guān)控制LED燈不亮；但是在晚上，一旦有聲音，電子開關(guān)便控制LED燈自動點亮，經(jīng)過一段時間，燈自動熄滅，這種裝置可廣泛使用于樓梯、走廊及廁所等公共場所的照明控制，它不但結(jié)構(gòu)簡單、方便實用、性價比高、安全并能延長燈泡壽命，而且具有明顯的節(jié)約能源的作用。

下面是原理圖：

目錄

• 設(shè)計任務(wù)與要求…………………………………………………….........................2
  
  • 設(shè)計任務(wù)
  • 技術(shù)指標
    
• 方案比較與論證…………………………………………………......................…...2
  
  • 各種方案比較與選擇
  • 方案論證
    
• 系統(tǒng)硬件設(shè)計…………………………………………………….…..........................4
  
  • 發(fā)射部分電路設(shè)計
  • 接收部分電路設(shè)計
    
• 系統(tǒng)安裝及仿真…………………………………………………………....................6
  
  • PCB版設(shè)計和安裝
  • 整體電路仿真圖以及仿真結(jié)果分析
    
• 安裝與系統(tǒng)測試………………………………………………………..…..................7
  
  • 電路安裝
  • 電路測試
    
• 結(jié)論……………………………………….…….…………………................................8
  

參考文獻……………………………………….……….…………................................…8

1任務(wù)和要求

1.1設(shè)計任務(wù)：

畫出聲控開關(guān)的設(shè)計圖及原理圖，計算主要元器件的參數(shù)，并選擇元器件。

1.2基本要求：

 [1]該開關(guān)白天不導通；晚上，一有聲響便自動導通，且聲音消除后仍能導通一段時間。

 [2]保持導通的時間可在1~10min（分）內(nèi)持續(xù)導通。

  [3]該開關(guān)適用于人們活動時能發(fā)出聲響的場合，保證人們在光亮條件下活動。

2  方案比較與論證

2.1 各種方案比較與選擇：

2.1.1方案一

電路簡述：本電路為一聲光自動控制白熾燈開關(guān)。白天或夜晚光線較亮時，光控部分將開關(guān)自動關(guān)斷，聲控部分不起作用。電路主要由555集成電路和聲控專用集成電路BH—SK-1組成。原理框圖如下圖1所示。     

白天或夜晚光線較亮時，光控部分將開關(guān)自動關(guān)斷，聲控部分不起作用。設(shè)計一個既實用又方便的照明燈則是我們?nèi)祟惞餐�的愿望。而生活中我們用的最為平常的燈則是樓道里的照明燈，住過居民樓的人都應(yīng)該知道，樓道很窄，晚上行走很不方便，如果讓樓道的照明燈一直亮著，則難免會浪費國家資源，因此設(shè)計一種既不浪費國家電力又很方便實用的照明燈系統(tǒng)是很有實用價值意義的一件事。當光線較暗時，光控部分將開關(guān)自動打開，負載電路的通斷受控于聲控部分。電路是否接通，取決于聲音信號強度。當聲強達到一定程度時，電路自動接通，點亮白熾燈，并開始延時，延時時間到，開關(guān)自動關(guān)斷，等待下一次聲音信號觸發(fā)。

2.1.2方案二

聲光控是通過光敏電阻來實現(xiàn)的，當光敏電阻在背光的的時候燈就會慢慢的熄滅，即這時也是人走過了的時候。在有的電路中這種原理也可以通過聲音的振動來實現(xiàn)，當人走過是只需用手輕拍一下燈就會自動的亮，人離開后又熄滅。這樣就給路人提供了相應(yīng)的方便，同時，也達到了節(jié)電和節(jié)能的目的；延長燈的壽命。在實際生活中節(jié)電節(jié)能，能夠?qū)崿F(xiàn)更多的自動化。原理框圖如下圖2所示。

聲源產(chǎn)生的聲音信號，經(jīng)聲電轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，該信號經(jīng)放大后送處理器處理，處理器將幅度、頻率不盡相同的一群聲波信號轉(zhuǎn)換成一次狀態(tài)改變的控制信號，該信號經(jīng)延時處理電路達到設(shè)計要求時間與設(shè)計要求功能，經(jīng)執(zhí)行機構(gòu)直接控制負載動作，處理電路如下圖3所示。

2.2方案論證

整流電路 采用橋式整流電路，二極管穩(wěn)壓電路加上濾波電容。可控硅開關(guān) 起開關(guān)作用，非常重要，由這個開關(guān)去控制整流電路的工作與否，從而控制燈的亮和熄。穩(wěn)壓電路需8.2V穩(wěn)定電壓，并要求不高所以我們采用它。話筒放大 為實現(xiàn)聲控功能，要設(shè)制話筒放大電路，主要是由話筒拾音電路（就是把聲音信號變?yōu)殡娦盘栯娐罚�由于聲音微小，所以加放大電路）和放大電路組成。音頻放大電路 因話筒輸出的音頻信號小，不能滿足檢波的需要，設(shè)制二極管音頻放大電路，倍數(shù)幾千上萬倍。延遲電路 在燈點亮時需要有延遲，檢波輸出直流電壓通過延遲電路是電壓消失，保持一段時間，所保持時間的長短由延遲電路的參數(shù)決定，實際上延遲電路由RC電路組成，時間常數(shù)τ=RC，這是可控制電壓。控制電路 是控制可控硅柵極的開關(guān)電路，它的輸入由延時端的延時電路送來的電壓控制，輸出控制可控硅的導通情況。

方案一和方案二的原理基本相同，但考慮到電源的穩(wěn)壓性能，和器材的價格，覺得方案二比較適合。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1發(fā)射部分電路設(shè)計：

1. 降壓濾波電路

電阻R7、電容C2和穩(wěn)壓管D6組成。電路中燈泡也起到了很重要的降壓作用。橋式整流電路輸出的脈動直流電壓經(jīng)過R7限流降壓，電容C2濾波，從而得到比較小的直流電壓加到穩(wěn)壓管D6上，獲得12V的直流電壓，作為控制電路的直流電源。

2. 聲音信號輸入電路

駐極體話筒MIC、電阻R1、R2、R3、電容C1和三極管Q1組成。

駐極體話筒的基本結(jié)構(gòu)是由一片單面涂有金屬的駐極體薄膜與一個上面有若干小孔的金屬電極（背電極）構(gòu)成。駐極體面與背電極相對，中間有一個極小的空氣隙，形成一個以空氣隙和駐極體作絕緣介質(zhì)，以背電極和駐極體上的金屬層作為兩個電極構(gòu)成一個平板電容器。電容的兩極之間有輸出電極。由于駐極體薄膜上分布有自由電荷。當聲波引起駐極體薄膜振動而產(chǎn)生位移時；改變了電容兩極板之間的距離，從而引起電容的容量發(fā)生變化，由于駐極體上的電荷數(shù)始終保持恒定，根據(jù)公式：

Q =CU

所以當C變化時必然引起電容器兩端電壓U的變化，從而輸出電信號，實現(xiàn)聲—電的變換。由于實際電容器的電容量很小，輸出的電信號極為微弱，輸出阻抗極高，可達數(shù)百兆歐以上。因此，它不能直接與放大電路相連接，必須連接阻抗變換器。通常用一個專用的場效效應(yīng)管和一個二極管復合，組成阻抗變換器。

本設(shè)計采用駐極體話筒的二端輸出方式，它是將場效應(yīng)管接成漏極輸出電路，類似晶體三極管的共發(fā)射極放大電路。只需兩根引出線，漏極D與電源正極之間必須接一漏極電阻R1，信號才能由漏極輸出有一定的電壓增益，使話筒的靈敏度比較高。

聲音信號輸入電路的工作原理：當沒有聲音時，三極管Q1工作在飽和狀態(tài)，74LS00的2腳為低電平；當有聲音時，聲音信號經(jīng)話筒MIC轉(zhuǎn)換為電信號后經(jīng)C1耦合至三極管Q1放大，Q1由飽和進入放大狀態(tài)，其集電極由低電平轉(zhuǎn)變成高電平并送入集成電路74LS00的2腳。

3.光信號輸入電路

它是由電阻R4和光敏電阻RG組成。

光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。構(gòu)成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導體。半導體的導電能力取決于半導體導帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當光敏電阻受到光照時，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，成為自由電子，同時產(chǎn)生空穴，電子—空穴對的出現(xiàn)使電阻率變小。光照愈強，光生電子—空穴對就越多，阻值就愈低。當光敏電阻兩端加上電壓后，流過光敏電阻的電流隨光照增大而增大。入射光消失，電子-空穴對逐漸復合，電阻也逐漸恢復原值，電流也逐漸減小。

本設(shè)計所用的光敏電阻亮電阻為20K-30K,暗電阻約為10M，在光敏電阻上串接的電阻R4的阻值應(yīng)該大于30K,小于10M。具體阻值在調(diào)試時依據(jù)對光的靈敏性而定。本設(shè)計取R4的阻值為180K。

4..延時控制電路

延時電路由二極管D1，電阻R6和電容C3組成。控制電路由集成電路CD4011、電阻R5和可控硅D7組成，可控硅的作用是控制開關(guān)的通斷。集成電路CD4011是整個電子開關(guān)的核心器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。它是四-二輸入與非門集成電路。其中1、2腳和3腳分別為與非門1的輸入和輸出端；5、6和4腳分別為與非門2的輸入與輸出端；8、9腳和10腳分別為與非門3的輸入和輸出端；12、13腳和11腳分別為與非門4的輸入和輸出端；7腳接地；14腳接電源。在該電路中與非門1和與非門2組成聲音信號和光信號與邏輯電路；與非門3、與非門4和電阻R7組成觸發(fā)電路。

3.2接受部分電路設(shè)計：

由470電阻和LED燈組成。

4.系統(tǒng)安裝及仿真

4.1.PCB板設(shè)計及安裝：

4.2整體電路仿真圖以及仿真結(jié)果分析：

用Mutisim仿真的電路如圖9和圖10所示。圖9為夜晚時的仿真圖，圖10為白天時的仿真圖。仿真時，光敏電阻用一個普通電阻代替。在白天時，光敏電阻用阻值為20K的電阻代替，在夜晚時，光敏電阻用阻值為10M的電阻代替。駐極體話筒用信號源V1和開關(guān)JI代替。開關(guān)閉合時，表示有聲音信號輸入，開關(guān)斷開時，表示沒有聲音信號。電路仿真圖如下：

5.安裝與調(diào)試

5.1電路安裝

先按照電路圖將元器件安裝在面包板上進行調(diào)試，安裝前先檢查元器件是否完好。安裝時要特別注意駐極體話筒、三極管和可控硅的極性及管腳分布。調(diào)試成功后，按照印制電路板所示器件位置進行安裝焊接。所用印制電路板的大小約為50mm×45mm。焊接駐極體話筒及電容時，應(yīng)該拔電焊接，以免燒壞器件。負載燈泡采用外接方式，不安裝在印制電路板上。注意在裝接電路，改變電路連接或插、拔電路時，均應(yīng)切斷電源，嚴禁帶電操作。

5.2電路調(diào)試

在面包板上調(diào)試時，仔細對照原理圖，先檢查是否有漏接和短路現(xiàn)象，檢查時可用數(shù)字萬用表的蜂鳴檔，兩表筆分別接觸兩個點，若發(fā)出蜂鳴聲，則表示此兩點相連，若沒有蜂鳴聲，則此兩點斷開，等檢查無誤后，接上負載白熾燈以及220V交流市電進行檢測。在印制電路板上調(diào)試時，用以上方法檢查整個電路板是否有虛焊、漏焊和短路現(xiàn)象，以免上電后燒壞器件，檢查無誤后，接上負載白熾燈以及220V交流市電進行通電檢測。

調(diào)試時用萬用表直流電壓檔測試集成電路U1的14腳應(yīng)有12V左右的直流電壓。在有光無聲音時測量三極管Q1的集電極C應(yīng)為低電平，集成電路U1的1腳和2腳都為低電平，3腳輸出高電平，4腳為低電平，則二極管D1把電流隔離，可控硅應(yīng)不導通，燈泡不亮。在有光有聲音時，集成電路U1的1腳為低電平，2腳為高電平，3腳輸出高電平，同上原理，白熾燈應(yīng)不亮。

用不透明的蓋子蓋住光敏電阻RG。在有聲音時，集成電路U1的1腳和2腳都為高電平，3腳輸出低電平，11腳為高電平，可控硅應(yīng)導通，白熾燈應(yīng)能點亮并延時一段時間后自動熄滅。達到以上要求，說明電路已調(diào)試成功。

6.結(jié)論

本設(shè)計安全節(jié)電、使用壽命長且成本低。達到了設(shè)計的要求。同時也實現(xiàn)了聲光雙控且能自動延時，可廣泛使用于公共場所的照明控制，在日常生活中具有很大的實用性。

通過本課程設(shè)計，我進一步熟悉了各元器件的工作原理及功能，比如駐極體話筒和可控硅的管腳分布、參數(shù)及工作原理，進一步掌握了原理圖的設(shè)計與電路板的焊接。在電路的設(shè)計與調(diào)試過程中也遇到了很多問題，第一次在面包板上調(diào)試時，由于電路的一根線短路而導致調(diào)試失敗，這使我明白了在調(diào)試電路時必須先仔細檢查各部分電路的連接情況。第一次在焊接好的電路板上調(diào)試時，由于把可控硅的A極與K極接反導致可控硅不導通，從而使電路不工作，這使我深刻認識到在用每一個元器件時，首先要查清楚它的pdf資料，明白它的工作原理及各管腳的功能。

參考文獻

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