成绩 齐鲁理工学院
课程设计说明书(论文)
题 目 声光自动控制延迟开关电路
课 程 名 称 电路 二 级 学 院 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级13级电气工程及其自动化 学 生 姓 名 徐贤江 学 号 201310530089 设 计 地 点 电气工程训练中心 指 导 教 师 王艳玲
设计起止时间：2014年 6月 23 日至 2014年6月29 日
目录
一、设计任务与要求 ............................................. 1 二、总体方案设计 ............................................... 1 三、单元电路设计与参数计算 ..................................... 2 四、总原理图及元器件清单 ....................................... 4 五、安装与调试 ................................................. 6 六、性能测试与分析 ............................................. 7 七、结论与心得 ................................................. 9 八、参考文献 .................................................. 10
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声光自动控制延迟开关电路
一、设计任务与要求
一个声光控制延时开关电路包含光传感器和声传感器，当楼道内外界光线亮度低于一 定值时，光传感器工作。当楼道内声音大于某一定值时，声传感器工作。只有当光和声传感 器同时工作时楼道电灯才会持续点亮。
1.声光控延时开关电路方框组成如图1所示，包括声音检测、亮度检测、放大电路、延时电路、放大电路、整形电路和开关电路等几个主要部分。
2.电路元器件的选择。 3.完成电路图。
4.写设计说明书一份（画总原理框图以及说明主要工作原理，单元电路的设计和元器件的选择，画出完整的电路图和元器件明细表，收获、体会及建议）。
二、总体方案设计
1.电路结构及其工作原理
本设计是使用了数字集成电路CD4011，一款声光控延时开关。CD4011其内部含有4个独立的与非门vd 1～vd4，使电路结构简单，工作可靠性高。顾名思义，声光控延时开关就是用声音来控制开关的“开启\"，若几十秒后延时开关“自动关闭\"。因此，整个电路的功能就是将声音信号处理后，变为电子开关的开动作。明确了电路的信号流程方向后，即可依据主要元器件将电路划分为若干个单元，如电路的框图1-1所示
1-1电路框图
我根据图1-1的电路框图中的整流电路采用桥式整流电路，二极管稳压电路加上滤波电容。可控硅开关起控制门作用，非常重要，由这个开关去控制整流电路的工作与否，从而控制灯的亮和熄。我采用话筒放大 为实现声控功能，要设制话筒放大电路，主要是由话筒拾音电路（就是把声音信号变为电信号电路，由于声音微小，所以加放
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大电路）和放大电路组成。光敏控制电路实现光控的功能，可以有光敏电阻来实现。音频放大电路 因话筒输出的音频信号小，不能满足检波的需要，设制二极管音频放大电路，倍数几千上万倍。检波电路 音频信号是交流信号，不用交流信号控制可控硅，需转换为直流信号，才能控制可控硅，因是小信号，要反映信号的蜂值电路线变化。延迟电路在灯点亮时需要有延迟，检波输出直流电压通过延迟电路是电压消失，保持一段时间，所保持时间的长短由延迟电路的参数决定，实际上延迟电路由RC电路组成，时间常数τ=RC，这是可控制电压。控制电路 是控制可控硅栅极的开关电路，它的输入由延时端的延时电路送来的电压控制，输出控制可控硅的导通情况。
2.方案的比较与评价
本课题研究的是声光控路灯延时开关的设计与制作，其主要工作方法是由声控和光控传感器来感应周围环境的变化，而做出相关的动作，从而控制照明灯的开关。白天当光线照射到光敏电阻上时，其通过感应使电路封锁声音通道，使声音脉冲不能通过，则灯泡不受声音控制，即声控传感器暂时失去作用，灯泡不亮。夜间或光线较暗时，光敏电阻因无光照呈低阻，经感应使声音通道开通，当有人走动或有人谈话时，通过声控传感器的感应，使得灯泡自动点亮，经过内部设定的时间后，灯泡自动熄灭。
三、单元电路设计与参数计算
1.声音放大电路
当BC获取到声音信号后，其会转换成电信号，考虑到后面步骤需次信号控制电子开关，所以必须加大放大器放大该信号。为了获得较高的灵敏度，VT1的β值选用大于100。BC也选用灵敏度高的。
2.整流电路：
该部分电路把声音信号变成直流控制电压。
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3.电子开关：
当电压信号达到一定值时，电子开关打开。当电压信号小于次值时，电子开关关闭。其起到的主要作用是延时电路中的电容充放电。
4.延时开关与交流开关：
由于需要的灯泡持续点亮时间并不是很长，大概40秒左右，所以考虑您用一个电容控制开关的状态即可。
5.信号放大电路整形设计
放大电路实现方法很多，除分立器件实现外，还可采用运放，也可采用门电路等来实现。
拾音器采用电压蜂鸣器 HTD35—14 他的压电效应，既当有音响作用到压点陶瓷片上时,声震导致的绕曲变形就会产生相应的电效应。由于声/电效应较小，设计了 VT1，
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VT2，直耦式音频放大器，将信号放大，并由 D2，D3，C7 倍压整流再经T3 倒相放大， 触发单稳态电路。
6.延时处理电路单稳态电路设计
本电路装配无须调试，但元器件的选择很重要，拾音器的选用直径较大的压电陶
瓷片，HTD35A-1, 目的是拾取教多的声压，他的谐振频率较低 2.8Kh，对淬发的声音声压较好。V1管选用C485，β的值不少于150 倍。光敏三极管 VT5 选用暗电流 Id 较小, 光电流 IC 较大3UD，降压电容选用耐压400V以上的金属化纸介电容器，全桥整流的QD 的反向击穿电压选用1A300V以上的器件，以确保安全。
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图
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23451413121110991110VD24007VD414134007400712834563456VD5R7470K400781212ABR5R247KR42.2M1M代替开关代替开关77 BT1100-6R347kR1120KVD340113 VD14007图1-2的电路原理图 C1VT19013104BM5 60WLAMPRG1625AR610K+C2+C3R85.1M10UF10UF220V
结合图1-1和图1-2声音信号(脚步声、掌声等)由驻极体话筒bm接收并转换成电信号，经c1耦合到vt的基极进行电压放大，放大的信号送到与非门(vd1)的2脚，r4、r7是vt偏置电阻,c2是电源滤波电容。为了使声光控开关在白天开关断开，即灯不亮，由光敏电阻rg等元件组成光控电路，r5和rg组成串联分压电路，夜晚环境无光时，光敏电阻的阻值很大，rg两端的电压高，即为高电平间t=2πr8c3，改变r8或c3的值，可改变延时时间，满足不同目的。vd3和vd4构成两级整形电路，将方波信号进行整形。当c3充电到一定电平时，信号经与非门vd3、vd4后输出为高电平，使单向可控硅导通，电子开关闭合；c3充满电后只向r8放电，当放电到一定电平时，经与非门vd3、vd4输出为低电平，使单向可控硅截止，电子开关断开，完成一次完整的电子开关由开到关的过程。二极管vd1～vd4将交流220v进行桥式整流，变成脉动直流电，又经r1降压，c2滤波后即为电路的直流电源，为bm、vt、ic等供电。
2．元件清单
制作所需要的电子元器件如表格4-1所示。
表4-1 元器件的清单
序号 名称 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 集成电路 单向可控硅 三极管 整流二极管 驻极体 光敏电阻 电阻器 电阻器 电阻器 电阻器 瓷片电容 电解电容 型号 CD4011 100-6 9014 IN4001 54db 625A 10k 120k 47K 470K 1M 位号 IC T VT VD1-VD5 BM RG R6 R1 R2 R3 R7 R5 数量 1 1 1 5 1 1 2 2 2 2 1 2 2.2M 5.1M R4 R6 104 10UF/10V C1 C2 C3 五、安装与调试
按照元件清单买到电子元器件后，首先对照材料清单将各材料认真清点一遍，并用万用表粗略地(因出厂前已测量过)测量一下各元件，做到心中有数。焊接时注意先
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焊接无极性的阻容元件，电阻采用卧装，电容采用直立装，紧贴电路板，焊接有极性的元件如电解电容、话筒、整流二极管、单向可控硅等元件时千万不要装反。注意极性的正确。否则电路不能正常工作甚至烧毁元器件。
故障寻、检常用方法： 直观检查法、电阻法、电压法、电流法、通过眼、耳、鼻、手来查找故障部位。即是看元器件有无断线、互碰、烧焦、脱焊等现象；听声音有无异常；闻有无焦味；摸器件是否过热等。用普通万用表的欧姆档检查各点的阻值，粗查是否有短路、断路或元器件错焊等情况。用万用表测量电路中各点对地的电阻以及元器件的阻值，以此来判断故障部位测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。测量晶体管的管脚电压和集成块各脚的电压或波形，据此电压值判断故障。调试前，先将焊好的电路板对照电路图认真核对一遍，不要有错焊、漏焊、短路等现象发生。通电后，人体不允许接触电路板的任一部分，防止触电，注意安全。如用万用表检测时，将万需表两表笔接触电路板相应处即可。本电路调试时请先将光敏电阻的光挡住，将AB分别接在电灯的开关位上，用手轻拍驻极体，这时灯应亮，若用光照射光敏电阻，再用手重拍驻极体，这时灯不亮。说明光敏电阻完好，这时表示制作成功。若不成功请仔细检查有无虚假错焊和拖锡短路现象。
调试时用万用表直流电压档测试集成电路CD4011的14脚应有12V左右的直流电压，在有光照射条件下，无论外界有没有声音信号，测量三极管Q1的集电极C应为低电平，集成电路U1A的1脚为低电平，3脚输出高电平，4脚输出低电平，则二极管D1把电流隔离，可控硅没有得到高电平触发信号，开关不导通，灯不亮；外界无光照条件下，有声音时，集成电路U1的1脚和2脚都为高电平，3脚输出低电平，11脚为高电平，可控硅获得高电平触发信号，开关导通，灯亮，延时一段时间后能自动熄灭，达到以上要求，说明电路已调试成功。
经测试驻极话筒对声音信号的采集比较灵敏，光敏电阻对光信号的接收也很灵敏，可控硅也起到了很好的开关控制作用。本设计基本实现了灯泡在白天或光线较亮的情况下，无论外界有没有声音信号灯都不亮，而在晚上或光线较暗情况下外界有讲话声、口哨声、拍手声等声音信号时才亮的功能，并且可以自动延时一段时间，总体达到了系统设计要求。
六、性能测试与分析
1. 光敏电阻的检测
（1）用一黑纸片将光敏电阻的透光窗口遮住，此时万用表的指针基本保持不动，
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阻值接近无穷大。此值越大说明光敏电阻性能越好。若此值很小或接近为零，说明光敏电阻已烧穿损坏，不能再继续使用。
（2）将一光源对准光敏电阻的透光窗口，此时万用表的指针应有较大幅度的摆
光敏电阻内部开路损坏，也不能再继续使用。
（3）将光敏电阻透光窗口对准入射光线，用小黑纸片在光敏电阻的遮光窗上部晃动，使其间断受光，此时万用表指针应随黑纸片的晃动而左右摆动。如果万用表指针始终停在某一位置不随纸片晃动而摆动，说明光敏电阻的光敏材料已经损坏。
2.可控硅的检测和判别三个极性 （1）单向可控硅的检测
万用表选电阻R*1Ω挡，用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻直至找出读数为数十欧姆的一对引脚，此时黑表笔的引脚为控制极G，红表笔的引脚为阴极K，另一空脚为阳极A。此时将黑表笔接已判断了的阳极A，红表笔仍接阴极K。此时万用表指针应不动。用短线瞬间短接阳极A和控制极G，此时万用表电阻挡指针应向右偏转，阻值读数为10欧姆左右。如阳极A接黑表笔，阴极K接红表笔时，万用表指针发生偏转，说明该单向可控硅已击穿损坏。
（2）双向可控硅的检测
用万用表电阻R*1Ω挡，用红、黑两表笔分别测任意两引脚间正反向电阻，结果其中两组读数为无穷大。若一组为数十欧姆时，该组红、黑表所接的两引脚为第一阳极A1和控制极G，另一空脚即为第二阳极A2。确定A1、G极后，再仔细测量A1、G极间正、反向电阻，读数相对较小的那次测量的黑表笔所接的引脚为第一阳极A1，红表笔所接引脚为控制极G。将黑表笔接已确定的第二阳极 A2，红表笔接第一阳极A1，此时万用表指针不应发生偏转，阻值为无穷大。再用短接线将A2、G极瞬间短接，给G极加上正向触发电压，A2、A1间阻值约 10欧姆左右。随后断开A2、G间短接线，万用表读数应保持10欧姆左右。互换红、黑表笔接线，红表笔接第二阳极A2，黑表笔接第一阳极A1。同样万用表指针应不发生偏转，阻值为无穷大。用短接线将A2、G极间再次瞬间短接，给G极加上负的触发电压，A1、A2间的阻值也是10欧姆左右。随后断开A2、G 极间短接线，万用表读数应不变，保持在10欧姆左右。符合以上规律，说明被测双向可控硅未损坏且三个引脚极性判断正确。
（3）判别三个极性
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根据P-N结的原理，只要用万用表测量一下三个极之间的电阻值就可以。 阳极与阴极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上，阳极和控制极之间的正向和反向电阻在几百千欧以上（它们之间有两个P-N结，而且方向相反，因此阳极和控制极正反向都不通）。控制极与阴极之间是一个P-N结，因此它的正向电阻大约在几欧-几百欧的范围，反向电阻比正向电阻要大。可是控制极二极管特性是不太理想的，反向不是完全呈阻断状态的，可以有比较大的电流通过，因此，有时测得控制极反向电阻比较小，并不能说明控制极特性不好。另外，在测量控制极正反向电阻时，万用表应放在R*10或R*1挡，防止电压过高控制极反向击穿。若测得元件阴阳极正反向已短路，或阳极与控制极短路，或控制极与阴极反向短路，或控制极与阴极断路，说明元件已损坏。
3.仿真结果:
白天， 即光敏电阻 RG 阻值较小为 20K 时， 无论外界有没有声音信号（图中的开关无论闭合与断开），灯泡都不亮;晚上,即光敏电阻 RG 阻值较大为 10M时，当有声音信号时（开关闭合）,灯泡亮；声音消失后（开关断开），灯泡继续亮60s 左右后自动熄灭。仿真结果表明该设计电路已基本达到了本系统的设计任务要求。
七、结论与心得
通过此次课程设计作业，我学会了很多东西，比如设计过程中遇到的问题及其解决方法。在此次的声光控制延时开关电路设计过程中,更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法要求熟悉逻辑电路及其芯片各引脚的功能,那么在电路出错时便能准确地找出错误所在并及时纠正。在设计电路中,往往是先仿真后连接实物图,但有时候仿真和电路连接并不是完全一致的。此次的声光控制延时开关电路设计重在于仿真和接线,虽然能把电路图接出来,并能正常工作,但对于电路本身的原理并不是十分熟悉。总的来说,通过这次的设计实验更进一步地增强了实验的动手能力。提前做好准备工作在开始动手之前，我们要把各元件的功能弄清楚，以及如何运用，只有把这些真正的搞懂之后才能顺利完成设计。耐心分析，解决问题设计与实现的过程中我们会遇到一些困难这是很正常的事，但是不能一遇到问题就慌了，要耐心的分析问题并解决。这次课程设计的时候我就遇到了这样的情况：遇到一些问题自己不能解决，这时应该虚心像同学请教，只能这样才能更好的解决问题。课程设计虽然结束了，但是我还有很多的事情要做，对仍然不熟悉或不了解的知识点我要尽快的去学习了解，对课程设计中出现的问题我还要去认真的分析研究。我还需要去增强自己的动手能力，去不断的锻炼，只有这样该课程设计才能发挥最大的作用。
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八、参考文献
[1]康华光．模拟电子技术基础（第五版）［Ｍ］.北京：高等教育出版社，2006. [2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第三版）.高等教育出版社，2006. [3]姚金生,郑小丽《元器件》.电子工业出版社.
[4]王培刚，关照明.《声控技术研究与应用》；人民邮电出版社. [5]花子荣.《光电耦合器的应用》；电子工业出版社.
[6]张永瑞，刘振起.《电子测量技术基础》；西安科技大学出版社. [7]何希才.《常用传感器应用电路的设计与实践》；科学出版社.
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