最新毕业设计声光双控电子开关设计.docx
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最新毕业设计声光双控电子开关设计
摘要…………………………………………………………………………………3
关键词………………………………………………………………………………3
一、设计任务与要求………………………………………………………………3
二、方案设计与论证………………………………………………………………3
方案一…………………………………………………………………………3
方案二…………………………………………………………………………4
三、单元电路设计与参数计算……………………………………………………4
3.1桥式整流电路……………………………………………………………5
3.2降压滤波电路……………………………………………………………7
3.3声音信号输入电路………………………………………………………7
3.4光信号输入电路…………………………………………………………8
3.5延时控制电路……………………………………………………………8
3.6外接电路…………………………………………………………………10
四、总原电路及元器件清单………………………………………………………10
4.1总原理图…………………………………………………………………10
4.2PCB制板图………………………………………………………………11
4.3整体电路仿真图以及仿真结果分析……………………………………11
4.4元件清单…………………………………………………………………15
五、安装与调试……………………………………………………………………15
5.1电路安装…………………………………………………………………15
5.2电路调试…………………………………………………………………15
六、性能测试与分析………………………………………………………………16
七、结论与心得……………………………………………………………………17
八、参考文献………………………………………………………………………17
声光双控电子开关
摘要：
本文介绍的是一种节约能源的声光双控电子开关的原理和设计。
它是由集成芯片CD4011和晶闸管为核心实现的，驻极体话筒的声音信号和光敏电阻感受到的光信号以“与”的关系来控制CD4011输出高低电平，经过延时电路，然后CD4011的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡的亮与灭。
在白天，无论有无声音，这种电子开关控制灯泡不亮；但是在晚上，一旦有声音，电子开关便控制灯泡自动点亮，经过一段时间，灯自动熄灭，这种装置可广泛使用于楼梯、走廊及厕所等公共场所的照明控制，它不但结构简单、方便实用、性价比高、安全并能延长灯泡寿命，而且具有明显的节约能源的作用。
关键词：
节能开关；光控声控；自动延时；CD4011。
一、设计任务与要求
1.白天正常光照下，无论有无声音，该开关不动作，灯不亮；
2.夜晚无声音的时候，灯不亮；有声音触发时，开关动作，灯亮；
3.灯亮一定时间以后，自动熄灭且可自动延时；
4.可靠性、安全性、寿命性能要良好、价格低。
二、方案设计与论证
设计要求电子开关控制灯泡白天不亮，只有在晚上且声音时才亮，并且可自动延时。
可靠性、安全性、寿命性能要良好且价格低。
分析此设计要求，想出以下两种设计方案。
方案一、系统主要采用六个三极管9014来控制可控硅的导通与断开，从而实现灯泡的亮灭。
工作电路图如图1所示。
220V市电经D2，D3，D5，D6桥式整流，然后经过稳压二极管D4削波，C3滤波得到12V直流供电路工作。
蜂鸣片Y1接收的声音信号和光敏电阻LR接收的光信号控制六个三极管9014的导通与截止，从而控制可控硅Q3的通断，实现灯泡的亮灭，C5和R11构成延时电路，实现自动延时。
图1采用三极管9014控制的电路图
方案二、系统采用CD4011为核心控制晶闸管的通断。
其工作电路如图2所示。
二极管D2-D5组成桥式整流电路将220V市电变成脉动直流电压，再经过R7限流，D6稳压，C2滤波输出12V直流电压，为集成块CD4011及三极管Q1提供电源。
驻极体话筒MIC的声音信号和光敏电阻RG感受到的光信号以“与”的关系来控制CD4011输出高低电平，经过C3和R6构成的延时电路，实现自动延时，然后CD4011的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡的亮与灭。
图2采用CD4011为核心控制的电路图
比较以上两种设计方案，二者都方便实用，安全可靠，并节约能源，但方案二的原理及电路明显简单，所用器件少，更有利于硬件电路的制作，故本设计采用方案二。
三、单元电路设计与参数计算
本设计的原理图如上图2所示，原理框图如图3所示。
本设计主要由桥式整流电路、降压滤波电路、声音信号输入电路、光信号输入电路、延时控制电路以及外接电路6部分组成。
图3系统原理框图
1.桥式整流电路
它是由图2中的二极管D2、D3、D4、D5组成。
其功能是将220V的交流市电转换为脉动直流电压。
整流电路的工作原理：
桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图4所示。
整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。
根据图4的桥式二极管整流电路和图5的整流波形图可知：
当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。
当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。
在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。
图4桥式二极管整流电路
图5桥式二极管整流电路波形
参数计算：
二极管桥式整流电路输入、输出之间的数量关系及二极管选择的条件：
输出电压VO、输出电流IO与输入电压V2的关系：
VO=2×0.45V2=0.9V2
IO=0.9×（VO/RL）
二极管所承受的电流及耐压值
IV=IO/2=0.45×（VO/RL）
VRM=V2m
单向桥式整流电路二极管选择条件：
IVZ≥IO/2=0.45×（VO/RL）
VRM≥V2m
2.降压滤波电路
由图2中的电阻R7、电容C2和稳压管D6组成。
电路中灯泡也起到了很重要的降压作用。
桥式整流电路输出的脉动直流电压经过R7限流降压，电容C2滤波，从而得到比较小的直流电压加到稳压管D6上，获得12V的直流电压，作为控制电路的直流电源。
3.声音信号输入电路
由图2中的驻极体话筒MIC、电阻R1、R2、R3、电容C1和三极管Q1组成。
驻极体话筒的基本结构是由一片单面涂有金属的驻极体薄膜与一个上面有若干小孔的金属电极（背电极）构成。
驻极体面与背电极相对，中间有一个极小的空气隙，形成一个以空气隙和驻极体作绝缘介质，以背电极和驻极体上的金属层作为两个电极构成一个平板电容器。
电容的两极之间有输出电极。
由于驻极体薄膜上分布有自由电荷。
当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时；改变了电容两极板之间的距离，从而引起电容的容量发生变化，由于驻极体上的电荷数始终保持恒定，根据公式：
Q=CU
所以当C变化时必然引起电容器两端电压U的变化，从而输出电信号，实现声—电的变换。
由于实际电容器的电容量很小，输出的电信号极为微弱，输出阻抗极高，可达数百兆欧以上。
因此，它不能直接与放大电路相连接，必须连接阻抗变换器。
通常用一个专用的场效应管和一个二极管复合，组成阻抗变换器。
本设计采用驻极体话筒的二端输出方式，它是将场效应管接成漏极输出电路，类似晶体三极管的共发射极放大电路。
只需两根引出线，漏极D与电源正极之间必须接一漏极电阻R1，信号才能由漏极输出有一定的电压增益，使话筒的灵敏度比较高。
声音信号输入电路的工作原理：
当没有声音时，三极管Q1工作在饱和状态，CD4011的2脚为低电平；当有声音时，声音信号经话筒MIC转换为电信号后经C1耦合至三极管Q1放大，Q1由饱和进入放大状态，其集电极由低电平转变成高电平并送入集成电路CD4011的2脚。
4.光信号输入电路
它是由图2中的电阻R4和光敏电阻RG组成。
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻。
为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。
构成光敏电阻的材料有金属的硫化物、硒化物、碲化物等半导体。
半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。
当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。
光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。
当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。
入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。
本设计所用的光敏电阻亮电阻为20K-30K,暗电阻约为10M，在光敏电阻上串接的电阻R4的阻值应该大于30K,小于10M。
具体阻值在调试时依据对光的灵敏性而定。
本设计取R4的阻值为180K。
光信号输入电路的工作原理：
光的强弱经光敏电阻RG转换为高、低电平后送入集成电路CD4011的1脚。
由降压滤波电路知，光敏电阻和R4的总电压U为12V,白天光线射到光敏电阻RG上时，其阻值变得很小，约为20K,则光敏电阻的电压U1为：
U1=U×RG/（R4+RG）=12V×20/（180+20）=1.2V
根据CD4011的参数即第9页的表1可得，CD4011的1脚为低电平，则3脚被锁定为高电平，与2脚的输入高低电平无关，所以电路封锁了声音通道，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音控制。
这时，门U1A的3脚输出的高电平经过门U1B、U1C、U1D三次反相后成低电平，晶闸管D7无触发信号不导通，灯不亮。
夜晚，RG因无光线照射呈高阻，约为10M。
则光敏电阻的电压U2为：
U2=U×RG/（R4+RG）=12V×10000000/（180+10000000）≈12V
则与非门U1A的输入端1脚变成高电平，门U1A的3脚输出状态受2脚输入电平的控制，这为声音通道的开通创造了条件。
5.延时控制电路
如图2所示，延时电路由二极管D1，电阻R6和电容C3组成。
控制电路由集成电路CD4011、电阻R5和可控硅D7组成，可控硅的作用是控制开关的通断。
集成电路CD4011是整个电子开关的核心器件，其内部结构如图6所示。
它是四-二输入与非门集成电路。
其中1、2脚和3脚分别为与非门1的输入和输出端；5、6和4脚分别为与非门2的输入与输出端；8、9脚和10脚分别为与非门3的输入和输出端；12、13脚和11脚分别为与非门4的输入和输出端；7脚接地；14脚接电源。
在该电路中与非门1和与非门2组成声音信号和光信号与逻辑电路；与非门3、与非门4和电阻R7组成触发电路。
图6CD4011的内部结构
本设计用到的CD4011的参数如表1所示。
标志
参数
条件
-55°C
+25°C
+125°C
单位
最小值
最大值
最小值
标准值
最大值
最小值
最大值
VOL
低电压输出
VDD=5V
VDD=10V（IO<1uA）
VDD=15V
0.05
0.05
0.05
0
0
0
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
0,05
V
V
V
VOH
高电压输出
VDD=5V
VDD=10V（IO<1uA）
VDD=15V
4.95
9.95
14.95
4.95
9.95
14.95
5
10
15
4.95
9.95
14.95
V
V
V
VIL
低电压输入
VDD=5V,VO=4.5V
VDD=10V,VO=9.0V
VDD=15V,VO=13.5V
1.5
3.0
4.0
2
4
6
1.5
3.0
4.0
1.5
3.0
4.0
V
V
V
VIH
高电压输入
VDD=5V,VO=0.5V
VDD=5V,VO=0.5V
VDD=10V,VO=1.0V
VDD=15V,VO=1.5V
3.5
7.0
11.0
3.5
7.0
11.0
3
6
9
【答案】Enter
3.5
7.0
?
"0-999中该数的值等于该数中各位数字的立方和：
",i11.0
V
indexondatatagdata_indexV
V
7.VisualFoxPro将表分为两种，即?
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和?
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。
表1CD4011的静态参数
本设计还采用单向可控硅MCR100-6作为控制开关，其导通条件：
一是可控硅阳极与阴极间必须加正向电压，二是控制极也要加正向电压。
以上两个条件必须同时具备，可控硅才会处于导通状态。
另外，可控硅一旦导通后，即使降低控制极电压或去掉控制极电压，可控硅仍然导通。
起到开关的开通作用，从而控制灯泡点亮；可控硅关断条件：
降低或去掉加在可控硅阳极至阴极之间的正向电压，使阳极电流小于最小维持电流以下。
可控硅的导通与断开控制灯泡的亮灭。
ifn=0延时控制电路的工作原理：
见图2的电路图，在白天时，与非门U1A的输入端1脚为低电平，则3脚被锁定为高电平，与2脚的输入高低电平无关，所以电路封锁了声音通道，使声音信号不能通过，即灯泡亮灭不受声音控制。
这时，门U1A的3脚输出的高电平经过门U1B、U1C、U1D三次反相后成低电平，晶闸管D7无触发信号不导通，灯不亮。
当在夜晚同时有声音信号时，与非门U1A的输入端1脚和2脚都为高电平，则其输出为低电平，再经与非门U1B反相输出高电平，通过隔离二极管D1给电容C3充电，当C3充电电压达到与非门U1C的阈值电平时，使与非门U1D输出高电平，通过R5触发可控硅D7使其导通，主回路便有较大的电流通过白炽灯使其发光。
当声音消失后，与非门U1A的输入端的2脚变为低电平，则其输出端为高电平，从而使与非门U1B输出为低电平，因D1的阻断作用，电容C2只能通过R5缓慢放电，经过大约1分钟下降到与非门U1C的阈值电压以下，使与非门U1D输出低电平，当交流电过零点时，可控硅自动关断，白炽灯熄灭。
settalkon延时时间理论值为：
991201数据结构t=2∏RC=2∏×10uF×1M≈62.8S
6.外接电路
由白炽灯组成。
四、总原理电路及元器件清单
【答案】PROCEDURE或FUNCTION1．总原理图
endfor本设计声光双控电子开关的总电路图如图7所示。
48.计算刘明同学选修的所有课程的平均成绩，正确的SQL语句是________。
图7声光双控电子开关的总电路图
2．PCB制板图
本设计的PCB制板图如图8所示
图8声光双控电子开关的PCB制板图
3．整体电路仿真图以及仿真结果分析
用Mutisim仿真的电路如图9和图10所示。
图9为夜晚时的仿真图，图10为白天时的仿真图。
仿真时，光敏电阻用一个普通电阻代替。
在白天时，光敏电阻用阻值为20K的电阻代替，在夜晚时，光敏电阻用阻值为10M的电阻代替。
驻极体话筒用信号源V1和开关JI代替。
开关闭合时，表示有声音信号输入，开关断开时，表示没有声音信号。
仿真结果如下各图所示，220V市电的波形如图11所示；经过二极管整流后的脉动直流电压波形如图12所示；稳压管的电压值如图13所示；稳压管的稳压波形如图14所示；夜晚有声音时灯泡的电压值如图15所示；夜晚有声音时灯泡的波形如图16所示；
图9夜晚时的仿真图
图10白天时的仿真图
图11220V市电的波形图
图12二极管整流后的脉动直流电压波形图
图13稳压管的电压
图14稳压管的稳压波形图
图15夜晚有声音时灯泡的电压值
图16夜晚有声音时灯泡的波形图
仿真结果:
在白天，即RG为20K时，无论有无声音信号（图中的开关无论闭合与否），灯泡不亮；在晚上，即RG为10M时，当有声音时（开关闭合），灯泡发光，声音消失（把开关断开后），灯泡继续发光20s左右后自动熄灭。
此仿真结果表示该设计电路已达到了设计要求。
4．元件清单
序号
器件名称
主要参数及型号
数量
备注
R1
电阻
27K1/4W
1
AXIAL0.4
R2
电阻
2.2M1/4W
1
AXIAL0.4
R3
电阻
33K1/4W
1
AXIAL0.4
R4
电阻
180K1/4W
1
AXIAL0.4
R5
电阻
51K1/4W
1
AXIAL0.4
R6
电阻
1M1/4W
1
AXIAL0.4
R7
电阻
270K1/4W
1
AXIAL0.4
RG
光敏电阻
1
C1
瓷片电容
104
1
C2
电解电容
100uF/25V
1
RB0.5
C3
电解电容
10uF/50V
1
RB0.5
Q1
三极管
9014
1
TO92
D1
二极管
1N4148
4
DIODE
D2~D5
二极管
1N4007
1
DIODE
D6
稳压二极管
12V
1
DIODE
D7
可控硅
MCR100-6
1
TO92k
MIC
驻极体话筒
1
U1
集成芯片
TC4011BP
1
DIP-14
灯泡
40W
1
五、安装与调试
1.电路安装
先按照电路图将元器件安装在面包板上进行调试，安装前先检查元器件是否完好。
安装时要特别注意驻极体话筒、三极管和可控硅的极性及管脚分布。
调试成功后，按照印制电路板所示器件位置进行安装焊接。
所用印制电路板的大小约为50mm×45mm。
焊接驻极体话筒及电容时，应该拔电焊接，以免烧坏器件。
负载灯泡采用外接方式，不安装在印制电路板上。
注意在装接电路，改变电路连接或插、拔电路时，均应切断电源，严禁带电操作。
2.电路调试
在面包板上调试时，仔细对照原理图，先检查是否有漏接和短路现象，检查时可用数字万用表的蜂鸣档，两表笔分别接触两个点，若发出蜂鸣声，则表示此两点相连，若没有蜂鸣声，则此两点断开，等检查无误后，接上负载白炽灯以及220V交流市电进行检测。
在印制电路板上调试时，用以上方法检查整个电路板是否有虚焊、漏焊和短路现象，以免上电后烧坏器件，检查无误后，接上负载白炽灯以及220V交流市电进行通电检测。
调试时用万用表直流电压档测试集成电路U1的14脚应有12V左右的直流电压。
在有光无声音时测量三极管Q1的集电极C应为低电平，集成电路U1的1脚和2脚都为低电平，3脚输出高电平，4脚为低电平，则二极管D1把电流隔离，可控硅应不导通，灯泡不亮。
在有光有声音时，集成电路U1的1脚为低电平，2脚为高电平，3脚输出高电平，同上原理，白炽灯应不亮。
用不透明的盖子盖住光敏电阻RG。
在有声音时，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，可控硅应导通，白炽灯应能点亮并延时一段时间后自动熄灭。
达到以上要求，说明电路已调试成功。
注意：
由于电路外接220V的强电，所以通电调试时一定要注意安全。
六、性能测试与分析
测试电路各部分性能，各值如表2所示（注：
表中的管脚全部是集成芯片CD4011的各管脚，表中的“变化”表示测试时电压值处于变化状态）。
白天无声音
白天有声音
夜晚无声音
夜晚有声音
理论值
实际值
理论值
实际值
理论值
实际值
理论值
实际值
稳压管
12V
11.7V
12V
11.6V
12V
12.02V
12V
变化
1脚
1.2V
0.62V
1.2V
1.48V
12V
11.6V
12V
11.5V
2脚
0.1V
0.08V
8.3
变化
0.18V
0.08V
8.3V
变化
11脚
0V
0V
0V
0V
0V
0V
5V
6.8V
灯泡
16~10V
19~5V
16~10V
20~12V
16~10V
18~13V
219V
191V
延时时间
——————
62.8s
20s
表2电路的各部分值
通过测试发现，当有声音时，2脚的电压由大到小变化，用示波器观察到刚开始时跳变到很高的幅度，然后慢慢下降，这是由于瞬间有声音信号输入时，2脚电压会突然升高，声音信号消失后逐渐降低，声音信号是瞬间的输入，所以用万用表测试时只能看到变化的幅度和最后降到最小的电压，有声音输入时的瞬间电压值很难测试。
灯泡不亮时，即在白天或晚上没有声音时，灯泡两端的电压在变化，用示波器观察灯泡的波形图为不规则的正弦波。
在测试中发现延时时间的实际值和理论值相差远，本设计延时电路是由C3和R6组成（见图2），根据延时控制电路可知，理论延时时间应为：
t=2∏RC
根据此公式本设计的延时时间应为：
t=2∏×10uF×1M≈62.8S
而实际测得延时时间约为20S左右。
通过分析此现象，才知道公式t=2∏RC是电容放完电时使用的，而本设计中只要电容C3通过R6放电，使电压下降到与非门3的阈值电压以下，使与非门4输出低电平，灯泡就熄灭；根据4011的参数表1可知，4011的与非门的输入管脚电压大约为3V时就为低电平，则说明电容并没有放完电时灯泡就熄灭，所以导致理论值和测量值有大的误差。
测试时光敏电阻对光的接收很灵敏，驻极话筒对声音的拾取也较灵敏，可控硅起到了很好的开关控制作用，本设计实现了灯泡只有晚上有声音时才亮的功能，并且可以自动延时。
总体设计达到了要求。
七、结论与心得
本次课程设计成功地制作出了一个节能的声光双控电子开关，它能实现以下功能：
1.白天正常光照下，无论有无声音，灯泡不亮；
2.夜晚无声音的时候，灯不亮；有声音触发时，灯亮；
3.灯亮一定时间以后，自动熄灭且延时20S左右；
4.灵敏度较高
本设计安全节电、使用寿命长且成本低。
达到了设计的要求。
同时也实现了声光双控且能自动延时，可广泛使用于公共场所的照明控制，在日常生活中具有很大的实用性。
通过本课程设计，我进一步熟悉了各元器件的工作原理及功能，比如驻极体话筒和可控硅的管脚分布、参数及工作原理，进一步掌握了原理图的设计与电路板的焊接。
在电路的设计与调试过程中也遇到了很多问题，第一次在面包板上调试时，由于电路的一根线短路而导致调试失败，这使我明白了在调试电路时必须先仔细检查各部分电路的连接情况。
第一次在焊接好的电路板上调试时，由于把可控硅的A极与K极接反导致可控硅不导通，从而使电路不工作，这使我深刻认识到在用每一个元器件时，首先要查清楚它的pdf资料，明白它的工作原理及各管脚的功能。
八、参考文献
[1]康华光,《电子技术基础》数字部分（第五版），高等教育出版社出版
[2]彭介华,《电子技术课程设计指导》，高等教育出版社
[3]华成英,童诗白.《模拟电子技术基础》（第三版）清华大学电子学教研组编,高等教育出版社,2004
[4]杨旭东,刘行景,杨兴瑶.《实用电子电路精选》.化学工业出版社,1999
[5]华成英.《电子技术》北京.中央广播电视大学出版社,1996
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