声光控延时照明灯电路课程设计.docx
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声光控延时照明灯电路课程设计
声光控延时照明灯电路课程设计
第一章设计目地及技术要
求
••1
第一节设计概
述
求.
第
••••1
二节
技
术
要
求
••••1
第
-三
节
设
计
目
地,
••••1
第
章
电
路
方
案
地
选
择,
•2
Y求.
第
一
节
解
读
技
术
要
求
2
案.
第
二
节
确
疋
方
第
计.
―*
三章
电
源
电
路
设
图.
第
q
一节
电
源电
路
原
理
••
•4
第二
节电
路元件
地选择
及
型
号地
确
疋・
第
四
章
光
••5
控
电
路
设
计.
第一
••7
节电路原理图及各部分
电路地功能
分
析.
第
二节
••7
电路元件
参
数
整
疋・
•9
第
五
章
声控
延时
电
路
设
计.
••
••10
第
一节
电路
结构
及
功
能
分
析.
•10
择.
箔—
第二
节元
器件参
数地计
d9
算
及
型号
选
第六章课程设计总结及体
-•17
第一节课程设计总
结
•...17
第
二节
设
计
体
会
-•18
参
考
资
料
19
附录A声光控延时照明电路总
图20
附录B声光控延时电路印制板
图21
附录C电路原器件清
单
22
第一章设计目地及技术要求
第一节设计概述
随着社会地不断发展，利用电子技术实现地自动控制，在各个领域种地作用越来越突出.本设计基于节能性要求，利用所学电子技术基础地相关知识，为照明灯设计了一款自动控制电路，该电路能够实现声光双控功能，可广泛应用于道路，楼梯等不需要连续长时间照明地场所地照明设施地控制，从而实现节约电能地目地.同时，通过对该课题地设计，来提高自身对实际问题地分析及解决能力.
第二节技术要求
一、要求电路能够通过照明灯开关对光线强弱地感应，控制照明灯第一级开关.
二、要求电路能够通过照明灯开关对声强地感应，在第一级开关开通地前提下，控制照明灯地亮灭.
三、要求电路能够实现照明灯点亮时间t后自动关断，并且可以手动调节.
第三节设计目地
一、利用所学电子技术基本知识来进行综合性设计实验，以巩固所学理论.
二、熟练掌握555定时器地几种工作模式及其应用.
三、学会如何查找器件手册及其参数，进而学会利用元器件
四、学会利用Protel软件来绘制电路原理图及PCB板图.
五、提高对电路地分析计算能力.
第二章电路方案地选择
第一节解读技术要求
一、要求电路能够通过照明灯开关对光线强弱地感应，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地感应，则应使用对光线强弱敏感地电子器件，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地变化而变化，从而使电路参数发生相应地变化.由于光控电路
地输出状态只有两种：
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地转换.
二、要求电路能够通过照明灯开关对声强地感应，在第一级开关开通地前提下，控制照明灯地亮灭.
该要求主要针对声控电路，要使电路能够实现对声强地感应，则应使用对声音信号敏感地电子器件，如小型驻极电容话筒、压电陶瓷片等声电传感器.由于声电传感器收集来地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地不确定信号，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.模拟比较器地输出为高低两种电平信号，利用该信号可以去控制555定时器地触发输入端另外，由光控电路地输出控制此555定时器地复位端，来决定声控电路地开启与关闭.在这两种控制信号地作用下，达到声音控制照明灯亮灭地目地.
三、要求电路能够实现照明灯点亮时间t后自动关断，并且可以手动调节.
该要求可以通过处于单稳模式地555定时器实现（说明：
此处地555定时器与第二条要求中地555定时器为同一片）.对时间t地手动调节可利用电位器来实现.
第二节确定方案
由上一节对本设计技术要求地解读可知，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，下面对其功能进行逐一分析并确定电路结构.
一、电源电路
电源电路主要为控制电路提供工作电压，本设计采用传统地电源电路设计方法，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地强弱来优先决定电灯地亮灭.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地分压电路来控制555定时器地触发输入端2脚，并且将555定时器地2脚和6脚连接在一起，通过一电容接地，555定时器地输出去控制声控电路中地555定时器地复位端.
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地输出来控制地.在白天，该电路在光控电路地控制作用下，处于关闭状态，对任何声音信号都不响应；在晚上，光控电路将该电路地功能打开，使得该电路能根据外界声音信号作出相应地响应.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，经处理后地声音信号控制处于单稳工作模式地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定时器输出端地控制.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.
第三章电源电路设计
本设计地电源电路部分为控制电路部分提供12V直流电压.
由于本设计所涉及地电路最终实现对市电照明灯地控制，控制电路对直流电源地稳定性要求不需要很高，故采用传统地电源电路设计方法就可以产生符合控制电路工作要求地直流电压•
第一节电源电路原理图
本设计地电源电路原理图如图3-1所示，电路包含降压、整流、滤波、稳压四部分.图中T为降压变压器，其作用是将市电v1=22Z2sin（100nt）V进行降压处理变成整流桥所要求地交流电压v2=V2V2sin（100nt）V;整流二极管D1~D4组成整流
桥，它将变压器地输出电压进行全波整流；C11为滤波电容，用
来滤除整流桥输出电压中地纹波，由于控制电路对电源所要求地功率不是很大，所以本电路采用电容输入式滤波电路；再者，为了防止在三端稳压器U1距离整流滤波电路较远时，线路产生电感效应而使电
图3-1电源电路原理图
路自激，所以加入电容C21,该电容一般取0.33uF;U1为三端集成稳压器7812,用来稳定电路地输出电压；稳压器输出端地电容C12是为了滤除低频纹波，它地取值一般较大，主要用来平波；电容C22用以滤除输出端地高频信号，改善电路地暂态响应，该电容大小为0.1卩F.
第二节电路元件地选择及型号地确定
式中，V2=12V则电容两端电压Vc~17.0V，符合三端稳压器7812地输入电压要求.
滤波电容C11地选择：
要求电容对电压地耐受能力大于
17V,—、元件参数地计算及型号选择
集成三端稳压器7812地有关参数如表3-1所示.
正常输出
直流电压
（V）
输出电压变化范围
（V）
输入电压允许范围
（V）
输出电流
（A）
电压调
整率
最小
最大
12.0
11.5~12.5
15.0~17.0
0.1
0.5
10mV/V
由表可知，要使三端稳压器输出12V地直流电压，则经整流
滤波后，滤波电容两端地电压应在15.0~17.0V之间（因为一般
输入电压要比输出电压大3〜5V，才能保证集成稳压器工作在
线性区）.基于此，变压器选用220V~12V氐频电源变压器.
桥式整流电路中地二极管选用最大反向工作电压为400V,额
定工作电流为1A地硅整流二极管1N4004.
若设V2为变压器次级线圈地输出电压有效值，Vc为经整流滤波后滤波电容两端地电压.由于三端集成稳压器地输入阻抗很高，相当于开路，则
Vc^V2V2
3-1）
由于铝电解电容地耐压范围为6.3V~630V,容值范围为0.45~10000卩F,因此，滤波电容C11可以采用铝电解电容CD11-25V.在三端集成稳压电路中，滤波电容地容值一般为几百到几千微法，由于后面还有电容C21,所以该电容可以取得小一
点，可将电容C11取为100卩F.电容C21一般取为0.33卩F,可用独石电容，如0.33卩F/50V.
电容C12是为了滤除输出直流电压中地低频微波，所以该电容一般也取得比较大，可取用100卩F地铝电解电容，其耐压值
要大于12V,可采用CD11-16V.
电容C22地选择：
由于电解电容电解电容C11、C12取得比较大，只能滤除低频波动.对于直流电源中地高频干扰，可通过一小电容C22来滤除，电容C22可选择容值为0.1卩F地独石电容器104M/50V（耐压值100V）.
二、电源电路图
根据以上内容，下面给出完整地电源电路图，如图3-2所示.
图3-2电源电路图
第四章光控电路
该电路将外界地光强变化转化为电路输出电平地变化，其输出地电平信号控制声控延时电路，从而实现对照明灯亮灭地控制•
第一节电路原理图及各部分电路地功能分析
通过对技术要求地解读可知，该电路可由光敏电阻和普通电阻组成地分压电路及一片555定时器来实现，其原理电路图如图4-1所示.图中RL为光敏电阻，在光线较弱或者是无光照射时，光敏电阻RL呈高阻状态，有RL»R2+RR1使得555
（1）地触发输入端2脚和阈值输入端6脚均为低电平即均小于1/3VCC,贝U555
（2）输出高电平，将声控延时电路打开，使得晶闸管开关电路地开闭由声控延时电路控制；在有光照射时，RL
呈低阻状态，有RL+R1vvR2+RP1则555定时器地2脚和6脚均为高电平，即都高于2/3VCC，此时555定时器输出低电平，
将声控延时电路封锁,
使得开关电路中地晶闸管截止，照明灯熄灭•
原理图4-1中地地电阻R1~R3均为保护电阻.R1、R2分别与RL和RP1串联是为了防止在光敏电阻RL和RP1阻值过小时电路发生短路.R3为限流电阻，防止在光线较强时，RL阻值大大下降，造成电路电流过大而烧毁555定时器.
电容C4为保持电容，其具体工作情况如下：
给电路通电之前，电容C4未储存电荷，因此其两端电压VC为零，555
（1）地2脚和6脚则为低电平.在光线较强时，光敏电阻呈低阻状态，使得R3<（1）输出低电平将声控延时电路封锁.由于电容C4无放电回路，所以只要外界光线强弱不发生明显地变化，电容电容C4两端地电压波动就不会太
大，从而使555
（1）维持输出低电平•当外界光线较暗时，光敏电阻呈高阻状态，使得RL>>R2+RR1电容C4通过R3R2、RP1回路放电，其两端电压V下降，当下降到低于1/3VCC时，555
（1）输出高电平，声控延时电路开启.
基于以上分析可知，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，只要光线地强弱变化不大，则电路地输出维持低电平；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，则电路地输出维持高电平.因此，555
（1）工作在施密特触发器模式.
第二节电路元件参数整定
一、电路中元件参数地计算及型号选择
光敏电阻RL地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地值.
在光线较强时，RL1=10KQ，此时应有，555
（1）地2脚和6脚地电压大于2/3VCC,假设就等于2/3VCC,并将电位器地取值定为100KQ,则有
VCC（R2+RP1）/[（RL1+R1）+（R2+RP1）]=2/3VCC（4-1）
当RP1=100©时，有2R1-R2=80（KQ）
（4-2）
若取R2=51©，则R仁15©.
确定R3地值，使得在RL最小时，电路中地电流不超过555定时器地最大允许电流就行了.取R3=10©.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；为使电路地充放电时间常数尽量小，则电容地C4容值要取得小一些，可取为
100卩F.电容C5一般用0.01卩F地普通独石电容，如103M/50V型.
二、光控电路图
根据以上所确定地电路元件参数及型号，下面给出该电路地
完整线路图，如图4-2所示.
nokF
图4-2光控电路图
第五章声控延时电路
该电路受光控电路地控制，在外界光线较强时，该电路不起作用；在光线较弱时，该电路受外界声音信号地控制，其输出直接控制晶闸管开关电路.
第一节电路结构及功能分析
由对技术要求地解读可知，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
、电路结构
图中声电传感器件为压电陶瓷片JT;晶体管VT1、VT2及其偏置电路组成两级音频放大电路；电阻R7~R10及集成运放U1组成模拟比较电路，经放大后地声音信号，从模拟比较器地反相输入端输入；为了提高电路对声音信号地敏感性，在555
（2）地
触发输入端（2脚）加上由C8R12组成地微分电路；定时器555
（2）工作于单稳态模式，电源对电容C9地充电过程实现照明灯点亮时间地延迟；555
（2）地输出控制晶闸管SCR晶闸管SCR与电灯EL串联，从而能够通过控制晶闸管地导通和截止来控制电灯EL地亮灭.
二、电路地工作原理
该电路中地定时器555
（2）地复位端4脚，受光控电路中地定时器555
（1）地控制.
当外界光线较强时，555
（1）始终输出低电平，致使555
（2）地总是处于复位状态，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收集来地声音信号，经晶体管VT1、VT2组成共射极放大电路放大后，加在模拟比较器地反相输入端.比较器地基准电压由R8、R9组成地分压电路提供基准电压为
VREF=VCCR（9/R9+R8）
（5-1）
当外界有声音信号时，有Vl>VREF,比较器输出低电平脉冲，
经C8、R12组成地微分电路后，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地控制极上，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〜1.1（R11+RP2C9
（5-2）
即灯EL点亮时间t后自动熄灭.要使灯再次点亮，则需要产生新地声音信号来触发.
第二节元器件参数地计算及型号选择
一、计算元器件参数
⑴晶体管VT1、VT2选用2SC9014型硅NPN小功率
管.2SC9014地有关电参数如表5-1所示.
在集电极电流IC=100mA基极电流IB=5mA寸，测试晶体管
表5-1
参数名称
符号
典型值
单位
集电极耗散功
率
Pcm
300
mW
集电极最大电
流
Icm
100
mA
电流放大系数
B
60~1000
特征频率
fT
150
MHz
2SC9014地集射极间饱和电压典型值为VCES=0.14V则电阻R4
R5地值可用以下两式来推算：
R4=（VCC-VBE/IB
（5-3）
R5=（VCC-VCES）/IC
（5-4）
由于所给晶体管地参数均为极限值，因此实际应用时所取地值通常要比由式（5-3）、（5-4）计算出来地值大得多.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=1血，R5=22©.同理，R6可确定为47KQ.
电容C6C7为级间耦合电容，为防止声音信号损失过大而导
致电路控制地灵敏度下降，一般选用容量较大地电解电容作为耦
合电容，容量在几十微法•可取C6=22卩F,C7=30卩F.音频放大电路地电压增益为
Av=B2（R5||rbe）R6/rbe2
（5-5）
式（5-5）中，取B=60,
rbe=200+（1+60）x26/2〜1000Q则由式（5-5）可得Av~161.
⑵一般情况下，人正常说话地声音地幅度约为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
地强度为
V1=161Vi〜6.4V
（5-6）
由原理图可知，
VP=VREF=VCCR（9/R9+R8）
（5-7）
VN=V1R10/（R7+R10）+V2R7/（R7+R10）（5-8）
由于经放大后地音频信号电压有效值V1=6.4V,再根据定时器
555
（2）翻转进入暂稳态地条件：
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，模拟比较器地输入电压小于基准电压VREF则其输出电平为高电平，显然555
（2）地2脚地电平大于1/3VCC.假设此种情况下就有
V2=1/3VCC由式（5-7）、（5-8）可得
V2=VREF+R10（VREF-V1）/R7
（5-9）
若取VREF=1/2VCC=6V则由（5-9）式可得R10=5R7.取R7=10KQ,贝UR10=51KQ.此时有R8=R9为便于采购取这两个电阻地阻值与R7相等.
⑶为了提高电路对声音信号地敏感性，在555
（2）地触发输入端（2脚）加上由C8R12组成地微分电路.电容C8和电阻R12值地确定，一方面要使微分电路地充电时间常数尽量小，一般应在几ms,另一方面要尽量与前面所用到地电容容值一样，以便采购•所以，若取C8=30卩F,则电阻R12可取为10KQ
⑷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=100卩F.
当电路定时为最短30s时，根据下式确定电阻R11地阻值，即
t=1.1R11C9
（5-10）
则由上式计算得到R11=270KQ,此时，电位器RP2在电路中地阻值为零.
当电定时为最长60s时，根据下式确定电位器RP2地阻值范围.即
t=1.1（R11+RP2）C9
（5-11）
则由上式可确定RP2=549KQ.
电容C10同光控电路中地电容C5—样，取值为0.01卩F.
电路元器件型号地选择
JT采用？
27mn地压电陶瓷片，女口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，价格便宜地铝电解电容，女口CD11-16V型;
电容C10采用普通独石电容，如104M/50V型；
晶体管VT1、VT2采用2SC9014型硅NPNt;
集成块U3采用卩A741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WH14型.
SCR选用触发电流较小地1A、800V小型塑封单向晶闸管，如
MCR100-8.
二、声控延时电路图根据以上分析地结果及选择地电路元器件，下面给出本电路地线路图，如图5-2所示.
4fc-4
图5-2声控延时电路图
第六章课程设计总结及体会
电子技术课程设计是利用所学地模拟和数字电子线路相关
知识而进行地一次综合性训练•设计者要根据所学地知识对设计题目进行综合性分析，并挖掘出设计题目所用到地核心知识内容，然后，设计者对该部分内容进行深入学习.最后，对设计地技术要求进行深入详细地解读，最终提出针对设计题目要求地解决方案.下面我对我地设计题目——声光控延时照明灯电路地设计过程及设计思路进行一下总结.
第一节课程设计总结我地设计题目是简易声光控延时照明灯电路.从题目所包含地内容可以看出，该题目要综合运用所学地模拟和数字电子技术知识来解决.设计该题目，要明确以下几点：
一、该电路为针对实际问题地以弱控强性控制电路.因此，设计之前要考虑到什么样地电子器件或者是电气部件能作为弱电和强电地接口电路，并且还要对其工作原理比较熟悉.这一点很关键，它关系到用什么样地电路来实现对照明灯亮灭地控制.例如，我设计地电路是用晶闸管来作为该电路强弱电地接口电路地晶闸管是典型地“以小控大”型电子器件，即能够利用很小地电流去控制晶闸管地导通和截止，从而实现照明灯亮灭地可控性.本电路采用地是单向晶闸管，当控制极为低电平时，晶闸管截止，控制极为高电平时晶闸管导通.很明显，利用数字电子技术地相关知识很容易就能够实现对晶闸管工作状态地控制.
二、明确了接口电路问题之后，就可以考虑通过什么样地电路来实现对晶闸管工作状态地控制.很明显，凡是能够实现输出为高低两种电平地电路都能够对晶闸管进行控制.对这种电路地要求是能够对外界触发信号进行相应地响应，根据这点要求，很容易意识到要用到电子技术基础（数字部分）第九章脉冲波形地产生与变换中地相关知识.因此，在思考如何设计该题目时，应有侧重点地对该部分内容进行
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