吴清涛 001207.docx
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吴清涛001207
电路CAD课程设计报告
设计题目：
声光控电子开关
专业班级：
电子信息1001
学号：
2010001207
学生姓名：
吴清涛
同组学生：
喻晓彬陈攀峰
题目：
声光控电子开关
摘要
在学校、机关、厂矿企业等单位的公共场所以及居民区的公共楼道，长明灯现象十分普遍，这造成了能源的极大浪费。
在本设计中介绍了多种声光控路灯控制器的组成、性能，适用范围及工作原理，给出各电路原理图及元件参数选择，节电效果十分明显。
天黑有人走过楼梯通道时，当有脚步声或其它声音时，楼道灯会自动点亮，提供照明，当人们进入家门或走出公寓，楼道灯延时几分钟后会自动熄灭。
在白天。
即使有声音。
楼道灯也不会亮，可以达到节能的目的。
声光控延时开关不仅适用于住宅区的楼道，而且也适用于工厂、办公楼、教学楼等公共场所，它具有体积小、外形美观、制作容易、工作可靠等优点。
Abstract
Inschools,institutions,factoriesandminesenterprisesandotherunitsofpublicplacesandresidentialareaofthepubliccorridor,theever-burninglampsphenomenonisverycommon,itcausedagreatwasteofenergy.Inthedesignofthevarietyofacousticopticalstreetlampcontrollerarereviewedinthispaper,performance,applicationscopeandprinciple,givesthecircuitprinciplediagramandcomponentparameterselection,powersavingeffectisveryobvious.Whensomeonedarkstairschannel,whenthefootstepsorothersounds,corridorlightslightupautomatically,providelighting,whenpeopleenterthehouseoroutoftheapartment,corridorlightsdelaywillautomaticallyputoutinafewminutes.Duringtheday.Evenifthereissound.Corridorlightswillnotbright,canachievethegoalofenergysaving.Acousticopticaldelayswitchisnotonlyapplicabletotheresidentialcorridor,butalsoisapplicabletofactories,officebuildings,buildingsandotherpublicplaces,ithassmallvolume,beautifulappearance,easyproduction,reliablework,etc
目录
电路CAD课程设计报告-----------------------------------------------------------------------1
一、设计任务和要求-----------------------------------------------------------------------------4
二、方案选择与论证-----------------------------------------------------------------------------4
三、单元电路设计与计算说明----------------------------------------------------------------6
四、元器件选择和电路参数计算的说明---------------------------------------------------13
五、PCB板图-----------------------------------------------------------------------------------15
六、感想与心得---------------------------------------------------------------------------------16
七、参考文献------------------------------------------------------------------------------------17
前言：
随着社会的发展，电子信息、传感器产品在日常生活中屡见不新，更新的速度也飞之极快。
在学习《自动转换与测量技术》中我们也了解了一些常用传感器。
传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官，也就是我们所说的将非电量转化为电量的一种仪器。
基于传感器的设计与制作，我选择以光敏传感器为核心，并利用在PCB课程中所学的声光控开关来设计我的课题。
其声光控在生活应用中随处可见，实用性也较为广泛，因此把由光敏传感器组成的声光控开关电路作为本次课题。
一、设计任务和要求
1、设计办公大楼、写字楼或居民住宅楼内应用的声光控灯开关。
2、在白天照度较高时，即楼道内光线充足时本开关不启动，灯熄灭。
3、夜晚楼道内光线较差时，若楼道内充分安静（无人行动时），灯泡不启动。
4、若在光线较差的楼道内有人发出声响，就启动该装置使灯泡点亮。
5、画出电路图
（1）用protel绘制电路图
（2）布局合理、排列均匀、图面清晰、便于看图、有利于对图的理解和阅读。
（3）图形符号要标准，图中应加适当的标注。
二、方案选择与论证
根据技术要求，此声控灯开关可由以下几个单元组成：
.
图1整体框图
图2电路原理图
由四个二极管组成的桥式整流电路将输入电路的220v50hz交流电压变换成脉动直流。
该脉动直流电压一路由R6和R1分压后得到传感及逻辑控制电路所用的电压VCC；
当BT169的控制极（栅极）为高电平且输入的交流信号Vi=COS（wt+Φ）处于正半周期时，电流由D2→地→D4→灯流过而将灯点亮。
当Vi处于负半周期时，电流由灯→D3→地→D1而将灯点亮。
当BT169的控制极为低电平时，晶闸管截止，此时不会产生驱动灯的电流，此时灯是熄灭的。
由此可见，灯的亮灭是由晶闸管的控制极电平决定的。
因此，关键的问题是如何控制其栅极电平的高低。
有光时灯灭；无光无声时灯灭；无光有声时灯亮。
参见图2，对光敏电阻RW而言，当有光时，RW<2kΩ，此时HD14011的1脚亦即第一个与非门的一个输入端为低电平（地），所以3脚为高电平、4脚为低电平，10脚为高电平，11脚为低电平（后文设上述由左至右四个与非门的输出分别为A,B,C,D），则此时晶闸管截止，灯泡是暗的。
相反，如果无光时，RW>2MΩ，此时HD14011的1脚是高电平，此时第一个与非门的输出取决于2脚的状态，而2脚的状态将由噪声传感器来决定，当没有声音时，2脚为低电平，因此A为高电平，B为低电平，C为高电平，D为低电平，此时晶闸管截止，灯泡为暗。
当有声音产生时，在麦克两端产生一个交流信号，经过电容而将2脚置成高电平，此时A为低电平，B为高电平，C为低电平，D为高电平，从而将晶闸管触发导通，灯泡点亮，同时由于B点为高电平，可对电容C2充电，这样，当声音消失之后，由于C2和R7的存在，使C点维持在低电平直到C2放电结束，在此过程中，灯泡将会一直保持在亮的状态直至此过程结束。
三、单元电路设计与计算说明
1、我说设计的是光控模块设计
1.1光敏传感器
光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。
光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。
光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。
光敏传感器的种类繁多，主要有：
光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、光电耦合器、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。
1.1.1光敏电阻的结构与原理
光敏电阻器又叫光感电阻，其工作原理是基于内光电效应。
光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
光敏电阻的符号如图1-1所示。
图1-1光敏电阻
构成与原理：
用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。
在黑暗环境里，它的电阻值很高，通常大于1MΩ。
当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。
光照愈强，阻值愈低。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。
光电特性：
在光敏电阻两级电压固定不变时，光照度与电阻及电流间的关系称为光电特性，光电特性曲线如图1-2所示
图1-2光敏电阻特性曲线
本设计所选用光敏电阻RW而言，当有光时，RW<2kΩ无光时，RW>2MΩ。
1.2光控电路及仿真
有光时开关闭合，相当于光敏电阻电阻很小；无光时开关断开，相当于光敏电阻阻值很大。
当然也可以去掉开关，用调节电阻值的方式模拟有光无光时的光敏电阻的阻值变化，但是相对来说比较麻烦所以并联一个开关。
无光时仿真电路结果：
有光时仿真结果：
2、声控模块设计
声控电路是用声音控制电路的设备，其作用是把送入的声波转换为电信号，从而用这种信号去控制所需要的电器设备。
常用的电路有：
小信号放大电路、声波控制电路等。
而常用的声控电路使用的是声波控制电路为主要的声控电路部分。
该传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。
声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。
因为要有声音的接收媒介，则选择MIC做为接收信号源，工作原理：
话筒将声音信号转化为负极性的电信号。
声控电路通过声音信号控制可控硅C106M的导通状态，其特征在于，所述声控电路包括电源部分，谐振放大部分及触发器，电源部分通过电容降压、整流及稳压提供声控电路所需的直流电压，谐振放大部分包括多极三极管放大，话筒接在第一级放大三极管的基极上并由电容耦合，一个由电感和电容构成的振荡电路接在末级放大三极管的基极上，放大后的信号影响触发器的翻转，并最终控制可控硅的控制极的电位。
当光线不足或黑夜时，MIC接收到声信号，开始工作。
3、整流模块设计
3.1电源电路的设计
本次声光控开关设计是为日常生活中所能实际应用而设计，所以采用交流电源220V为整个电路供电
3.2整流电路的设计
整流电路有单相桥式整流电路，单相半波整流电路，单相全波整流电路等。
本系统选用单相桥式整流电路。
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路如图5所示。
在分析整流电路工作原理时，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5的电路图可知：
当负半周时二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。
当正半周时二极管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。
单相桥式整流电路的波形图见图5
图5整流电路及波形图
波整流的输出是交流输入电压的0.9倍，效率高，直流电压平稳。
能充分利用变压器的功率。
半波整流输出是交流输入的0.45倍，效率低。
在负载电流较小的场合也可用半波整流。
4、延时电子开关电路
根据所学的数字电路中的与非门逻辑与其他的分立原件设计，采用集成CD4011。
延时电路的设计主要由C3和R8组成。
当夜晚有响声（如脚步声、说话声等），话筒接收到信号后内阻增大，CD4011的1、2脚为高电平，5脚为低电平，D5截止，C3通过R8放电，放电的时间长短决定了灯亮的时间，直到C3上的电放完到CD4011的8脚，这时为低电平，灯泡熄灭，等待下一次信号。
图3延时电路部分
由R7、C2组成延时电路，要求延时为1min，与非门工作高低电平为3.4V,0.3V
延时T计算公式：
t=R7C2ln（Vt+/Vt-）算得R8=1.1MΩC2=22uf
5、CD4011的工作原理
集成电路CD4011是一个包含4个与非门的CMOS电路（如图3-2），每个与非门有2个输入端一个输出端，与非门的特点是，输入端有低电平输出高电平，输入端全部高电平输出低电平，逻辑表达式为：
。
CD4011内部结构
与非门的高低电平的输入确定
NPN的参数为：
β=50Vce（sat）=0.3VVbe=0.7V
如果无光时，RW>2MΩ，与非门有一脚是高电平，此时第一个与非门的输出取决于另脚的状态，此脚的状态将由噪声传感器来决定。
当没有声音时：
灯不亮，要求第一个与非门的一脚为低电平，即使三极管工作在饱和区满足条件，且输出的电压为0.3V。
此时A为高电平，B为低电平，C为高电平，D为低电平，此时晶闸管截止，灯泡为暗。
由三极管的工作参数得：
Ibs=（Vcc-Vce）/R5β=0.18uA
Ib=（Vcc-Vbe）/R2=1.4uA在饱和工作区不满足Ic=βIb且Ib>Ibs
令Ib=10Ibs
由此可得R8=510KΩR2=47kΩ
当有声音时：
灯亮，要求第一个与非门的一脚为高电平，三极管工作在放大区且输出高电平3.4V。
在麦克两端产生一个交流信号，经过电容而将脚置成高电平，此时A为低电平，B为高电平，C为低电平，D为高电平，从而将晶闸管触发导通，灯泡点亮。
R=R2//R4算得R=21.4Ω
I=Ib+Vce/R算得I=12.2mA
满足声音传感器的额定电流I=12.2mA，电压1～12V。
晶闸管的工作原理
晶闸管的工作原理分析：
晶闸管可用两个不同极性（P-N-P和N-P-N）晶体管来模拟，如图G1所示。
当晶闸管的栅极悬空时，BG1和BG2都处于截止状态，此时电路基本上没有电流流过负载电阻RL，当栅极输入一个正脉冲电压时BG2道通，使BG1的基极电位下降，BG1因此开始道通，BG1的道通使得BG2的基极电位进一步升高，BG1的基极电位进一步下降，经过这一个正反馈过程使BG1和BG2进入饱和道通状态。
电路很快从截止状态进入道通状态，这时栅极就算没有触发脉冲电路由于正反馈的作用将保持道通状态不变。
如果此时在阳极和阴极加上反向电压，由于BG1和BG2均处于反向偏置状态所以电路很快截止，另外如果加大负载电阻RL的阻值使电路电流减少BG1和BG2的基电流也将减少，当减少到某一个值时由于电路的正反馈作用，电路将很快从道通状态翻转为截止状态，我们称这个电流为维持电流。
在实际应用中，我们可通过一个开关来短路晶闸管的阳极和阴极从而达到晶闸管的关断。
等效图如下：
等效图
图8晶闸管的工作原理图
四、元器件选择和电路参数计算的说明
1．总原理图
2．说明
1、晶闸管栅极高电平时导通，低电平时截止。
2、当有光时，CD4011的1脚为低电平，无论2脚为高电平还是低电平3叫都为高电平，则5脚6脚为高电平，4脚为低电平，D5不导通则8脚9脚为低电平，10脚为高电平，13脚和12脚也为高电平，所以11脚为低电平，晶闸管截止，灯泡不亮。
3、当无光无声时，CD4011的1脚为高电平，但是2脚扔为低电平所以逻辑运算到最后13脚为、低电平所以晶闸管截止，灯泡不亮。
4、当无光有声时，CD4011的1脚和2脚都为高电平，则3脚为低电平，5脚和6脚为低电平，则4脚输出高电平，D5导通，C3充电，则8脚和9脚为高电平，10脚为低电平，应此12脚13脚为低电平，最终11脚为高电平此时晶闸管导通。
当声音消失时，2脚变为低电平，4脚变为低电平，但是由于之前C3充电所以8脚和9脚仍然保持高电平一段时间，知道C3通过R8放电结束后，8脚和9脚变为低电平，所以最终11脚为低电平，晶闸管截止，灯泡熄灭。
3．元器件清单
元件序号
型号
主要参数
封装
数量
备注
R1
RES2
120k
AXIAL0.3
1
R2
RES2
47k
AXIAL0.3
1
R3
RES2
47k
AXIAL0.3
1
R4
RES2
2.2M
AXIAL0.3
1
R5
RES2
1M
AXIAL0.3
1
R6
RES2
10k
AXIAL0.3
1
R7
RES2
470k
AXIAL0.3
1
R8
RES2
1.1M
AXIAL0.3
1
R9
RES2
AXIAL0.3
1
光敏电阻
D1
1N4007
DIODE0.7
1
D2
1N4007
DIODE0.7
1
D3
1N4007
DIODE0.7
1
D4
1N4007
DIODE0.7
1
D5
1N4007
DIODE0.7
1
D6
MCR22_8
TO-92
1
晶闸管
Q1
NPN
2N6715
TO-92
1
U1
CD4011
DIP14
1
C1
CAP
100nf
RAD0.2
1
C2
ELECTRO1
10uf
RB.2/.4
1
C3
ELECTRO1
10uf
RB.2/.4
1
五、PCB板图
六、结论与心得
通过这次的电路CAD课程设计，我学会了用protel99se绘制原理图和PCB电路板，也进一步熟悉了multisim11的操作，并且在仿真过程中复习了电路的基本知识，并学会了当相关元件在库中找不到时用相似的元件去代替。
另外，熟悉了sch原理图的绘制，更深入了解了元件封装的含义及其作用，尝试了手动布局和布线。
总之，收获颇多。
当然在课程设计过程中也遇到了一些问题，比如电路图由于某些元件在库中找不到而导致无法仿真成功，画PCB板时出现莫名其妙的问题，当然最后在老师和同学的帮助下都得到了很好的解决，在此表示感谢。
参考文献
[1]郭勇.PROTELDXP2004SP2印制电路板设计教程.机械工业出版社[M].2009
[2]梁森、黄杭美.自动检测与转换技术.机械工业出版社[M]2010
[3]周绍敏.电工基础.高等教育出版社[M].2009
[4]XX百科传感器
本科实验报告
课程名称：
传感器原理及应用
实验项目：
温度传感器实验
实验地点：
传感器实验室
专业班级：
电子信息1001
学号：
2010001207
学生姓名：
吴清涛
指导教师：
武娟萍
2013年11月5日
本科实验报告
课程名称：
传感器原理及应用
实验项目：
单臂电桥性能实验
实验地点：
传感器实验室
专业班级：
电子信息1001
学号：
2010001207
学生姓名：
吴清涛
指导教师：
武娟萍
2013年11月5日
本科实验报告
课程名称：
传感器原理及应用
实验项目：
半桥性能实验
实验地点：
传感器实验室
专业班级：
电子信息1001
学号：
2010001207
学生姓名：
吴清涛
指导教师：
武娟萍
2013年11月5日
本科实验报告
课程名称：
传感器原理及应用
实验项目：
全桥性能实验
实验地点：
传感器实验室
专业班级：
电子信息1001
学号：
2010001207
学生姓名：
吴清涛
指导教师：
武娟萍
2013年11月5日
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