电工电子技术课程设计.docx
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电工电子技术课程设计
题目___声光控延时电路的设计___
班级___10信息一班
学号_____09_____________
姓名_____钟庆平_______________
指导_____金老师____________
时间___2012-12-20
景德镇陶瓷学院
电子技术课程设计任务书
姓名钟庆平班级10信息指导老师金老师
设计课题：
交通灯控制器设计
设计任务与要求
查找一个感兴趣的电工电子技术应用电路，要求电子元件超过30~50个或以上，根据应用电路的功能，确定封面上的题目，然后完成以下任务：
1、分析电路由几个部分组成，并用方框图对它进行整体描述；
2、对电路的每个部分分别进行单独说明，画出对应的单元电路，分析电路原理、元件参数、所起的作用、以及与其他部分电路的关系等等；
3、用简单的电路图绘图软件绘出整体电路图，在电路图中加上自己的班级名称、学号、姓名等信息；
4、对整体电路原理进行完整功能描述；
5、列出标准的元件清单；
设计步骤
1、查阅相关资料，开始撰写设计说明书；
2、先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；
3、依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；
4、列出标准的元件清单；
5、总体电路的绘制及总体电路原理相关说明；
6、列出设计中所涉及的所有参考文献资料。
设计说明书字数不得少于3000字。
参考文献
1、何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月2、姚福安，电子电路设计与实践，山东科技技术出版社，2001年10月3、澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4、银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5、华光，电子技术基础，高教出版社，2003年
6、振振，数字电路逻辑设计，大连理工大学出版社，2000年
7、潭电机制造学校，可控硅技术，机械工业出版社，1979年
8、德宁数字电路与逻辑设计实验技术北京邮电学院出
9、吉祥电子技术基础实验与课程设计电子工业出版社2002.2
10、自美主编电子线路设计实验测试版社（第二版）华中科技大学出版社2000.7
目录
1、总体方案与原理说明.................................4-5
2、光控电路………..........................6
3、声控电路........................................7
4、延时电路........................................8
5、总体电路原理相关说明..................................9-11
6、总体电路原理图......................................12
7、元件清单..........................................13
8、参考文献........................................14
9、设计心得体会......................................15
1、总体方案与原理说明
随着人们生活现代化水平不断提高，国民经济的快速发展，电力的供需矛盾日益加剧生产更多的电即意味着要消耗更多的煤、石油、天然气、核原料等不可再生资源，还会带来许多相应的环境问题。
为此，我们应该从身边做起，珍惜并节约每一度电。
所以，现在很多住宅楼道都安装了自动控制楼道灯。
图1声光双控电路框图
如图1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。
桥式整流电路将220V市电变成脉动直流电压，再经过限流，稳压，滤波输出12V直流电压，为集成块及三极管提供电源。
声音信号和光敏电阻感受到的光信号以“与”的关系来控制集成块输出高低电平，构成的延时电路，实现自动延时，然后集成块的输出控制晶闸管的导通和断开，从而控制灯泡的亮与灭。
2．光控电路
图2光控电路
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。
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/（360+20）≈0.63V
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。
3．声控电路
图3声控电路
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。
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．延时电路
图4延时电路
当夜晚．同时又有外界声音信号时，控制门（与非门）D2的两个输入端均为高电平，输出为低电平，VD1导通，在VD1导通的瞬间，C3被迅速充电，在声音信号过后，VD1虽然恢复了截止，但由于C3储存电荷需要通过高值电阻慢慢放电，从而使与非门D3的输入端仍然保持低电平“0”，所以电灯EL不会马上熄灭。
随后则C3的放电，与非门D3的输入端得电平不断升高，当升至与非门阈值电压时，与非门D3发生翻转，输出端就变成低电平“0”，晶闸管SCR当交流电过零时即关断，电灯EL才熄灭。
电路的延迟时间主要有R5,C3等放电时间常数决定。
T=2πR5C3，增减R5或C3的数值可以调整电路的延迟时间。
本设计的延时时间约为5分钟，即灯亮后若不再有声音5分钟后灯自动熄灭。
二极管VD2-VD5将交流220V进行桥式整流．变成脉动直流电。
又经R6降压，C4滤波后即为电路的直流电源，为BM、IC等供电。
控制部分电路就是通过控制可控硅的导通与截止进而连接和切断供电电路，而达到目的。
5．总体电路原理相关说明
本电路是采用分离元件的声控延时电路，其电路原理图如图1所示，原理图说明：
220V的灯充电直接整流。
在输出端串联25W灯泡，输出端接可控硅（负载）供电电路稳压电路，稳压电路是给话筒放大，音频放大等提供8.2V直流电，话筒放大，可以把声音信号转换为电信号并放大，然后，经过音频放大器使信号达到足够大；检波音频信号的正半周，即把音频信号转换为直流信号。
经过延时电路以后送到控制电路，由控制电路去控制可控硅，若可控硅断开，则整流电路负载断开，若导通，则整流电路负载导通。
光敏控制电路把光照变成电信号，从而去控制音频信号往后边输送情况。
可见：
本电路灯泡要受可控硅的控制，可控硅受话筒取得的音频信号和光敏电阻的控制，从而可以实现声控和光控；灯亮的时间由延时电路的时间长度决定。
（一）、可控硅是可控硅整流元件的简称,是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。
可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点。
它的出现，使半导体技术从弱电领域进入了强电领域，成为工业、农业、交通运输、军事科研以至商业、民用电器等方面争相采用的元件。
晶闸管T在工作过程中，它的阳极A和阴极K与电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K与控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。
（二）、从晶闸管的内部分析工作过程：
晶闸管是四层三端器件，它有J1、J2、J3三个PN结附录图四，可以把它中间的NP分成两部分，构成一个PNP型三极管和一个NPN型三极管的复合管。
当晶闸管承受正向阳极电压时，为使晶闸管导铜，必须使承受反向电压的PN结J2失去阻挡作用。
图2中每个晶体管的集电极电流同时就是另一个晶体管的基极电流。
因此，两个互相复合的晶体管电路，当有足够的门极电流Ig流入时，就会形成强烈的正反馈，造成两晶体管饱和导通，晶体管饱和导通。
设PNP管和NPN管的集电极电流相应为Ic1和Ic2；发射极电流相应为Ia和Ik；电流放大系数相应为a1=Ic1/Ia和a2=Ic2/Ik，设流过J2结的反相漏电电流为Ic0,
晶闸管的阳极电流等于两管的集电极电流和漏电流的总和：
Ia=Ic1+Ic2+Ic0或Ia=a1Ia+a2Ik+Ic0
若门极电流为Ig,则晶闸管阴极电流为Ik=Ia+Ig
从而可以得出晶闸管阳极电流为：
I=（Ic0+Iga2）/（1-（a1+a2））（1—1）
硅PNP管和硅NPN管相应的电流放大系数a1和a2随其发射极电流的改变而急剧变化。
当晶闸管承受正向阳极电压，而门极未受电压的情况下，式（1—1）中，Ig=0,（a1+a2）很小，故晶闸管的阳极电流Ia≈Ic0晶闸关处于正向阻断状态。
当晶闸管在正向阳极电压下，从门极G流入电流Ig,由于足够大的Ig流经NPN管的发射结，从而提高起点流放大系数a2,产生足够大的极电极电流Ic2流过PNP管的发射结，并提高了PNP管的电流放大系数a1,产生更大的极电极电流Ic1流经NPN管的发射结。
这样强烈的正反馈过程迅速进行。
当a1和a2随发射极电流增加而（a1+a2）≈1时，式（1—1）中的分母1-（a1+a2）≈0,因此提高了晶闸管的阳极电流Ia.这时，流过晶闸管的电流完全由主回路的电压和回路电阻决定。
晶闸管已处于正向导通状态。
式（1—1）中，在晶闸管导通后，1-（a1+a2）≈0,即使此时门极电流Ig=0,晶闸管仍能保持原来的阳极电流Ia而继续导通。
晶闸管在导通后，门极已失去作用。
在晶闸管导通后，如果不断的减小电源电压或增大回路电阻，使阳极电流Ia减小到维持电流IH以下时，由于a1和a1迅速下降，当1-（a1+a2）≈0时，晶闸管恢复阻断状态。
IC选用CMOS数字集成电路CD4011（见附图二），其里面含有四个独立的与非门电路。
内部结构见图5，VSS是电源的负极，VDD是电源的正极。
可控硅t选用1a／400v的进口单向可控硅100-6型，如负载电流大可选用3a、6a、10a等规格的单向可控硅，单向可控硅的外形如图六示，它的测量方法是：
用r×1档，将红表笔接可控硅的负极，黑表笔接正极（如印制板图所示），这时表针无读数，然后用黑表笔触一下控制极k，这时表针有读数，黑表笔马上离开控制极k这时表针仍有读数（注意触控制极时正负表笔是始终连接说明该可控硅是完好的。
驻极体选用的是一般收录机用的小话筒，它的测量方法是：
用r×100档将红表笔接外壳的s、黑表笔接d，这时用口对着驻极体吹气，若表针有摆动说明该驻极体完好，摆动越大灵敏度越高；光敏电阻选用的是625A型，有光照射时电阻为20k以下，无光时电阻值大于100mq，说明该元件是完好的。
二极管采用普通的整流二极管1n4001～1n4007。
总之，元件的选择可灵活掌握，参数可在一定范围内选用。
在测试时先把指针表满偏同时将指针表打到1K档，其次：
用表笔对电容进行放电，在用表进行测试，用红笔接负极，黑笔接正极；最后：
看指针的偏转，且还要指针还原，如能还原就表明电容正常，不能回到原位则表明电容漏电。
测试漏电电容方法：
用万用表的电阻挡（R*100和R*1K），将表笔接触电容器两引线。
刚接触时，由于电容充电电流大，表头指针偏转角度大，随着充电电流减小，指针逐渐向R=无穷方向返回，最后稳定处即漏电电阻值。
一般电容器的漏电电阻为几百至几千兆欧，漏电电阻相对小的电容质量不好。
测量时，若表头指针指到或接近欧姆零点，表示电容器内部短路。
若指针不动，始终指在R=无穷处，则意味着电容器内部短路或已失效。
对于电容量在0.1μF以下的小电容，由于漏电电阻接近无穷，难以分辨，故不能此法侧漏电阻或判定好坏。
6、
总体电路原理图
图5总体电路原理图
声光控延时开关的电路原理图见图5所示。
电路中的主要元器件是使用了数字集成电路CD4011。
其内部含有4个独立的与非门D1～D4，电路结构简单。
可靠性高。
本设计中只用到了集成块中的三个与非门。
7、元件清单
序号
元件名称
型号/规格
元件
数量
备注
1
集成块
CD4011
IC
1块
2
话筒
CM-18
B
1个
3
二极管
4007
VD2
1只
4
二极管
4148
VD1
1只
5
电容
330u/16V
C3
1只
6
电容
103u
C1,C2
2只
7
电容
4.7u
C4
1只
8
电阻
300K
R8
1只
9
电阻
360K
R7
1只
10
电阻
4.7K
R6
1只
11
电阻
8.2M
R5
1只
12
电阻
320M
R4
1只
13
电阻
3.9M
R3、R2
2只
14
电阻
10K
R1
1只
15
单向可控硅
PCR406
VS
1只
16
光敏电阻器
2UC1
VDL
1只
8.参考文献
1.何小艇，电子系统设计，浙江大学出版社，2001年6月2.姚福安，电子电路设计与实践，山东科技技术出版社，2001年10月3.王澄非，电路与数字逻辑设计实践，东南大学出版社，1999年10月4.李银华，电子线路设计指导，北京航空航天大学出版社，2005年6月5.康华光，电子技术基础，高教出版社，2003年
6．韩振振，数字电路逻辑设计，大连理工大学出版社，2000年
7．湘潭电机制造学校，可控硅技术，机械工业出版社，1979年
8.安德宁数字电路与逻辑设计实验技术北京邮电学院出
9.高吉祥电子技术基础实验与课程设计电子工业出版社2002.2
10.谢自美主编电子线路设计实验测试版社（第二版）华中科技大学出版社2000.7
9.设计心得体会
首先，我要感谢金老师在这一周里对我们组的细心指导，因为要不是他在课程设计的开始之际给我们的细心部署，一步一步的告诉我们该怎么做，告诉我们该用什么画图软件，该怎么去查资料等等，我们是不可能这么顺利的完成这周艰巨的电工与电子技术课程设计的课程的，所以，在这里我要衷心的感谢他。
经过一周的电工与电子技术课程设计，让我学到了很多东西，同时也让我感受很深。
其中最重要的几方面就是：
第一、让我了解接触了专门用来画电路图的软件工具protel，并且通过自己的学习，也对其有一定的掌握。
开始，我对protel软件一无所知，没办法，我只能通过网络的途径来进行了解。
首先要做的事就是安装protel软件，起先，我安装的protel一直不能用，后来，我到网上去观看安装的视频才完全的把protel软件好好的安装在电脑上，才真正的可以画图。
可到了画图的时候，我又不会了，怎么办呢？
又只好去网上看视频学习，经过慢慢的学习和摸索，最后，我终于会画一个简单的完整的电路图了，当时，我心里也是深感欣慰，因为前面的努力总算没白费。
第二、做事的态度。
在编辑文档的时候，在画电路图的时候，只要一不小心就会弄错、弄乱。
所以，通过这次的课程设计，让我进一步的认识到认真细致的对待每一件事是多么的重要，也许这就是“世上无难事，只怕有心人！
”的道理吧！
第三、学习的方法。
平时总认为书上的理论自己已经掌握了，可到了用的时候，却知之甚少。
这什么什么原因呢？
那是因为平时练的少，用的少，以致当时是记住的一些，过了些时间就忘的差不多了。
所以，“熟能生巧”这话是永远也不会错的，这也从另一方面反映出我们这些学生的动手能力的薄弱性。
以上三点是主要的方面，其他方面就不多说了，总之一句话，这次的课程设计真的是受益匪浅！
10．附原图如下：
图6原图
来源：
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