模电课程设计.docx
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模电课程设计
1.方案提出
1.1电路的总体框图
图1总体框图
1.2设计思路
电路采用声光两级控制照明电路。
照明灯开关对光线强弱的感应控制照明灯的第一级开关，对声强的感应控制第二级开关。
对于声强的监测是利用MIC的特性，即当其接收到足够的光强时，在其中会产生一个为脉冲波，从而把声信号变为电信号，通过对声强信号的处理可得一个电平信号，为控制电路准备。
延时控制功能通过555定时器构成的可重复触发单稳态电路来实现。
光信号的感应通过光敏三极管来实现，使得光控电路在光强时输出低电位，光弱时输出高电位。
将光控电路的输出作为555定时器的复位端输入。
将声控输出端作为延时电路的输入，从而可以实现在光线强的情况下，即使有足够强的声信号，照明灯电路也不工作。
而在光线弱的情况下，可以通过声信号来控制照明。
2.电源基本组成
2.1电源各元件介绍
变压器
变压器是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁心（磁芯）。
在电器设备和无线电路中，常用作升降电压、匹配阻抗，安全隔离等。
在发电机中，不管是线圈运动通过磁场或磁场运动通过固定线圈，均能在线圈中感应电势，此两种情况，磁通的值均不变，但与线圈相交链的磁通数量却有变动，这是互感应的原理。
变压器就是一种利用电磁互感应，变换电压，电流和阻抗的器件。
变压器的功能主要有：
电压变换；电流变换，阻抗变换；隔离；稳压（磁饱和变压器）等。
变压器是变换交流电压、交变电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。
变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。
整流桥
整流桥就是将整流管封在一个壳内了，将连接好的桥式整流电路的四个二极管封在一起。
应用整流桥到电路中，主要考虑它的最大工作电流和最大反向电压，其内部主要是由四个二极管组成的桥路来实现把输入的交流电压转化为输出的直流电压。
整流桥作为一种功率元器件，非常广泛。
应用于各种电源设备
滤波电路
滤波电路尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。
滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。
本实验采用四个电容组成的滤波电路。
稳压电路
在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定的电路。
这种电路能提供稳定的直流电源，广为各种电子设备所采用。
利用电路的调整作用使输出电压稳定的过程称为稳压。
2.2各元件选择及参数
如附录所示
2.3电源电路图
图2电源电路图的原理：
直接从电网供电，通过变压器电路、整流电路、滤波电路和稳压电路将电网中的220V交流电转化为+12V的直流电压。
电路中变压器的常规铁心变压器，整流电路采用二极管桥式整流电路，C9、C110、C11和C12完成滤波功能，稳压电路采用三端稳压集成电路来实现。
图2电源电路图
3.电路基本组成
3.1声音放大电路
当MIC获取到声音信号后，其会转换成电信号，考虑到后面步骤需此信号控制，所以必须经放大器放大该信号。
为了获得较高的灵敏度β大于100。
话筒MIC也选用灵敏度高的。
R3不宜过小，否则电路容易产生间歇振荡。
部分电路如下图3所示：
三极管
半导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。
在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP（或NPN）结构。
中间的N区（或P区）叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C，是能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。
本实验采用NPN结构的三极管
图3
3.2光控电路
光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。
这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏电阻器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）。
常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1-10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。
光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4-0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。
设计光控电路时，都用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。
核心元件为光敏电阻，其通过对光线变化程度自动改变阻值从而改变电压信号的大小，来控制555定时器引脚3的高低电平。
部分电路如下图4所示：
图4
3.3由555定时器构成的各触发电路原理图
555集成电路是一种非常有用的，并且应用十分灵活的集成电路。
555集成电路的引脚图和功能表如下图5和图7所示，集成电路共有8个引脚，引脚1为接地端，引脚8为电源端，引脚2为触发电平端，引脚3为输出端，引脚4为清零端，引脚5为控制电平端，引脚6为阀值输入端，引脚7为放电端。
从功能表中可以看出：
555集成电路通过改变6和2端的电压值，来影响输出端和放电短的状态；同时它还具有储存信号的功能，因此555集成电路的应用十分广泛。
图5555集成电路的电路图
555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2.9.1和图2.9.2所示。
它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3
555定时器内部结构的简化原理图如下图6所示，它由三个阻值为5kΩ的电阻组成分压器、两个电压比较器C1、C2基本RS触发器、放点BJT、T以及缓冲器G4组成。
定时器的主要功能取决于比较器，比较器的输出控制RS触发器和放电BJT、T的状态。
图中
为复位输入端，当
为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出out为低电平。
因此在正常工作时，应将其接高电平。
由图可知，当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为2/3VCC和1/3VCC。
功能表如图7所示：
图6555集成电路的内部结构图
阀值输入
6
触发输入2
复位端
输出端3
放电管
7
任意值
任意值
0
0
导通
<（2/3）Vcc
<（1/3）Vcc
1
1
截止
>（2/3）Vcc
>（1/3）Vcc
1
0
导通
<（2/3）Vcc
>（1/3）Vcc
1
不变
不变
图7555集成电路的功能表
3.3.1施密特触发器
施密特触发器也有两个稳定状态，但与一般触发器不同的是，施密特触发器采用电位触发方式，其状态由输入信号电位维持；对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，施密特触发器有不同的阀值电压。
将555定时器的阈值输入端和触发输入端连在一起，便构成了施密特触发器，如图8所示。
施密特触发器有一个门限电压，一般用做脉冲边缘不陡的整形和正弦波脉冲波发生器。
当输入如图9所示的三角波信号时，则从施密特触发器的VO1（即引脚3）端可得到方波输出，如将图中5脚外接控制电压VIC，改变VIC的大小，可以调节回差电压的范围。
如果在555定时器的放电BJT输出端（7引脚）外接一电阻，并与另一电源VCC1相连，则由VO2输出的信号可实现电平转换。
图8电路图图9波形图
3.3.2延时电路（可重复触发单稳电路）
当输入负向脉冲后，同时BJT、T导通，电容C放电。
输入脉冲撤出后，电容C充电，在VC未充到2/3VCC之前，电路处于暂稳态。
如果在此期间，又加入新的触发脉冲，BJT又导通，电容C再次放电，输出仍然维持在暂稳态。
只有在触发脉冲撤出后且在输出脉宽tw时间间隔内没有新的触发脉冲，电路才能返回到稳定状态。
这种电路可作为失落脉冲检出电路，对机器的转速或人体的心律进行监视，当机器转速降到一定限度或人体的心律不齐时就发出报警信号。
由于需要的灯泡持续点亮时间并不是很长，在555定时器6，7脚上接电容和电阻来实现。
部分电路下图10所示：
图10
3.4电磁继电器：
电磁继电器一般由电磁铁、衔铁、弹簧片、触点等组成的，其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。
电磁继电器还可以实现远距离控制和自动化控制。
只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常闭触点”；处于接通状态的静触点称为“常开触点”。
电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流。
较低的电压去控制较大电流。
较高的电压的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁继电器就是利用电磁铁控制工作电路通断的开关。
本实验采用以光敏电阻为核心元件的带继电器控制输出的光控开关电路。
用电磁继电器控制电路的好处：
用低电压控制高电压；远距离控制；自动控制。
3.5元器件选择及参数
如附录所示。
4.简易声光控延时照明灯电路介绍
4.1总电路图
图11
4.2工作原理
声光控制指通过利用声音以及光线的变化来控制电路实现特定功能的一种电子学控制方法。
声光控制延时节电灯电路包括声控,光控传感元件,放大器和由555构成的单稳态时电路及降压整流电路。
声光控制延时开关主要由声控开关、光控开关、延时电路几部分组成。
声控是通过柱极体话筒采集声音，并产生脉冲信号。
经放大电路把微弱的信号加以放大。
输出光控电路则是由光敏电阻控制，光敏电阻在有光和无光状态下电阻阻值差距很大，能产生高低电平及通过逻辑器件控制电路。
延时电路则是由电阻和电容组成的充放电电路组成，通过电容的充放电来实现的。
最常用的延时电路是555定时器构成的可重复触发单稳态电路，靠外接电容和电阻来控制时间，计算容易。
电路采用两级控制（光线强弱的感应与声强的感应）。
光线强时，光敏电阻RL的阻值变小，由于R13电阻比较大，所以即使导通，RL的电阻很小分压很小，因此电势很低，555定时器的复位端4至于低电平，使555定时器的3端为0（即不作）电磁継电器不能达到很强的磁力用于吸引开关使之闭合，所以灯泡所在回路处于开路状态，灯泡不亮；光线弱时，光敏电阻RL的阻值变大，RL所在支路不导通，555定时器的复位端4至于高电平，使555定时器的3端处于1（即工作）；555定时器和R10、C6等组成单稳定态电路，定时时间td=1.1R10C6,时间可通过调节R10的大小来控制。
声音信号经处理后，加到555定时器的触发端2脚，通过充电放电的过程达到延时的效果，达到控制照明灯。
当光线很暗的时候且有声音触发时，灯亮并延迟时间在15秒。
当光线较强的时候声控不起作用。
如果光线强，即使进行声控，照明灯电路也不工作。
在日常生活中，节电节能。
4.3电路用途
这种方法设计出的电路，节能和实用。
它可在楼道、走廊和门口用作照明灯，夜间有人上、下楼时，照明灯会自动点亮，并延时一段时间后，灯会自动熄灭；白天照明灯不会点亮。
它是一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电源的节能电子开关。
广泛用于楼道、建筑走廊、洗漱室、厕所、厂房、庭院等场所，是现代极理想的新颖绿色照明开关，并延长灯泡使用寿命。
白天或光线较强时，电路为断开状态，灯不亮，当光线黑暗时或晚上来临时，开关进入预备工作状态，此时，当来人有脚步声、说话声、拍手声等声源时，开关自动打开，灯亮，并且触发自动延时电路，延时一段时间后自动熄灭，从而实现了“人来灯亮，人去灯熄”，杜绝了长明灯，免去了在黑暗中寻找开关的麻烦，尤其是上下楼道带来不便。
5.元件清单
序号
型号或参数
作用
序号
型号或参数
作用
R1
15kΩ
限流分压
C1
10u
隔直通交
R2
5.1kΩ
基极偏置
C2
10u
隔直通交
R3
5.1kΩ
集电极偏置
C3
100u
隔直通交
R4
150Ω
分压
C4
0.01u
延时电容
R5
1MΩ
延时电阻
C5
0.01u
接地
R6
150Ω
分压
C6
0.01u
延时电容
R7
1kΩ
发射极偏置
C7
0.01u
接地
R8
10kΩ
基极偏置
C8
100u
隔直通交
R9
200kΩ
分压
T1
NPN（9013）
反向放大
R10
10kΩ
基极偏置
MIC
麦克风
R11
1kΩ
发射极偏置
NE555
NE555
延时
R12
1KΩ
分压
RL
光敏电阻
光控元件
R13
5KΩ
分压
L
LED
发光二极管
C9
470u
滤波
C10
0.1u
滤波
C11
47u
滤波
C12
0.1u
滤波
表1
6.总结
通过对简易声光控延时照明灯电路的设计，使自己有很大的收获。
首先，进一步培养了自己思考、分析、设计、制作和检查电路的能力，在其中自己学会了好多的方法。
其次，自己在这一段时间里掌握了好多知识，查阅了许多关于电子设计方面的参考资料。
此次课程设计我学会了不同的元件来组成电路实现相同的功能，从中比较分析而确定最优的设计组合。
在课程设计过程中我练习用了protel软件绘制电路图，更加熟悉了该软件。
通过课程设计，我学会了充分利用图书馆资源和网络资源进行自主学习研究，对常见的集成电路器件的功能和引脚接法有了进一步的了解和认识。
这让我明白了阅读查找文献的重要性，平时多积累知识，真正到了用的时候，做题才会得心应手。
经过此次的设计电路，我学会了和队友一起发现问题、讨论并分析问题，让我意识到团队协作的重要性，同时也知道了只说不练假把式，实践才能出真知。
我还发现在实际生活中这样的电路的应用非常普遍，像楼道、楼梯、走廊等一些照明灯都是本电路的应用，在日常生活中，节电节能。
参考文献
【1】刘修文，电子控制电路300例，机械工业出版社，2005年4月
【2】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
【3】王景先，电子设计软件应用，清华大学校内出版社，2003年
【4】姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
【5】蔡忠法，电子技术试验与课程设计，浙江大学出版社，2003年7月
【6】刘行景，实用电子电路精选，化学工业出版社，2004年3月
【7】科林，孙人杰，高速CMOS手册[M].北京：
电子工业出版社，2004
【8】梁恩主，.Protel99SE电路设计与仿真应用，清华大学出版社，2000
【9】康华光，电子技术基础数字部分（第四版），高等教育出版社，2006
附录
变压器参数：
220V-12V型，变比n=220/12，变压器效率在90%-98%。
整流桥参数：
KBL410，即4A，1000V。
三端稳压管参数：
LM317输出电压是+1.2V-+37V可调，最高输入电压是40V。
麦克风参数：
重量345g，尺寸52×162mm，讯噪比74dB,1kHzat1Pa，幻象供电48V,耗电2mA，典型噪声20dB，SPL动态范围124dB,1kHzatMaxSPL
三极管：
9013NPN20V625mA500mW低频管放大倍数40-110。
信号放大倍数
=-β
。
555定时器主要电气参数：
静态功耗电流为10mA-15mA,工作电压为4.5V-18V，触发电压为5V，触发电流为2mA。
光敏电阻参数：
GL351最大电压100V，最大功耗50nW，环境温度-30℃-70℃，光谱峰值540nm，亮电阻5Ω-10kΩ，暗电阻0.6mΩ，响应时间上升30S，下降30S，照度电阻特性2。
电磁继电器参数：
JKRW-6M
发光二极管参数：
20WLED，电压：
13.5V-15V电流：
1400-1800mA。
直流电源参数：
提供电压220V。
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