数字电路课程设计楼道声光控制灯系统设计.docx
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数字电路课程设计楼道声光控制灯系统设计
1.绪论
1.1楼道声光控制
随着社会的发展，国家“十一五”规划把节能和环保作为两个主题，而且国家节能中长期专项规划明确提出照明用电占全国用电量的13%，可见照明节能显得非常重要。
这就要求更加节能和环保的声、光双控延时开光照明灯的出现，以满足人们对高质量生活的需求。
本课题研究的内容是楼道照明灯控制电路设计。
通过对声光延时控制电路的电路组成、电路原理、单元电路设计、电路调试与选择以及数据与分析等几方面的研究，实现了声光延时楼道照明灯在白天不工作，而夜晚收到突发声响信号时自动开灯，并延时5s后自动熄灭的控制要求。
减小了无效电能的损耗，达到了节能的效果。
2.系统方案认证
2.1设计目的
（1）了解声光控照明灯工作原理。
（2）能够利用仿真软件对所设计的声光控照明电路进行仿真。
（3）掌握基本元件的使用。
其中宝库光敏电阻，驻极体话筒，运算放大器，LM358，NE555定时器构成的施密特触发器及74LS122单稳态触发器.
2.2方案设计要求
本次课程设计的题目是楼道声光控制灯设计，要求是在夜间（黑罩模拟）有声音信号时。
使灯（用LED发光管模拟）点亮：
无声时延迟5秒后熄灭，声音间隔小于5秒则LED持续点亮，白天有声无声均不点亮。
2.3方案的设计与论证
方案论证：
利用声控，光控电路将声音信号，光信号转化为电信号，其中的运放LM358将信号放大，用555构成的施密特触发器对波形整形，使输出为方波，用74122单稳态触发器控制延时时间，接LED发光二极管，从而实现整个电路的设计。
2.4声光控制灯设计所需要的器件
这次课程设计主要用了74122、LM358和NE555三个集成器件，发光二极管，光敏电阻，驻极体话筒以及一些基本电路元器件。
下面介绍一下主要元件：
（1）LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供的使用运算放大器的场合。
LM358是2输入-二运算放大器集成电路，其内部电路及管脚排布如下：
图2-1LM358内部电路及管脚排布
（2）555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电平兼容。
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。
NE555是一种应用特别广泛作用很大的的集成电路于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。
NE555的作用是用内部的定时器来构成时基电路，给其他的电路提供时序脉冲。
NE555内部结构、引脚排列及功能表如下列图所示：
图2-2NE555内部结构及引脚排列
表2-1NE555功能表
UTH
T的状态
0
×
×
0
导通
1
0
导通
1
保持
不变
1
1
截止
（3）74122是可重复单稳态触发器，它的功能表见表1-4-1，
是直接清“0”端，
是触发输入端，其中
是低电平信号触发端，
是高电平信号触发端，
是输出端，Rint和Cint是外接定时电阻和定时电容的接入端。
当
=0时，单稳态触发器清零，Q=0。
功能表中的符号↑和↓表示触发信号的触发边沿，
都可以做触发输入端使用，
除了做清零端使用外，也可以做触发端使用，见功能表的最后二行。
功能表中的符号
表示单稳工作状态。
74122是一个TTL可再触发单稳态多谐振荡器集成电路，它的引脚排布如下：
表2-274LS122功能表
图2-374122引脚排列图
表2-3其他电路元件
元件名称
类别及数量
光敏电阻
阻值与光强成反比（1个）
驻极体话筒
声音信号输入（1个）
发光LED
发光二极管（1个）
电容
10uf（2个）
47uf（1个）
电阻
4.7k（4个）150k（2个）330（1个）10k（1个）1k（2个）
（4）发光二极管简称为LED。
由镓（Ga）与砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管，在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。
磷砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。
它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。
当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。
不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。
当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。
常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。
（5）驻极体话筒：
驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。
属于最常用的电容话筒。
由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。
（6）光敏电阻器又叫光感电阻，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）。
通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。
当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子—空穴对，参与导电，使电路中电流增强。
3.声光控制灯设计原理
3.1声光控制灯的电路原理
（1）用LM358接成的声控放大电路原理图：
图3-1声控放大电路
（2）用LM358接成电压跟随器，光控电路原理图：
图3-2光控电路
（3）将NE555的6脚和2脚相连作为信号输入端即可构成施密特触发器。
施密特触发器可对输入波形进行变换和整形，最重要的特点是能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲，它的电压传输特性是一条具有滞回特性的曲线，即触发器输出由低电平变为高电平和由高电平变为低电平所对应的阈值电压是不同的。
其内部电路和波形如下图所示：
图3-3555构成的施密特触发器
（4）用74122为可重复单稳态触发器，根据其输出脉冲宽度
实现延时5s。
图3-474LS122构成的单稳态触发器
（5）总的电路的设计是将声控放大电路、光控电路、555构成的施密特触发器和74122构成的单稳态触发器组合起来，这样即可以实现声控、光控、波形整形和延时的功能。
原理图见附录。
3.2电路工作原理及参数计算
应用LM358集成电路的5脚和6脚作为输入，7脚作为输出接成声控放大电路，2脚和3脚作为输入，1脚作为输出接成光控电路。
将NE555电路2引脚和6引脚连在一起使其具有施密特触发器功能，后一并与接成放大电路的LM358集成块7引脚相连，NE555电路控制端4引脚与接成放大器电路的LM358集成块1引脚相连。
分别将74122可重复触发单稳态触发器的1、2引脚，3、4引脚相连，将1、2引脚与NE555电路输出端相连，3、4引脚与电源高电平相连，6脚接发光二极管和电阻。
电路的延时功能体现在单稳态触发器的波形整理功能及连接在其11和13引脚的电容与电阻的适当组合上，本次课程设计使用的是低功耗实验电路所以选择150K欧及47uF电容串联方式，经计算其延时时间约为5秒。
当光线充足时，光敏电阻阻值很小，LM358的3脚分压小，电压比较器输出1脚为低电平。
NE555电路4引脚为低电平有效，此时不管2脚和6脚输入为高或低，OUT输出端直接复位为0。
74122的1脚和2脚也为低，其Q端输出也为低，Q’端为高电平，发光二极管负端为高，灯不会亮。
当光线不充足时，光敏电阻阻值很大，LM358的3脚分压大，故电压比较器反相输入，输出为高电平，NE555的直接复位端4脚无效。
这时若有声音信号通过驻极体话筒输入，通过电容滤波后输入LM358声控放大电路，经放大后输入NE555的2脚和6脚，正弦波形被施密特变换为反相矩形波。
NE555的2脚和6脚输入大于
的电压，3脚输出OUT由低变为高，74122的1脚和2脚接收到一个上升沿脉冲，输入到74122单稳态触发器后再次经波形变换，Q端产生一个上升沿脉冲。
由于LED接入74122的Q’引脚，故其在Q’引脚是一个下降沿脉冲，此时发光二极管负端为低，灯会亮，亮时延迟时间为脉冲宽度
。
声音信号消失，Q端上升沿维持5s后灯会自动熄灭。
74122为可重复触发单稳态触发器，其主要特点就是可重复触发性，它能使计时装置重新计时，以达到延长灯亮时间的目的。
只要是在无光有声的情况下给声音信号，灯就会亮。
要使LM358的声控放大电路的放大倍数为30～50，
即
可选用
=4.7K
、
=150
，此时算得
。
，要使LM358的2脚和5脚的电压为
，必须选用两对阻值一样的电阻，这里在5引脚选用4.7K
，在2引脚选用1K
。
要使延时时间为5s，即使
=5s，选用150
的电阻和47uF的电容，即在11脚和13脚间接入47uF的电容，在13脚和
间接入150
电阻。
4.硬件制作过程和调试
任何电子产品，从几个零件构成的整流器到成千上万个零部件组成的计算机系统，都是由基本的电子元件器件和功能构成，按电路工作原理，用一定的工艺方法连接而成。
虽然连接方法有多种（例如、绕接、压接、粘接等）但使用最广泛的方法是锡焊。
4.1手工焊接
1.手工焊接的工具
电烙铁铬铁架
2.锡焊的条件
为了提高焊接质量，必须注意掌握锡焊的条件。
（1）被焊件必须具备可焊性。
（2）被焊金属表面应保持清洁。
（3）使用合适的助焊剂。
（4）具有适当的焊接温度。
（5）具有合适的焊接时间。
3.焊料与助焊剂
凡是用来熔合两种或两种以上的金属面，使之成为一个整体的金属或合金都叫焊料。
这里所说的焊料只针对锡焊所用焊料。
常用锡焊材料：
（1）管状焊锡丝
（2）抗氧化焊锡
（3）含银的焊锡
（4）焊膏
4.助焊剂的选用。
在焊接过程中，由于金属在加热的情况下会产生一薄层氧化膜，这将阻碍焊锡的浸润，影响焊接点合金的形成，容易出现虚焊、假焊现象。
使用助焊剂可改善焊接性能。
助焊剂有松香、松香溶液、焊膏焊油等，可根据不同的焊接对象合理选用。
焊膏焊油等具有一定的腐蚀性，不可用于焊接电子元器件和电路板，焊接完毕应将焊接处残留的焊膏焊油等擦拭干净。
元器件引脚镀锡时应选用松香作助焊剂。
印制电路板上已涂有松香溶液的，元器件焊入时不必再用助焊剂。
5.手工焊接的注意事项
手工锡焊接技术是一项基本功，就是在大规模生产的情况下，维护和维修也必须使用手工焊接。
因此，必须通过学习和实践操作练习才能熟练掌握。
注意事项如下：
（1）手握铬铁的姿势掌握正确的操作姿势，可以保证操作者的身心健康，减轻劳动伤害。
为减少焊剂加热时挥发出的化学物质对人的危害，减少有害气体的吸入量，一般情况下，烙铁到鼻子的距离应该不少于20cm，通常以30cm为宜。
（2）焊锡丝一般有两种拿法。
由于焊锡丝中含有一定比例的铅，而铅是对人体有害的一种重金属，因此操作时应该戴手套或在操作后洗手，避免食入铅尘。
（3）电烙铁使用以后，一定要稳妥地插放在烙铁架上，并注意导线等其他杂物不要碰到烙铁头，以免烫伤导线，造成漏电等事故。
6.焊点质量及检查
对焊点的质量要求，应该包括电气接触良好、机械结合牢固和美观三个方面。
保证焊点质量最重要的一点，就是必须避免虚焊。
（1）虚焊产生的原因及其危害
虚焊主要是由待焊金属表面的氧化物和污垢造成的，它使焊点成为有接触电阻的连接状态，导致电路工作不正常，出现连接时好时坏的不稳定现象，噪声增加而没有规律性，给电路的调试、使用和维护带来重大隐患。
此外，也有一部分虚焊点在电路开始工作的一段较长时间内，保持接触尚好，因此不容易发现。
但在温度、湿度和振动等环境条件的作用下，接触表面逐步被氧化，接触慢慢地变得不完全起来。
虚焊点的接触电阻会引起局部发热，局部温度升高又促使不完全接触的焊点情况进一步恶化，最终甚至使焊点脱落，电路完全不能正常工作。
这一过程有时可长达一、二年，其原理可以用“原电池”的概念来解释：
当焊点受潮使水汽渗入间隙后，水分子溶解金属氧化物和污垢形成电解液，虚焊点两侧的铜和铅锡焊料相当于原电池的两个电极，铅锡焊料失去电子被氧化，铜材获得电子被还原。
在这样的原电池结构中，虚焊点内发生金属损耗性腐蚀，局部温度升高加剧了化学反应，机械振动让其中的间隙不断扩大，直到恶性循环使虚焊点最终形成断路。
据统计数字表明，在电子整机产品的故障中，有将近一半是由于焊接不良引起的。
然而，要从一台有成千上万个焊点的电子设备里，找出引起故障的虚焊点来，实在不是容易的事。
所以，虚焊是电路可靠性的重大隐患，必须严格避免。
进行手工焊接操作的时候，尤其要加以注意。
一般来说，造成虚焊的主要原因是：
焊锡质量差；助焊剂的还原性不良或用量不够；被焊接处表面未预先清洁好，镀锡不牢；烙铁头的温度过高或过低，表面有氧化层；焊接时间掌握不好，太长或太短；焊接中焊锡尚未凝固时，焊接元件松动。
（2）对焊点的要求
a）可靠的电气连接
b）足够的机械强度
c）光洁整齐的外观
（3）典型焊点的形成及其外观
在单面和双面（多层）印制电路板上，焊点的形成是有区别的：
在单面板上，焊点仅形成在焊接面的焊盘上方；但在双面板或多层板上，熔融的焊料不仅浸润焊盘上方，还由于毛细作用，渗透到金属化孔内，焊点形成的区域包括焊接面的焊盘上方、金属化孔内和元件面上的部分焊盘
a）形状为近似圆锥而表面稍微凹陷，呈漫坡状，以焊接导线为中心，对称成裙形展开。
虚焊点的表面往往向外凸出，可以鉴别出来。
b）焊点上，焊料的连接面呈凹形自然过渡，焊锡和焊件的交界处平滑，接触角尽可能小。
c）表面平滑，有金属光泽。
无裂纹、针孔、夹渣。
4.2、电路的安装与调试
在电路板焊接完成后，先用万用表检查各接线是否焊接良好，是否有松动和漏焊。
把焊接好的电路板接到5V电源上，在接入电源的时候正负极及地线一定要接对，如果担心线路有错误而把电路板烧坏，可以先用万用表测LM358的2脚、3脚以及5脚、6脚电压是否为2.5V或用示波器测1脚和7脚的波形。
出现的问题及解决方法:
接好5V电源后灯一直亮，延时电路没有起到作用。
检查电路，发现发光二极管接了122的8脚。
仔细焊接后，再次接电源，灯亮了但不符合条件，即通电后有延时但声控部分不好使，重新检查下发现犯了一个很低级的错误，原来358的电源和地没有接号，重新焊接又接到电源上，电路板终于能够正常工作。
5.总结与展望
回顾此次课程设计，两周时间里，从理论到实践，不仅巩固了以前所学的知识，而且学到了很多书本上学不到的东西。
通过课程设计使我懂得了理论与实践相结合非常重要，光有理论知识是远远不够的，从理论和实践中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
以前没有接触过焊接，都不知道电烙铁和吸锡器如何使用，通过课设使用到了作为电子信息专业的学生以后会用到的工具，对以后有很多帮助。
焊接电路板和安装调试中难免会遇到很多困难，但不应想到放弃，必须坚持做下去，才能最终得到正确的结果。
在设计过程中还发现了自己的很多不足之处，应该以积极的心态去改正。
此外，这次课程设计与我们的日常生活是息息相关的，以前只知道学习书本知识，都不知道我们将来毕业会从事什么工作。
这次课设使我知道我们将来或许可以做出比楼道声光控制灯更加智能更加灵敏的现代科技产品，我很期待也很兴奋，我觉得学好专业课学好一技之长非常重要。
在这次的学习过程中，让我了解要多思考、多比较和多尝试把所学的书本知识应用于实际，培养自己的动手能力。
所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。
这次，我们是第二个完成的，虽然没有第一组快。
但是我们的板子很漂亮、布线也很整齐。
希望以后的学习中能有更多的这样的机会，来培养自己的动手操作能力。
同时，很感谢老师对我们的耐心指导和帮助。
致谢
非常感谢学校领导和老师给我们提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的学习环境。
通过这次的课程设计,不但使我们接触了学习的数字电路方面的知识,以及专业领域的一些前沿的知识。
非常感谢在本次设计中给予我耐心指导的于老师和金老师,为我们多次的换件,讲解原理图。
在我们整个小组成员的不懈努力下,通过不断的改进,我们终于完成了本次课程设计。
正是大家的共同努力,才使我们能够在整个设计过程中克服了种种困难阻碍,最终顺利完成焊接﹑程序调试等。
在此,请允许我再次向直接给予我对次指导的老师表示最忠诚的敬意!
参考文献
[1].《电子技术实验教程》------高等教育出版2005年
[2].《电子技术基础—模拟部分》---康光华高等教育出版2005
[3].《电子实验与电子实践》南寿松中国标准出版2004
[4].《数字电子技术基础》阎石高等教育出版2005
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