简易声控灯设计.docx
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简易声控灯设计
题目：
基于晶体管的简易声控灯的设计
初始条件：
具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式有一定的了解；具备晶体管电路的基本设计及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测；使用适当的软件进行仿真和制作PCB板图。
要求完成的主要任务：
1.采用晶体管设计电路完成一个简易声控灯的设计；
2.通过声音震动使灯发光，并且延迟10秒左右后熄灭；
3.利用仿真软件Pspice或Multisim仿真电路，并学习PROTEL软件，并用其绘制电路的原理图和PCB图，要求图纸绘制清晰，布线合理，符合绘图规范；
4.完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。
摘要
本文介绍作品采用Multisim10对简易声控灯电路进行绘制电路图及仿真工作以及protel进行绘制电路图制作PCB板。
主要介绍了声控灯的制作原理以及Multisim10和protel的一些基本的操作和用法。
例如，原理图sch的绘制，当然其中也包括元件的制作；印刷电路板PCB的制作；对电路原理图进行仿真。
电路分块清晰，PCB板美观、模块清晰。
经仿真电路原理正确。
达到任务要求。
运用PROTEL软件绘制最小系统原理图及部分外围扩展，在使用该软件当中，学会创建设计文档管理库，加载元件库，绘制电路图，放置电源部件，修改元件参数，生成网络表文件，同时还要将自己设计的电路原理图生成PCB电路板图等方法。
在此基础之上将自己设计的电路进行仿真，并对其波形及数据进行分析。
关键词：
Multisim，protel，声控灯，PCB
1绪论
晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。
晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。
晶体管，本名是半导体三极管，是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件。
它对电信号有放大和开关等作用，应用十分广泛。
输入级和输出级都采用晶体管的逻辑电路，叫做晶体管－晶体管逻辑电路，书刊和实用中都简称为TTL电路，它属于半导体集成电路的一种，其中用得最普遍的是TTL与非门。
TTL与非门是将若干个晶体管和电阻元件组成的电路系统集中制造在一块很小的硅片上，封装成一个独立的元件.晶体管是半导体三极管中应用最广泛的器件之一，在电路中用“V”或“VT”（旧文字符号为“Q”、“GB”等）表示。
本文介绍了基于晶体管的简易声控灯设计。
声控灯已经广泛应用在居民楼的楼道中，它给人民的生活带来很多的方便。
这些声控灯电路中几乎都使用了集成电路，并且直接使用220V的交流电源。
虽然这样做简化了电路，但对于初学者来说他们理解电路有一定的困难,调试电路也具有一定的危险性。
这里介绍一个简单的声控灯电路，采用了三极管等分立元件和低压电源，不仅适合初学者的学习，而且通过电路中的继电器也可以控制其它电器进行工作。
当你对着声控电路拍手或喊叫时，电路中的继电器会动作,如果用它控制小灯，可以使小灯工作几秒钟,然后自动关闭。
2设计内容及要求
设计目的及主要任务
设计目的
提高电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；学习晶体管电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测；使用适当的软件进行仿真和制作PCB板图。
设计任务及要求
根据已知条件，完成通过基于晶体管的声控灯的设计、连接与仿真。
须符合以下要求：
1.采用晶体管设计电路完成一个简易声控灯的设计；
2.通过声音震动使灯发光，并且延迟10秒左右后熄灭；
3.利用仿真软件Pspice或Multisim仿真电路，并学习PROTEL软件，并用其绘制电路的原理图和PCB图，要求图纸绘制清晰，布线合理，符合绘图规范；
4.完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。
设计思想
本次设计要求完成基于晶体管的声控灯的设计、连接与仿真，选择适合三极管。
而整个设计的核心部分就在采用了三极管等分立元件和低压电源,通过电路中的继电器也可以控制其它电器进行工作的设计，当你对着声控电路拍手或喊叫时，电路中的继电器会动作,如果用它控制小灯,可以使小灯工作几秒钟，然后自动关闭。
该模块完成的功能主要包括放大电路和单稳态电路以及继电器控制电路。
随后运用Multisim10中的仿真功能对其予以仿真，从仿真的结果中分析程序的正确性。
然后运用Protel画出电路图待所有模块的功能正确之后，然后制作相应的PCB板。
最后照着原理图进行整机电路的连接。
3声控灯的工作与设计原理
放大电路的原理
如下图所示，在本次设计电路中使用了一只φ20的压电陶瓷片，它的符号和外形见图所示，压电陶瓷片所转换的电信号很微弱，只有通过由三极管VT1组成的放大器把微弱的信号进行放大后，才能去触发单稳态电路。
所以要设置一个简单的放大电路，将微弱的信号放大，才能触发后边的电路。
图压电陶瓷片的符号和外形
图所示为放大电路的组成，将信号放大。
图放大电路部分
由R1和R2比例控制放大的倍数。
图中Vo输出了放大的信号。
单稳态电路的原理
图中三极管VT2、VT3及其电阻器、电容器组成了单稳态电路。
电阻器R3为三极管VT2提供了基极电流；而三极管VT3的基极电流则是从三极管VT2的集电极电阻R4上得到的。
三极管VT2集电极与三极管VT3基极之间是直接耦合的；而三极管VT3集电极与三极管VT2基极之间的耦合则是由电容器C2来完成的。
电阻器R4是三极管VT2的集电极负载，三极管VT3的集电极负载是电阻器R5。
图单稳态电路部分
单稳态电路的特点是它只有一个稳定状态。
电路在没有信号输入时，选择合理的R3使三极管VT2稳定在饱和状态，此时它的集电极电压约为以下。
这样使三极管VT3稳定在截止状态。
这就是单稳态电路的稳定状态。
当一个负脉冲通过C1到达三极管VT2的基极时，三极管VT2开始趋向截止，它的集电极电流减小，集电极电压升高；经过直接耦合，使三极管VT3的基极电压升高，三极管VT3开始导通，它的集电极电压下降；经电容C2的藕合又使三极管VT2的基极电压进一步下降（虽然这时负脉冲已经不再存在），形成一个正反馈，很快达到一个新的状态。
此时三极管VT2截止，三极管VT3饱和导通。
这就是单稳态电路的暂稳态现象。
单稳态电路的暂稳态是不能持久的。
在暂稳态期间，电容器C2通过电阻器R3进行放电,随着放电的进行,三极管VT2的基极电压逐渐升高，当它达到以上时，三极管VT2开始导通,正反馈现象再次发生,整个电路很快又回到VT2饱和导通，VT3截止的稳定状态。
电容C2通过电阻R3的放电过程决定了电路暂稳态的维持时间。
根据计算，这个时间t=×R3×C2。
在本电路中电阻R3为330K，电容C2为47μF,所以
t=×330×103×47×10-6=1ls.根据这个公式改变电阻R3或电容C2的参数,可以延长或缩短电路的延迟时间。
电路复原后,电容器C2通过电阻器R5和三极管VT2的发射结进行充电。
充电完成后电路才可以接收下一次的触发。
继电器电路的原理
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
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“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
如图为继电器电路原理图。
图继电器电路原理图
在本实验中，触点那端应该连接外部的电路控制灯。
如图所示。
图电路中的继电器部分控制的电路
当有电流经过线圈时，开关闭合使右边的二极管发光；当电流逐渐消失时，发光二极管熄灭，实现控制功能。
电路图中，二极管接到K的线圈两端起到保护作用。
整机电路的原理
如下图所示，电路中的B是一只压电陶瓷片,它能将声音信号转变为电信号。
压电陶瓷片所转换的电信号很微弱,只有通过由三极管VT1组成的放大器把微弱的信号进行放大后，才能去触发单稳态电路。
放大后信号中的负脉冲作用在三极管VT2的基极上时，可以使单稳态电路翻转。
电路中的电容器C3是电源退耦滤波电容器。
在电路的稳态过程下，单稳态电路中三极管VT2导通,三极管VT3截止。
三极管VT3的集电极为高电平，接在它上面的三极管VT4是PNP型三极管，所以三极管VT4没有导通,继电器不工作。
一旦有外界的声音来触发电路，单稳态电路中三极管VT2的基极受到负脉冲的作用而截止，单稳态电路处在了暂态的过程中。
这时三极管VT3导通，它的集电极电压下降，导致与它连接的三极管VT4也导通,继电器吸合。
由于单稳态电路的暂态时间是由电阻器R3与电容器C2的参数决定的,所以十秒钟后单稳态电路会自动恢复到稳态过程下，继电器停止工作。
图声控电路电原理图
4整机电路的制作
图是声控灯电路的整机图。
对照电原理图中元器件的数值认清元器件。
安装时首先将六只电阻器焊到电路板上,然后依次将电容器、二极管、三极管、继电器焊到电路板上,注意电解电容器的极性和三极管的管脚排列。
压电陶瓷片要通过导线与电路板连接,注意在焊接压电陶瓷片时，时间不能太长以免烫坏压电陶瓷片的镀银层。
小型开关和电池夹也通过导线与电路板连接。
图声控灯整机电路图
元器件装好后可接通直流电源进行调试。
首次通电时继电器会吸合几秒钟然后释放。
这时可以拍手来触发声控电路,每拍一下手，继电器就应吸合，十秒钟后继电器会自动释放。
继电器的一组常开触点可以作为受控电路的开关，这一部分在电原理图中没有画出。
电路板安装图的右边两接点即为继电器的常开触点。
声控电路调试成功后就可用这两点作为电灯开关。
电路是按HRS4H-S型5V继电器的尺寸设计的，也可以根据需要选用其他符合要求的继电器。
5软件仿真与硬件调试
multisim10仿真
仿真图示
打开multisim10，文件-新建-原理图，在按照图所示连接电路图。
将整机电路，将压电陶瓷片换成个电阻串联个开关，实现输入信号的控制。
因为压电陶瓷片在仿真中不能自启动，形成不了负脉冲信号，采用个开关，当闭合时，VT1的基极是正电压，当瞬间断开时，产生一个类似的负脉冲信号。
所以采用开关模拟压电陶瓷片的瞬间交流信号。
整机仿真电路如图所示
图整机仿真电路
快速的闭合开关然后再断开开关，则会看到发光二极管变亮，然后延迟11秒左右，然后熄灭。
示波器查看C2两端电压，开关闭合断开后，C2的电压由左右一直降低直至降到负值，同时，继电器两端电压保持6V，延迟11秒后直接变为0，引起继电器断开，发光二极管熄灭。
仿真结果
当开关闭合时，电路仿真如图所示。
图开关闭合瞬间仿真图
然后将开关瞬间断开，模拟压电陶瓷片的交流信号，电路仿真如图所示。
图开关再次断开后的电路仿真
待电路延迟11秒左右后，发光二极管自动熄灭。
如图所示
图延迟11秒后电路仿真情况
经过示波器查看电容C2两端电压变化和继电器两端的电压变化。
如图所示。
图电路工作在暂稳态的示波器情况
根据示波器观察，其中A通道为电容C2两端电压，通道B为继电器两端电
图暂稳态结束后进入稳态的波形
压，在暂稳态的时间内，A通道的电压逐渐减小，B通道两端电压一直持续在6V左右，继电器一直在工作，此时发光二极管发光，当C2放电结束时，A通道变为0V，B点电压瞬跳至0V，此时发光二极管熄灭然后电容两端经过充电又回到6V，但是由于没有负脉冲信号触发单稳态电路反转，所以电路处于稳定状态。
如图所示。
Protel绘制PCB版图
打开Protel99SE，新建一个设计，输入名称*.ddb，然后点击文件，新建一个SchematicDocument文件，然后利用画图元件按照图连接，连接完成，如图所示。
然后分别填写各个元件的封装号。
图protel连接图
然后点击TOOLS-ERC，检验自己的电路是否出错。
点击DESIGN-CREATENETLIST，生成网络表，检验电路连接元件完整。
然后新建一个PCB文档，进入后选择Keepoutlayer，然后将网络表载入PCB，将元件放置紧密合适，然后点击AUTOROUTE-ALL，全部自动布线，完成如图所示的PCB版图。
图整机电路的PCB版图
硬件调试
根据本设计中的电路原理图进行实物的连接，焊接连接各元件即可。
连接完成后，引出两根根导线，一根导线接+5V电源的正极，另一根导线接地，接好线后，刚开始第一次闭合开关，继电器会自动吸合一次，然后自动松开，接着拍手来触发声控电路，每拍一下手，继电器就应吸合，发光二极管发光，然后延迟11秒后发光二极管自动熄灭。
与设计的内容基本相符合。
同样设计中仍然存在误差，这是由于元器件参数的精度不够、实物连接时引入附加阻值、性能不够高以及环境温度等多方面的影响所致。
在实际生活中可以通过多种措施来提高输出音频信号的的稳定度，如可以选择电容的并联使电容的值更精确；同时外界温度也会影响实验的精确性。
6元器件清单表
表元件清单表
序号
名称
型号
数量
备注
1
电阻
680k
1
R1
2
电阻
680
1
R2
3
电阻
330k
1
R3
4
电阻
13k
1
R4
5
电阻
2
R5、R6
6
二极管
1N4148
1
D1
7
电解电容
10uF
1
C1
8
电解电容
47uF
1
C2
9
电解电容
100uF
1
C3
10
三极管
9013
3
VT1~VT3
11
三极管
9015
1
VT4
12
压控陶瓷片
φ20
1
B
13
继电器
HRS4H-S型5V
1
K
14
开关
1×2小型开关
1
S
7设计总结
本次课设是完成一个简易声控灯电路设计，首先通过查找书籍资料，首先进行电路原理图的设计、绘制以及PCB版图制作，然后对电路中的各个部分进行调整修改，按照设计的电路原理图完成实物的连接，连接后在实验室不断地调试、修改，最后得到设计要求的输出波形。
此次晶体管课程设计对我们的总体电路的设计的要求更严格，需要通过翻阅复习以前学过的知识确立了实验总体设计方案，然后逐步细化进行各模块的设计；其次，在电路仿真的过程中总会出现一些问题，需要我们细心解决，所以这周下来，我对电路故障的排查能力有了很大的提高；再次，通过此次课程设计，我对设计所用到的软件Multisim10和Protel99SE有了更加深刻地了解，这对我们以后的工作和学习的帮助都很有用处。
当然，经过了课程设计，我也发现了自己的很多不足。
但是通过自己的动手动脑，既增加了知识，又给了我专业知识以及专业技能上的提升，我也会更加努力，认真学习，争取在以后的课程中做得更好！
在这次课设中，我首先要感谢学校给我们提供的机会，其次我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把设计做得更加完善。
在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。
最后，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计上的难题。
同时也感谢学院为我提供良好的做课程设计的环境。
最后再一次感谢所有在设计中帮助过我的老师和同学。
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