课程设计报告 即拍亮延时小夜灯.docx
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课程设计报告即拍亮延时小夜灯
课程设计说明书
摘要
关键字：
555时基、延时、单稳态电路
本次课题是设计一简单的即拍延时小夜灯,它实际上是一个“声控延时小灯”。
设计采用压电陶瓷片、晶体三极管构成声音采集信号电路，通过555电路对信号放大并同时由RC充放电路进行延时，最后再由晶体三极管对电流进行放大，采用5.0V的直流供电，使小电珠发光，以达到实验目的。
此设计能很好地控制灯的亮灭,即在有声音或震荡的情况下灯亮，其他情况下灯灭,从而达到节能的效果。
本次课题设计的目的是：
设计一简单的即拍延时小夜灯，它可以利用压电陶瓷片将声音信号转化为电信号。
压电陶瓷片与晶体三极管、电阻等组成了声控脉冲触发电路，555时基集成电路与电阻、电容等组成典型的单稳态延时电路。
晶体三极管和电阻等组成了小灯泡功率驱动放大电路。
采用3.0V的直流供电，RC充放电执行。
此设计能够很好的控制等的亮与灭，即在有声音或者震动的情况下，小灯泡会亮，否则就不会亮。
前言
自1879年爱迪生点燃了第一盏真正有广泛实用价值的电灯后,电灯就被人类广泛的应用，然而我们经常使用的灯泡都是人为机械地控制它的，这对于当今社会各种智能化的建筑来说是非常不实用的。
随着人类社会的进步和电子科技的发展，人们想到并做到了用声音来控制灯泡的点亮，使得人来灯亮，人走灯熄。
这一方面迎合了当今所提倡的科学发展观，节省电能，另一方面也体现了科技的进步以及人类的聪明才智。
因此，我们首先要设计出一个接收设备，专门用来接听声音信号并将声音信号转化为电信号传送到下一级电路。
但是声控电路对声音信号的要求是既不能太强也不能太弱，太强难以控制，太弱则会使电路过于复杂，所以最好是能接收到如人的讲话声，脚踏地板声。
当这类信号转化为电信号时，电信号一般较弱，必须对其进行放大，这就要用到功放电路、运放电路、差分电路等。
根据电路对信号的要求一般选择运放电路较好，能提高输出电压。
如今，有了声音传感器，可以直接将声信号转换为电信号，大大简化了电路结构，使声控电路的设计更加容易。
完成了声信号到电信号的转换后，我们可以用产生的电信号去触发触发器使电路导通。
电路对元器件的要求也较高，特别是半导体器件要有较高的灵敏度。
只有各电参数精确稳定，才能使电路高效稳定的工作。
目前，声控技术更是引领着科技的发展和时代的潮流。
如现在最新的iphone4s智能手机，其最大的特色就在于语音控制。
我们声控技术今后能更广泛更深入地被人类应用，造福人类
第一章任务要求及方案论证
1.1基本要求
通过对已学知识的了解，试着设计一个电路。
要求：
（1）达到用声音控制灯泡的亮灭；
（2）一定时间过后小灯泡会自动熄灭。
1.2设计方案一
本方案利用压电陶瓷片、555时基集成电路等，基本电路图如图1.1所示
图1.1
压电陶瓷片B与晶体三极管VT1，电阻R1，和电阻R2等组成了声控脉冲触发电路，时基集成电路IC与电阻R3，电容器C等组成了典型单稳态延时电路，晶体三极管VT2，VT3和电阻R4，R5等组成了小电珠H的功率驱动放大电路。
整个电路的电源由干电池GB提供。
平时，由于晶体三极管VT1的偏流电阻R1取值较大，所以VT1趋于截止状态，其集电极输出电压高于1/3VDD=1.5V，与之相连的时基集成电路IC的低电位触发端2脚处于高电平，单稳态电路处于稳态。
电容器Ｃ两端通过IC的7，1脚被IC内部导通的三极管短路，IC的3脚输出低电平，VT2，VT3均无偏流而截止，小电珠H不发光。
当在有效距离范围内拍一下手掌时，突发的声波被压电陶瓷片B接收，并转换成微弱的电信号，该信号的正半周经VT1放大后，从其集电极输出负脉冲，时基集成电路IC的2脚获得瞬间低于1/3VDD=1.5V的低电平触发信号,使IC组成的单稳态电路受触发进入暂稳态（即延时状态）,IC的3脚输出高电平,VT2获得适合的偏流而导通,VT3进入完全饱和导通状态,小电珠通电发出亮光，随着IC的3脚变成高电平，IC内部导通的三极管截止，解除对电容器C的短路，电池GB通过电阻R3向电容器C开始充电，当C两端的充电电压（即IC的高电位触发端6脚电位）达到2/3VDD=3V时，单稳态电路翻转恢复稳态，IC内部三极管重新导通，通过IC的7，脚放电并被再次短路，的3脚重新输出低电平，C1IC导通到VT2，VT3失去偏流而截止，H断电自动熄灭。
电路中，小电珠H每次延时点亮的时间长短，取决于单稳态电路中电阻器R3，电容器C的时间常数，具体可以通过公式：
T=1.1R3C来估算。
按图选择R3和C的值，H延时点亮的时间约为1min。
在晶体三极管VT1电流放大系数β，R1电阻值确定的情况下，通过改变R2的电阻值，可调整静态时IC的2脚电位高低，也就是说，通过适当调整R2的电阻值，可以控制声控灵敏度。
设计方案二
方案二采用咪头进行声电转换，咪头可当做一个声音传感器，与R1组成声控电路，将声音信号转换成电信号。
芯片LM324与电阻等连成一个两级电压放大电路，同时，电路中还有连接耦合电容起旁路作用。
NE555定时器与电阻、电容连接成单稳态触发器，实验时应选择灵敏度较高的发光二级管等元器件，延时可通过调节电容、电阻来实现，但一般不要使延时时间过长。
整个电路的电源由5V直流稳压电源提供。
比较方案一和方案二，方案一所用的元器件更为常用，且方案一的电路更为简单，在焊接操作过程中更易操作。
因此，选择方案一。
第二章设计原理
2.1总体设计思路
系统组成及工作原理
声控灯主要是依据声控原理来设计的。
利用声控电路是为了节约能源。
整个电路由电声控电路、延时电路等部分组成。
电源由实验提供稳压电压。
通过声控电路使灯泡自动点亮，声控电路主要将声音信号转变为电信号，从而来实现自动控制，延时电路声音消失后延长一段光照时间。
总体方框图如图1.2所示。
图1.2
2.2电路各模块设计简介
声控电路如图1.3所示声控电路为声音信号采集电路，利用压电陶瓷片在声音变化下电压发生改变的特性。
当声音达到4.1KHZ以上的谐振频率时在out端将输出一个大于2V的高电平，当低于4.1KHZ或没有声音时在out端产生一个小于0.8V的低电平。
图1.3
延时电路本延时电路采用RC充放电电路作为延时部分，通过555内部结构（与非或关系）等使充电放电电路分开。
这样极短的声音刺激就能实现电路的延时工作。
信号由FT-27经9014单向C1充电。
所以充电后555芯片的7脚电位高于1脚，3脚就输出正电位，此时输出小于2V，此时三极管VT2开启，继而VT3也导通，点亮小灯泡H。
在声音信号刺激结束后，电容向电阻R3R4R5等放电，其中R3为1M电位器，使其放电时间为0s到51.7s可调。
第三章器件的选择及其原理分析
3.1综合控制模块的设计思路
在设计之初，首先要明确所设计电路的功能为在保证充分电的条件下还要能做到延时性、精确性好，即信号不失真。
根据这一设计思路，在有声音时将产生大于2V的信号，而实际也是要求这种情况下控制灯亮。
给555时基集成电路的输出端3管脚一个不大于3V的高电平信号，才能控制灯亮，而在其他情况下都将产生低电平，约接近于0V。
根据这些，选择9014,9012三极管等就能达到设计要求。
3.2延时控制模块原理
声控夜灯的延时控制模块总体参考方案图如图1.5所示。
它包括RC电路和555芯片两个个模块组成。
从外界进行信号识别，从而达到灯泡发亮的功能。
图1.5声控夜灯控制系统延时控制模块设计框图
3.3555集成电路的框图及工作原理
555集成电路开始是作定时器应用的。
但后来经过开发，它除了作定时延时控制外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制及计量检测。
此外，还可以组成脉冲振荡、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号源、电源变换、频率变换、脉冲调制等。
由于它工作可靠、使用方便、价格低廉，目前被广泛用于各种电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路的混合体，如图1.6所示。
图1.6
555集成电路是8脚封装，双列直插型。
其中6脚称为阈值端（TH）是上比较器的输入；2脚称为触发端，是下比较器的输入。
3脚是输出端，它有0和1两种状态。
7脚是放电端；4脚是复位端。
3.4设计方法与参数的确定
IC选用静态功耗很小的CMOS时基集成电路（又称“555时基集成电路），这种CMOS时基集成电路的静态电流很小，而且工作电压低（实测不低于2V就能工作）。
常用的普通TTL工艺生产的“555”时基集成电路，因其功耗大，要求工作电压较高，所以不适宜在本制作中使用。
VT1，VT2均选用9014（集电极允许最大电流ICM=0.1A，集电极最大允许功耗PCM=310mW），要求VT1的电流放大系数β>200，VT2的电流放大系数β>100，VT3选用9012（ICM=-0.5A,PCM=625mW）,要求电流放大系数β>50。
R1-R5均选用RTX-1/8W型碳膜电阻器。
C用漏电很小的优质CD11-10V型电解电容器。
B用φ27mm压电陶瓷片FT-27，要求配上简易塑料或金属共振腔盒，当助鸣箱。
H用手电筒常用的2.0V小电泡。
电压用实验室的直流稳压电源3.0V.
第四章电路的焊接与调试
4.1电路的安装与焊接
电路安装要注意几个原则：
1.先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊等；2.一定要注意排版，不能东倒西歪，方向应尽量一致；3.布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用；4.最好分模块安装。
此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停留太久；同时过焊铜片将脱落，给焊接带来不必要的麻烦、也将影响板子的视觉效果。
5.在焊完之后，不要忙于去调试，而应该用万用表来查其电路是否接触良好、是否与电路图的布置一致、是否有器件在焊接的过程中烧坏了等。
4.2分模块的调试
本实验调试，首先单独分模块进行调试，也就是焊接完，分别对声控部分和延时部分进行分别调试，输入一3.0V的直流电压信号，用万用表检测555芯片的3管脚其输出电压是否约等于2.0V。
如果没有,说明在声控这一块上有焊接错误，如短接、接触不好、管脚连接错误等；若达到2.0V则声控部分没有问题；接着用万用表检测延时部分以及总体部分，如果对照电路图出现线未连、引脚接触不良好等问题，则进行修改。
再重新检查一遍没问题，将焊板上的正负极正确接好，则基本上符合了设计要求。
第五章实验结论及体会
本次设计主要采用的电路原理基于模拟电子电路的基本知识，对于信号的放大用555芯片内部的系统做一个放大，然后由感应信号和555芯片并放大，从而实现设计要求。
主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的功能要求声音检测放大模块是对外界声音信号的感应系统。
LC充放电路为延时部分，三极管起到开关作用。
经过独立自主的设计电路，翻阅查找各种资料，不仅学到了关于555芯片的知识，更加了解了NE555单稳态延时电路，而且增强了运用书本所学的理论知识到实践中的能力，对模拟电路充满了兴趣，从而增加了对模拟电路学习的热情。
通过预先设计的电路，然后再参考一些书籍上的电路并经过修改和创造，设计成了最终符合要求的电路原理图，并进一步了解和学习了整个电路的各个部分的具体工作原理，达到了理论的要求。
最后用Multisim软件对电路图进行了部分仿真。
经过对前面部分电路的仿真掌握了仿真的基本方法。
在课程设计过程中，有很多不懂的问题，通过与指导老师的沟通及向同学的请教，终于完成了课程设计的要求的电路图部分和仿真部分。
本次设计系统能够在声音控制下使小夜灯点亮并能延时5秒左右，当然还存在诸多不足，本次设计的声控小夜灯灵敏度无法调节，若能把R3电阻用电位器代替，则可调节小夜灯的灵敏度。
另外本次课题只是要求声控，但是如果还能再加入光敏电阻、与门电路，使小电珠在弱光且有声音控制下才亮，那样就能更加节能。
参考文献
1、王港元.电工电子实践指导（第二版）.江西科学技术出版社，2005.
2、张友汉.电子线路设计应用手册.福建科学技术出版社，2000.
3、郝鸿安等.555集成电路实用大全.上海科学普及出版社.
附录
附录1：
元器件清单
Quantity
Description
RefDes
2
RESISTOR,10kΩ
R2,R4
1
RESISTOR,360Ω
R5
1
CAP_ELECTROLIT,47µF
C1
1
RESISTOR,100kΩ
R3
1
RESISTOR,10MΩ
R1
1
POWER_SOURCES,VCC
VCC
1
CAPACITOR,0.01µF
C2
1
POWER_SOURCES,GROUND
0
2
BJT_NPN,2N2222
Q1,Q2
1
TIMER,LM555CM
U1
1
5V_1W,5V_1W
X1
1
BJT_PNP,2N2904
Q3
附录2：
电路原理总图
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