聲光控開(kāi)關(guān)的制作.doc

感測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 感測(cè)技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題: 聲光控開(kāi)關(guān)的制作 姓 名: 學(xué) 院: 物理與電氣信息工程學(xué)院 專 業(yè): 自動(dòng)化 班 級(jí): 2010級(jí)（1）、（2）班 學(xué) 號(hào):201001071620、201001071636、201001071645日 期 2012年 2月30日2012年6月30日 指導(dǎo)教師: 1. 設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求21.1設(shè)計(jì)目的21.2設(shè)計(jì)指標(biāo)22. 方案設(shè)計(jì)與論證32.1含555定時(shí)器、光敏三極管、雙向可控硅的聲光控電路32.2運(yùn)用制成聲光控電32.3聲光控開(kāi)關(guān) IC CD4011應(yīng)用電路43. 設(shè)計(jì)原理及電路圖43.1設(shè)計(jì)原理43.2電路圖53.3模塊說(shuō)明53.3.1整流模塊53.3.2放大模塊53.3.3驅(qū)動(dòng)模塊和聲光控開(kāi)關(guān)模塊53.3.4延時(shí)模塊64. 主要元件功能介紹64.1 CD401164.1.1 CD4011引腳圖及引腳64.1.2 CD4011內(nèi)部結(jié)構(gòu)74.2 可控硅74.3 光敏電阻84.4 駐極體話筒94.5獨(dú)石電容94.5.1溫度補(bǔ)償類NPO電介質(zhì)94.5.2高介電常數(shù)類X7R電介質(zhì)104.5.3半導(dǎo)體類Y5V電介質(zhì)104.6電解電容105.注意事項(xiàng)和電路調(diào)試115.1實(shí)驗(yàn)安全115.2電路調(diào)試116.實(shí)驗(yàn)體會(huì)117.元器件清單12參考文獻(xiàn)：12 聲光控開(kāi)關(guān)的制作1. 設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求聲光控電路是一種用光電傳感器制作的能測(cè)量光線強(qiáng)弱的裝置，用聲音檢測(cè)裝置檢測(cè)聲音，使光線小到一定程度并且有聲音激勵(lì)時(shí)，能輸出控制信號(hào)來(lái)控制一路信號(hào)的通與斷。利用這個(gè)原理制作成光控開(kāi)關(guān)并應(yīng)用就成了我們熟悉的聲光控?zé)簟ｋS著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)字電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)燈的自動(dòng)發(fā)亮、節(jié)能節(jié)電、延長(zhǎng)燈的壽命變得越來(lái)越重要。聲光控電路已成為人們?nèi)粘Ｉ钪械谋匦杵罚恍枰_(kāi)關(guān)，當(dāng)有人經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮；它被廣泛應(yīng)用于各種公共場(chǎng)所，給人們的生活、帶來(lái)了極大的方便。聲光控開(kāi)關(guān)是聲音和光控制電路工作的電子開(kāi)關(guān)。它將聲音（如擊掌聲）和光轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)放大、整形，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)去控制各種電器的工作，在自動(dòng)控制工業(yè)電器和家用電器方面有著廣泛的用途。我們?cè)诖舜握n設(shè)里就是要完成這樣的一個(gè)聲光控電路。 1.1設(shè)計(jì)目的 1. 掌握三極管的概念及相關(guān)物理量。 2. 認(rèn)識(shí)聲光控開(kāi)關(guān)電路的結(jié)構(gòu)和原理 3. 熟練掌握三極管的參數(shù)、作用及測(cè)量方法。 4. 了解效應(yīng)管、可控硅等元件的作用及測(cè)量方法。 5. 掌握放大電路的簡(jiǎn)單分析。 6. 培養(yǎng)獨(dú)立分析電路的能力。 1.2設(shè)計(jì)指標(biāo) 整個(gè)電路由電源電路，放大電路，處理電路（聲控電路、光控電路）及延時(shí)電路等部分組成。電源由家用220伏交流電源供電，光敏控電路對(duì)外界光亮程度的感應(yīng)相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)白天燈泡不亮晚上遇到聲響時(shí)，通過(guò)聲控電路使燈泡自動(dòng)點(diǎn)亮，聲控電路主要將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，從而要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，延時(shí)電路聲音消失后延長(zhǎng)一段光照時(shí)間。以增強(qiáng)電路的實(shí)用性。 1）電路穩(wěn)定性和可靠性要高。這是控制電路性能的最基本要求，否則自控能力弱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)失去自動(dòng)控制功能。 2）功耗要小?？刂齐娐芬恢苯佑诮涣?20伏電路上，若功耗特別是靜態(tài)功耗大，則不利于節(jié)能，甚至還會(huì)大大縮短控制電路的壽命。 3）靈敏度要能調(diào)節(jié)。這是控制電路正常工作時(shí)，對(duì)聲光控制信息信號(hào)的最低要求，控制信號(hào)的靈敏度應(yīng)滿足不同的環(huán)境要求。 4）帶負(fù)載能力要強(qiáng)。被控?zé)舻墓β什槐M相同，因此要求控制電路的一定范圍的驅(qū)動(dòng)能力。 5）觸發(fā)延時(shí)時(shí)間要能按要求調(diào)節(jié)。2. 方案設(shè)計(jì)與論證 2.1含555定時(shí)器、光敏三極管、雙向可控硅的聲光控電路簡(jiǎn)要分析其優(yōu)點(diǎn)：此聲、光同時(shí)控制的新式照明燈用光敏三極管的輸出端控制555的觸發(fā)控制端，用音頻放大電路控制555的復(fù)位端。555定時(shí)器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，控制雙向可控硅，簡(jiǎn)單易制、成本低、節(jié)電又方便。原理圖設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)中考慮到光敏電阻的阻值隨電壓升高有規(guī)律的下降，而蜂鳴器則用駐極體話筒代替。具體原理如圖: 555定時(shí)器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，控制雙向可控硅，當(dāng)555定時(shí)器輸出高電平，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，燈泡亮，當(dāng)555定時(shí)器輸出低電平時(shí)，可控硅未導(dǎo)通，燈泡滅。電路由l0V穩(wěn)壓直流電源供電。為使聲光同時(shí)控制，將光敏三極管的輸出端控制555的觸發(fā)復(fù)位端，音頻放大電路控制555的觸發(fā)端。缺點(diǎn)：在：該電路在聲強(qiáng)50dB時(shí)，對(duì)照明燈的有效控制率高于94，過(guò)于敏感。很小的聲音也會(huì)促使燈發(fā)光，會(huì)造成能源的浪費(fèi)。 2.2運(yùn)用制成聲光控電簡(jiǎn)要分析其優(yōu)點(diǎn)：聲光控延時(shí)開(kāi)關(guān)的電路原理圖見(jiàn)圖所示。電路中的主要元器件是使用了數(shù)字集成電路，其內(nèi)部含有4個(gè)獨(dú)立的與非門(mén)vd 1vd4，使電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠性高。圖為設(shè)計(jì)原理圖陶瓷壓電蜂嗚片B把聲音變成直流控制電壓。通過(guò)光敏電阻的改變，使電位發(fā)生改變，從而控制晶閘管的通斷，從而達(dá)到使燈自動(dòng)熄滅的目的。缺點(diǎn)：降壓功能不強(qiáng)，對(duì)晶閘管的沖擊電流大，對(duì)燈泡的壽命有影響。 2.3聲光控開(kāi)關(guān) IC CD4011應(yīng)用電路 簡(jiǎn)要分析其優(yōu)點(diǎn)：其采用集成塊IC CD4011，制作起來(lái)成本低、并且節(jié)電又方便。同時(shí)，對(duì)聲音的靈敏度適中，并且原件容易設(shè)計(jì)。小結(jié)：在綜合了以上三種電路的優(yōu)缺點(diǎn)后，我們決定采用第三種方案。3. 設(shè)計(jì)原理及電路圖 3.1設(shè)計(jì)原理220V的市電經(jīng)過(guò)燈泡和全橋整流后一路加在單向可控硅MCR 100-6上，另一路經(jīng)R8限流后給本電路供電。由于一開(kāi)始可控硅無(wú)觸發(fā)信號(hào)，呈關(guān)斷狀態(tài)，燈不亮。C3為主濾波電容，四個(gè)二極管整流橋給本電路提供穩(wěn)定的工作電壓。Q1、R2、R3組成前級(jí)電壓放大電路，對(duì)話筒MIC送來(lái)的微弱信號(hào)進(jìn)行放大，然后再送入四輸入與非門(mén)CD4011芯片進(jìn)一步放大，經(jīng)C2的正極給其充電，很快C2上就充到了門(mén)電路的翻轉(zhuǎn)電壓，無(wú)光時(shí)，當(dāng)有聲音信號(hào)時(shí)，芯片1高電平，2高電平，則通過(guò)R6輸出信號(hào)為高電平使可控硅導(dǎo)通，電燈點(diǎn)亮。在這個(gè)過(guò)程中，聲音信號(hào)只需一個(gè)瞬時(shí)即可，這是因?yàn)椋?dāng)聲音信號(hào)來(lái)時(shí)，C2上的電壓很快就充到了電源電壓，而這時(shí)即使聲音信號(hào)消失， C2只能通過(guò)R5進(jìn)行放電，所以C2上將維持一段時(shí)間的高電平，這個(gè)高電平將維持單向可控硅導(dǎo)通，這就是延時(shí)的效果，燈亮后所能延時(shí)的長(zhǎng)短取決于C2上維持高電平的時(shí)間長(zhǎng)短，所以選擇C2的大小，可以控制延時(shí)的長(zhǎng)短。當(dāng)C2上的電壓低時(shí)，3Y輸出高電平，4Y輸出低電平，單向可控硅的控制端沒(méi)了觸發(fā)信號(hào)截止，燈熄滅。 有光時(shí)，1B輸入為低電平，不論1A為高低電平，最后4Y輸出都是低電平，即可控硅MRC100-6都截止，則燈不亮。 3.2電路圖 3.3模塊說(shuō)明 3.3.1整流模塊 四只整流二極管D1D4J接成電橋的形式，固有橋式鎮(zhèn)流之稱，如下圖。在正半波電流通過(guò)電燈由線路3-2-可控硅再返回負(fù)極，在副半波時(shí)候電流通過(guò)4-1-2-可控硅再返回電源正極，于是達(dá)到鎮(zhèn)流作用，使交流電變成直流電。 3.3.2放大模塊 通過(guò)一個(gè)三極管，使接受到的微弱點(diǎn)信號(hào)通過(guò)放大能明顯作用于電路。如下圖： 3.3.3驅(qū)動(dòng)模塊和聲光控開(kāi)關(guān)模塊 本電路圖在通過(guò)放大時(shí)也需要驅(qū)動(dòng)電路并且和聲光控開(kāi)關(guān)同事運(yùn)用，因此采用CD4011，即一舉兩得。 3.3.4延時(shí)模塊當(dāng)聲音消失后需要燈泡延時(shí)亮一定時(shí)間，在本電路中采用RC延時(shí)電路 延時(shí)時(shí)間為T(mén)=RC4. 主要元件功能介紹 4.1 CD4011 CD4011內(nèi)部由四2輸入端與非門(mén)單元電路構(gòu)成，采用N和P溝道增強(qiáng)型MOS晶體管提供的對(duì)稱電路，具有很高的抗干擾度。邏輯表達(dá)式：Y = A.B。 4.1.1 CD4011引腳圖及引腳 管腳功能：1A 數(shù)據(jù)輸入端、2A 數(shù)據(jù)輸入端、3A 數(shù)據(jù)輸入端、4A 數(shù)據(jù)輸入端、1B 數(shù)據(jù)輸入端、2B 數(shù)據(jù)輸入端、3B 數(shù)據(jù)輸入端、4B 數(shù)據(jù)輸入端、VDD 電源正、VSS 地、1Y 數(shù)據(jù)輸出端、2Y 數(shù)據(jù)輸出端、3Y 數(shù)據(jù)輸出端、4Y 數(shù)據(jù)輸出端 4.1.2 CD4011內(nèi)部結(jié)構(gòu)：CD4011內(nèi)部由4個(gè)2輸入端與非門(mén)單元電路構(gòu)成，采用N和P溝道增強(qiáng)型MOS晶體管提供的對(duì)稱電路，具有很高的抗干擾度。 4.2 可控硅可控硅是可控硅整流器的簡(jiǎn)稱。它是由三個(gè)PN結(jié)四層結(jié)構(gòu)硅芯片和三個(gè)電極組成的半導(dǎo)體器件。可控硅的三個(gè)電極分別為陽(yáng)極(A)、陰極(K)和控制極(G)。當(dāng)器件的陽(yáng)極接負(fù)電位(相對(duì)陰極而言)時(shí)，從符號(hào)圖上可以看出PN結(jié)處于反向，具有類似二極管的反向特性。當(dāng)器件的陽(yáng)極加正電位時(shí)(若控制極不接任何電壓)，在一定的電壓范圍內(nèi)，器件仍處于阻抗很高的關(guān)閉狀態(tài)。但當(dāng)正電壓大于某個(gè)電壓(稱為轉(zhuǎn)折電壓)時(shí)，器件迅速轉(zhuǎn)變到低阻通導(dǎo)狀態(tài)。加在可控硅陽(yáng)極和陰極間的電壓低于轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，器件處于關(guān)閉狀態(tài)。此時(shí)如果在控制極上加有適當(dāng)大小的正電壓(對(duì)陰極)，則可控硅可迅速被激發(fā)而變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)?？煽毓枰坏?dǎo)通，控制極便失去其控制作用。就是說(shuō)，導(dǎo)通后撤去柵極電壓可控硅仍導(dǎo)通，只有使器件中的電流減到低于某個(gè)數(shù)值或陰極與陽(yáng)極之間電壓減小到零或負(fù)值時(shí)，器件才可恢復(fù)到關(guān)閉狀態(tài)。其結(jié)構(gòu)圖如下：下圖為可控硅管教辨別方式 4.3 光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時(shí)，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價(jià)帶中產(chǎn)生一個(gè)帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強(qiáng)，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。其結(jié)構(gòu)圖如下： 4.4 駐極體話筒駐極體話筒簡(jiǎn)稱ECM，通稱MIC（Microphone），是一種常用的能將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的聲電轉(zhuǎn)換器件。它的突出特點(diǎn)是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、壽命長(zhǎng)、頻響寬、靈敏度高，且價(jià)格也比較低廉。因而被廣泛應(yīng)用于盒式錄音機(jī)、無(wú)線話筒及聲控開(kāi)關(guān)等電子電路中。駐極體話筒的核心器件是駐極體振動(dòng)膜。它實(shí)際上是一種經(jīng)永久性極化處理的電介質(zhì)。其制作原理是，將一片極薄的塑料膜片的一面蒸發(fā)上一層純金薄膜，然后將其置于高壓電場(chǎng)之下駐極，使兩面分別駐有能長(zhǎng)期保持的異性電荷。膜片的蒸金一面向外，與金屬外殼相連通，膜片的另一面與金屬極板之間用很薄的絕緣襯圈隔離開(kāi)。這樣，蒸金膜與金屬極板之間便形成了一個(gè)電容。當(dāng)駐極體膜片受到聲波作用而振動(dòng)時(shí)，就引起電容兩端的電場(chǎng)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生隨聲波變化的交變電壓信號(hào)。其結(jié)構(gòu)及常見(jiàn)圖如下： 4.5獨(dú)石電容獨(dú)石電容器是多層陶瓷電容器的別稱，根據(jù)所使用的材料，可分為三類 4.5.1溫度補(bǔ)償類NPO電介質(zhì)這種電容器電氣性能最穩(wěn)定，基本上不隨溫度、電壓、時(shí)間的改變，屬超穩(wěn)定型、低損耗電容材料類型，適用在對(duì)穩(wěn)定性、可靠性要求較高的高頻、特高頻、甚高頻電路中。 4.5.2高介電常數(shù)類X7R電介質(zhì)由于X7R是一種強(qiáng)電介質(zhì)，因而能制造出容量比NPO介質(zhì)更大的電容器。這種電容器性能較穩(wěn)定，隨溫度、電壓時(shí)間的改變，其特有的性能變化并不顯著，屬穩(wěn)定電容材料類型，使用在隔直、耦合、傍路、濾波電路及可靠性要求較高的中高頻電路中。 4.5.3半導(dǎo)體類Y5V電介質(zhì)這種電容器具有較高的介電常數(shù)，常用于生產(chǎn)比容較大、標(biāo)稱容量較高的大容量電容器產(chǎn)品。但其容量穩(wěn)定性較X7R差，容量、損耗對(duì)溫度、電壓等測(cè)試條件較敏感，主要用在電子整機(jī)中的振蕩、耦合、濾波及傍路電路中。在本次設(shè)計(jì)中我們只需要進(jìn)行對(duì)耦合的獨(dú)石電容并且電路的頻率并不高，因此只需選擇 第三種就可以。 4.6電解電容電解電容是電容的一種，介質(zhì)有電解液，涂層有極性，分正負(fù)，不可接錯(cuò)。電容(Electric capacity)，由兩個(gè)金屬極，中間夾有絕緣材料（介質(zhì)）構(gòu)成。原理：電解電容器通常是由金屬箔（鋁/鉭）作為正電極，金屬箔的絕緣氧化層（氧化鋁/鉭五氧化物）作為電介質(zhì)，電解電容器以其正電極的不同分為鋁電解電容器和鉭電解電容器。鋁電解電容器的負(fù)電極由浸過(guò)電解質(zhì)液（液態(tài)電解質(zhì)）的薄紙/薄膜或電解質(zhì)聚合物構(gòu)成；鉭電解電容器的負(fù)電極通常采用二氧化錳，均以電解質(zhì)作為負(fù)電極。并且分為有極性電解電容和無(wú)極性電解電容，有極性電解電容器通常在電源電路或中頻、低頻電路中起電源濾波、退耦、信號(hào)耦合及時(shí)間常數(shù)設(shè)定、隔直流等作用，無(wú)極性電解電容器通常用于音箱分頻器電路、電視機(jī)S校正電路及單相電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電路。因此在本電路主要應(yīng)用于時(shí)間常數(shù)的設(shè)定， 因此選用有極性電解電容。 4.7 9014 三極管：NPN集電極-發(fā)射極電壓 45V ；集電極-基電壓 50V；射極-基極電壓 5V；集電極電流 0.1A； 耗散功率 0.4W；結(jié)溫 150；特怔頻率 最小 150MHZ；放大倍數(shù)：A60-150 B100-300 C200-600 D400-10005.注意事項(xiàng)和電路調(diào)試 5.1實(shí)驗(yàn)安全 平常我們做的課設(shè)或是小實(shí)驗(yàn)用的電源大多是干電池，對(duì)安全沒(méi)有什么影響，但本次試驗(yàn)電路中通的是220V交流電，屬于高壓，因此在驗(yàn)證、調(diào)試電路是要注意安全，通電后注意絕緣，禁止人體直接接觸電路板。此外，電烙鐵工作時(shí)溫度可達(dá)到300度，所以在使用電烙鐵時(shí)也要注意安全。 5.2電路調(diào)試在實(shí)驗(yàn)電路板完成后出現(xiàn)了無(wú)論何種條件下燈都不亮的情況。經(jīng)過(guò)各電位測(cè)量發(fā)現(xiàn)可控硅控制極錯(cuò)接致使其一直保持低電位，導(dǎo)致發(fā)光回路不導(dǎo)通，燈泡不發(fā)光，后修改電路連接解決了問(wèn)題。在解決了燈泡不發(fā)光問(wèn)題后，電路實(shí)現(xiàn)了其正常功能，暗光有聲情況下發(fā)光，其他情況下不發(fā)光，發(fā)光持續(xù)一分三十五秒左右。但是接下來(lái)發(fā)現(xiàn)電路不穩(wěn)定，總是一會(huì)好用一會(huì)不好用。具體表現(xiàn)為插上電源燈就亮，然后持續(xù)發(fā)光或是一會(huì)后自動(dòng)熄滅；電路正常驅(qū)動(dòng)后燈泡持續(xù)不滅。繼續(xù)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)某些時(shí)候在無(wú)聲條件下CD4011中應(yīng)該同時(shí)保持高電位的5、6號(hào)管腳中6號(hào)管腳是低電位，檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)是因?yàn)樘摵钢率?號(hào)管腳接觸不良，致使4號(hào)管腳無(wú)聲條件下也能輸出高電位，從而導(dǎo)致電路異常。重新修改電路后問(wèn)題全部解決，電路可以保證正常工作。至此我們關(guān)于聲光控開(kāi)關(guān)的制作課設(shè)主體部分結(jié)束，課設(shè)成功。6.實(shí)驗(yàn)體會(huì)聲光控制開(kāi)關(guān)的制作其實(shí)是一個(gè)較為簡(jiǎn)單的課程設(shè)計(jì)。它所用到的電子元件都是些常用元件，電路原理也較為簡(jiǎn)單，好理解，所以整個(gè)的制作過(guò)程也較為順利。其中遇到過(guò)一些小問(wèn)題，比如：元器件的購(gòu)買(mǎi)，我們先是去了實(shí)體店，可是老板嫌配件太過(guò)繁瑣不賣(mài)，后來(lái)我們選擇了網(wǎng)購(gòu)，成