光電探測大作業(yè)聲光控延時開關(guān)照明系統(tǒng)

1、 光電探測大作業(yè)聲光控延時開關(guān)照明系統(tǒng) 目 錄第1章 引言2第2章 單元電路設(shè)計32.1 設(shè)計思路32.2 聲光信號處理32.2.1 聲音放大電路32.2.2 聲控電路設(shè)計52.2.3 光控電路設(shè)計72.3 照明燈控制電路設(shè)計92.3.1 器件選擇92.3.2 延時電路設(shè)計102.4 電源電路設(shè)計112.4.1整流電路122.4.2濾波電路132.4.3 電源電路工作原理152.5 整機電路16第3章 電路仿真18 3.1系統(tǒng)仿真及原理圖制作使用平臺18 3.2整機仿真測試18第4章 實物制作21 4 實物制作測試21附錄 元件明細表23引言根據(jù)國內(nèi)外市場需求預(yù)測，我國照明電器行業(yè)的高速增長還

2、將繼續(xù)。就國內(nèi)市場需求而言，人們生活水平逐步提高，對生存環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高，對照明電器產(chǎn)品提出更高的要求。在地球資源日漸衰竭的今日，環(huán)保、節(jié)能是當今各產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重心，尤其是需要消耗大量電力的照明產(chǎn)業(yè)，基于此目的的研發(fā)工作更是趨向環(huán)保、節(jié)能的特性上著眼。因此，開發(fā)新型高效、節(jié)能、壽命長、環(huán)保的電路對居家照明節(jié)能具有十分重要的意義。聲光控開關(guān)是只有在滿足了無光線和有聲音才可以啟動開關(guān)使燈泡點亮一段時間，無需人去手動的打開和關(guān)閉燈泡開關(guān)方便了人們，同時避免了燈泡常亮的情況因而達到了節(jié)電的目的。白天光線較強時，受光控自鎖，有聲響也不通電開燈；當傍晚環(huán)境光線變暗后，開關(guān)自動進入待機狀態(tài)，遇有說話聲

3、、腳步聲等聲響時，會立即通電，亮燈，延時半分鐘后自動斷電；能延長燈泡壽命6倍以上，節(jié)電率達90。二者都為人們的日常生活提供諸多方便。第2章 單元電路設(shè)計2.1 設(shè)計思路此設(shè)計是為了實現(xiàn)聲控光控延時開關(guān)的功能。在白天時無論是否有聲音，照明燈都不能被點亮，在夜晚當有聲音產(chǎn)生時，照明燈被點亮，且在聲音消失后，照明燈能夠維持一段時間亮度，有足夠的時間讓人通過。它由電源電路、聲光處理電路和控制電路等部分組成。流程方框圖如圖1-1所示。圖1-1 設(shè)計方框圖2.2 聲光信號處理聲光信號處理電路就是對采集到的聲信號和光信號進行處理后提供給控制電路。2.1.1 聲音放大電路聲音放大電路采用bjt三極管，常見的b

4、jt三極管的工作方式有三種：共射電路、共集電路、共基電路。1共射電路共射電路如圖2-1所示，直流電源vcc一方面通過rc、rb為三極管提供合適的靜態(tài)偏置電壓，另一方面為電路提供能量，一般為幾伏至幾十伏。其中c1、c2為耦圖2-1 共射放大電路合電容，起到傳遞交流，隔斷直流的作用。c1、c2一般為電解電容器，一般為幾微法到幾十微法。rc是集電極直流負載電阻，保證三極管有合適的靜態(tài)偏置外，還可將三極管的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。rc一般為幾百歐到幾千歐。信號有三極管的基極輸入、輸出?；鶚O與發(fā)射極構(gòu)成輸出回路，而發(fā)射極是輸出、輸入的公共端，共射工作方式具有電壓和電流的放大作用，放大關(guān)系是u0=ui，電

5、流同樣如此。2共集電路共集電路如圖2-2所示，信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出，集電極是輸入、輸出回路的公共端，共集電路因此而得名。圖2-2 共集放大電路電源vcc給三極管v提供反偏電壓，又通過基極偏置電阻rb給發(fā)射結(jié)提供正偏電壓，使三極管v工作在放大區(qū)。輸入信號電壓ui通過輸入耦合電容c1加到三極管v的基極，輸出信號電壓u0從發(fā)射極通過輸出耦合電容c2送到負載rl上 。共集電路具有電流的放大作用但是沒有電壓的放大主作用，所以又叫做射擊跟隨器。3共基電路共基電路如圖2-4所示，其中rc為集電極電阻，re為發(fā)射極偏置電阻，rb1、rb2為基極分壓偏置電阻，他們共同構(gòu)成分壓式偏置電路。圖2-3 共基放

6、大電路大電容cb使基極對地交流短路。其信號從發(fā)射極輸出，基極是輸入、輸出回路的公共端。共基電路的輸入電流大于輸出電流，沒有電流放大作用，但電壓放大倍數(shù)較大。4分析由于本次設(shè)計中聲音信號產(chǎn)生的電壓信號很小，因而只能用具有電壓放大的電路，再從電路的復(fù)雜程度等方面考慮，共射放大電路更適合作為聲音信號放大電路。2.2.2 聲控電路設(shè)計聲控電路由駐極體話筒、電阻r3、r4、r5，晶體管vt、電容c3、c4組成如圖2-5所示。駐極體話筒將聲音信號轉(zhuǎn)化為微弱的電信號，微弱的電信號經(jīng)c3濾波后導(dǎo)入由三極管vt組成的共射放大器進行放大，放大后的電信號經(jīng)c2隔直后輸出。聲控電路參數(shù)計算:一般情況下，人正常說話的聲

7、音的幅度約為40-50分貝，經(jīng)駐極體話筒轉(zhuǎn)化為電信號有效值約為ubm40 mv，要使產(chǎn)生的信號經(jīng)過放大后電壓基本上在5 v左右,放大倍為: （2-1）放大倍數(shù)有125倍的三極管有9011、9013、9014、9015等。這些都是較為常見的三極管，任意一種都可以用于這次設(shè)計，我選用9014型三極管，9014參數(shù)如表2-1所示。表2-1 9014參數(shù)參數(shù)名稱符號典型值單位集電極耗散功率pcm300mw集電極最大電流icm100ma電流放大系數(shù)60300特征頻率ft150mhz根據(jù)三極管放大公式： （2-2）由于9014允許最大電流icm為100 ma所以： （2-3）根據(jù)歐姆定律： （2-4）所以

8、： （2-5）由于聲音信號電流的疊加選擇電阻r4為200。電阻r4的功率： （2-6）要保證三極管輸出電壓在5 v左右，那么uce電壓就應(yīng)當為5 v左右。所以ur3電壓為7 v左右。又由于icm為100 ma，同樣根據(jù)歐姆定律得到r370,要盡量使ic小些，所以選擇r3為3.9。所以三極管的靜態(tài)工作點為： （2-7） （2-8） （2-9）電阻r3的功率： （2-10）由于r5是為bm提供一個偏置電壓所以選擇阻值為3.9的電阻，c2、c3都是起隔直作用一般選擇電容值為33的電容，r8為三極管后的負載電阻阻值為8。2.2 光控電路設(shè)計我們的題目中，是要使用一種光電探測器件來通過探測光的強弱達到一

9、種可以開關(guān)電路的目的，當光比較強的時候，可以關(guān)閉電路：當光比較弱的時候，可以打開電路。我們從以下幾個方面最終選擇出了光敏電阻來作為我們要使用的光電探測器件（1） 光電特性我們的要求中光電探測器件僅作開關(guān)使用，只要滿足可以很好的區(qū)分白天和夜晚的照度即可，下面以我們所選擇的5516型光敏電阻來做分析。該光敏電阻的在10lx的光照下的阻值為5-10k歐姆，取10k歐姆計算，=0.5查閱資料得到：在晴朗的天氣室內(nèi)照度為1002000lx，陰天室內(nèi)照度為550lx，月夜照度為0.020.3lx，分別取為1000lx，10lx，0.1lx根據(jù)實際情況，我們以陰天室內(nèi)的照度為是否打開開關(guān)的界限。根據(jù)課本的公

10、式，其中b的照度是a的10倍。根據(jù)以上條件，我們可以求得在上面三種情況下光敏電阻的阻值。計算得到三種條件下的阻值分別為1k、10k、100k。以上分析證明，使用光敏電阻可以很好的達到區(qū)分白天黑夜亮暗的目的。（2）光譜特性由于我們的裝置是要用于檢測可見光的亮暗，可見對光的具體波段沒有很大的要求，只需要在可見光波段可以有較好的靈敏度即可，我們選擇的光敏電阻峰值波長在550nm，正是用于可見光波段的光電器件（3）頻率特性我們的裝置要用在樓道中來檢測樓道中的亮度是否足夠亮，大致是以天為周期進行亮暗的變化，而我們選用的光敏電阻的響應(yīng)時間是不到秒的量級，遠遠滿足使用條件。（4）溫度特性我們的裝置使用在室外

11、的樓梯中，考慮極端情況溫度范圍在負20攝氏度到40攝氏度之間，我們選用的光敏電阻的溫度適用范圍包含了這一部分。（5）功率限制仍然用我們選的5516型光敏電阻來做分析。由（1）中的分析，考慮到使用環(huán)境樓道的密閉性，可以用1k歐姆作為光敏電阻可能擁有的最小阻值。由于光敏電阻的最大功耗為90mw，計算可知光敏電阻兩端能承受的最大電壓為9.49v。我們只需要在設(shè)計時使用10v或者以下的電源為開關(guān)模塊供電便可以達到光敏電阻的功率限制。（6）價格因為我們的裝置是要用在每個樓道的每個樓層，使用量非常之大，所以使用的光電探測器要成本越低越好。雖然除了光敏電阻，還有很多種的光電探測器可以達到我們的要求，但是光敏

12、電阻的一個最大的優(yōu)勢是價格便宜。一下是隨意截取的一家商家的圖片，按照起批的價格，是不到1分錢一個光敏電阻，而且還量大從優(yōu)。 光敏電阻5516 cds參數(shù)如表2-2所示。表2-2 光敏電阻參數(shù)型號最大電壓（vdc）最大功耗（mw）環(huán)境溫度（）光譜峰值(nm)亮電阻（k）暗電阻（m）5516cds15090-30+705405-100.5光控制電路設(shè)計如圖2-5所示，電路由電阻r2和rg串聯(lián)進行分壓來提取光信號。圖2-5 聲光處理電路r2阻值計算： （2-11） （2-12）根據(jù)計算，r2的阻值為0.7。白天光較強時，光敏電阻rg的阻值較低（約為5），這時它和r2（0.7)的阻值相比較，r2遠大于

13、rg，rg上分的電壓基本上為0 v，此時輸出電壓為0 v（低電平）。晚上光線較暗時，光敏電阻rg的阻值變大（約為0.5），r2、rg串聯(lián)對12 v電壓進行分壓，此時a點輸出電壓為5 v（高電位）。2.3 照明燈控制電路設(shè)計控制電路主要是由控制芯片74ls00，延時電路，可控硅組成如圖2-6所示。聲音信號進入13引腳，光信號進入12引腳，經(jīng)過與非門從3引腳輸出控制信號，控制信號通過可控硅間接控制照明燈。圖2-6 控制電路電路2.3.1 器件選擇1四-二輸入與非門74ls00主控芯片74ls00外形如圖2-7所示，它是采用晶體管制造工藝在硅晶片上生產(chǎn)四個各自獨立的二輸入與非門電路如圖2-8所示，然

14、后采用dip-14標準封裝而成的雙列14腳直插式結(jié)構(gòu)。邏輯關(guān)系為：。 圖2-7 74ls00外形 圖2-8 74ls00內(nèi)部排列2可控硅可控硅也稱作晶閘管外形如圖2-9所示，它是由pnpn四層半導(dǎo)體構(gòu)成的元件，有三個電極，陽極a，陰極k和控制極g?？煽毓柙陔娐分心軌?qū)崿F(xiàn)交流電的無觸點控制，以小電流控制大電流，并且不像繼電器那樣控制時有火花產(chǎn)生，而且動作快、壽命長、可靠性好。在調(diào)速、調(diào)光、調(diào)壓、調(diào)溫以及其他各種控制電路中都有應(yīng)用。圖2-9 可控硅外形由于可控硅只有導(dǎo)通和關(guān)斷兩種工作狀態(tài)，所以它具有開關(guān)特性，這種特性需要一定的條件才能轉(zhuǎn)化，此條件見表2-3 表2-3 可控硅導(dǎo)通和關(guān)斷條件2.3.2

15、 延時電路設(shè)計聲光處理電路的光信號和聲音信號由a、b端口輸入，經(jīng)過兩次與非門后由8號引腳輸出并提供給延時電路c5和r7。延時電路由c5和r7組成，它是利用電容充放電的原理工作的如圖2-10所示。圖2-10 延時電路電路當電容c5已有電壓u0時，且二極管無正偏截止時，電容器立即對電阻r7驚醒放電，放電開始時的電流為u0/r。放電電流的實際方向與充電時相反，放電時的電流與電容電壓隨時間均按指數(shù)規(guī)律衰減為零，電流與電壓的數(shù)學(xué)表達式為: （2-13） （2-14） 公式（2-14）中為電容器的初始電壓。放電時和的變化曲線如圖2-11所示。圖2-11 電容放電曲線rc電路的時間常數(shù)用表示，的大小決定了電

16、路充放電時間的快慢。對于充電而言，時間常數(shù)時電容電壓從零增長到63.2%u0所需要的時間；對放電而言，是電容電壓從下降到36.8%所需的時間。r7的阻值為250 k，c2為100則有: （2-15）所以電路延遲時間為25 s。r6為74ls00保護電阻，選擇阻值為1 k。2.4 電源電路設(shè)計電源部分是整個電路的重要組成部分是為整個電路提供能量的源泉，它相當于人類的心臟，如果沒有電源部分那么整個電路將無法工作。電源電路一般是由整流、降壓、濾波、穩(wěn)壓電路組成。2.4.1整流電路整流電路的作用就是將交流電轉(zhuǎn)換成脈動的直流電，整流電路分為單相半波整流電路、單相全波整流電路、單相橋式整流電路。1單相半波

17、整流單相半波整流電路如圖2-12所示，工作原理是市電經(jīng)過變壓器變成低電壓再經(jīng)過vd整流，若u2的正半周期間二次繞組電壓瞬時極性上端a為正，下端b為負，二極管vd正偏通，二極管和負載上有電流通過，則u0=u2。在負半周期間，二極管的瞬時極性上端a為負，下端b為正，vd反偏截止，rl上電壓ud=u2，rl上無電壓，所以該電路只利用了電源電壓u2的半個周期，電源利用率不高。整形前后波形如圖2-13所示。 圖2-12 半波整流電路 圖2-13 整形前后波形2單相全波整流單相全波整流電路如圖2-14所示，設(shè)電源電壓二次繞組電壓u2正半周時瞬時極性上端為正，下端為負。二極管vd1正偏導(dǎo)通，vd2反偏截止。

18、負載電流途徑為avd1rlc。在u2的負半周時瞬時極性上負下正，二極管vd1反偏截止，vd2正偏導(dǎo)通。負載電流途徑為bvd2rlc。整流電路中vd1和vd2輪流導(dǎo)通，所以在交流電的整個周期內(nèi)都有電壓輸出，提高了電源的利用率,整形前后電路圖如圖2-15所示。 圖2-14 全波整流電路 圖2-15 整形前后波形3單相橋式整流單相橋式整流電路如圖2-16所示，設(shè)電源變壓器二次繞住電壓u2正半周時瞬時極性上端a為正，下端b為負。二極管vd1、vd4正偏導(dǎo)通，vd2、vd3反偏截止。導(dǎo)電回路為avd1rlvd4b，負載上電壓極性為上正下負。負半周時u2瞬時極性a端為負，b端為正，二極管vd1、vd4反偏

19、截止，vd2、vd3正偏導(dǎo)通，導(dǎo)通電路為bvd2rlvd3a，負載上電壓極性同樣為上正下負，這樣在交流電的整個周期內(nèi)都有電壓輸出，提高了電源的利用率。整流后波形圖如圖2-17所示。 圖2-16 橋式整流電路 圖2-17 整形前后波形4分析由于單相半波整流電路負半周能量都消耗在了二極管上對電源的利用率較低；單相全波整流電路要用到中心抽頭的變壓器，因而電路的結(jié)構(gòu)復(fù)雜；單相橋式整流電路對電源的利用率大且電路簡單工作穩(wěn)定，因而本設(shè)計選擇單相橋式整流電路。2.4.2濾波電路經(jīng)過整形的交流電變成了有一定波動的直流電，這種直流電只能用在對于輸出電壓平滑程度要求不高的電子設(shè)備中。如果用在要求交高的電子設(shè)備中時

20、，會引起嚴重的干擾。因此電路整流后一般都要加濾波電路，濾波電路一般有電容濾波電路、電感電容濾波電路、形濾波電路。1電容濾波電容濾波電路如圖2-18所示。設(shè)濾波電容c初始電壓值為零，當u2由零逐漸上升，在t0t1期間二極管vd正向?qū)?，電流分成兩路，一路流?jīng)負載rl，另一路對電容進行充電。設(shè)r為二極管導(dǎo)通的正向電阻及變壓器二次繞組的電阻之和，充電時間常數(shù)為rc=（rrl）c，r很小，一般rl遠遠大于r，所以，rcrc很小。電容器兩端電壓uc達到u2的峰值u2。由于二極管的陽極電位是隨u2的變化，而陰極電位是隨uc變化的，t1時刻，u2=uc=u2，因此二極管零偏截止。電容c開始向負載rl放電，放

21、電時間常數(shù)rc=rlc，由于rl遠大于rc，因此放電過程緩慢即uc下降緩慢，而二極管陽極電位卻隨輸入電壓u2的迅速下降，導(dǎo)致二極管在某一段時間截止狀態(tài)，以后輸入電壓自正半周向正半周上升，直到t2時刻，二極管電位開始大于陰極電位，vd開始導(dǎo)通，并向電容c迅速充電，在t2t3期間，u0波形按圖2-19所示變化。到t3時刻，uc=u2，二極管有截止，使得電容有對負載rl放電。圖2-18 電容濾波電路圖 圖2-19 濾波前后波形2電感電容濾波電感電容濾波電路如圖2-20所示，工作頻率越高、電感量越大，濾波效率越高。lc濾波電路適用與電流較大、要求輸出電壓脈動較小的場合，尤其適合高頻整流，負載變化較大且

22、對輸出電壓的脈動程度要求不太高的場合。圖2-20 電感電容電路3rc-形濾波形濾波電路如圖2-21所示。它是利用電阻和電容對輸入回路整形后的電壓的交直流分量的不同分壓作用來實現(xiàn)濾波的作用的。電阻r對交直流分量均有同樣的分壓作用，但是因為電容c2的交流阻抗很小，這樣電阻r與c2及rl配合以后，使交流分量較多地降在電阻r兩端，而較少地降在負載rl上，從而起到濾波的作用，r越大，c2越大，濾波效果越好。但r不能太大，r太大將使直流壓降增大，能量無謂地消耗在r上。圖2-21 rc-濾波電路4分析由于這次的設(shè)計對電壓的脈動程度交小且形濾波電容電感濾波的電路都沒有電容濾波的電路簡單因而選擇電容濾波電路。2

23、.4.3 電源電路工作原理根據(jù)前面整流和濾波的優(yōu)缺點和使用的場合最終確定電源電路如圖2-22所示。二極管vd1vd4將市電轉(zhuǎn)變成脈動的直流電，再經(jīng)過r1降壓和電容c1濾波得到直流電，然后通過穩(wěn)壓二極管vd5得到一個電壓穩(wěn)定在12 v的直流電。u0圖2-22 電源電路電源電路參數(shù)：由于后級的負載電阻rl大約為4,r1的作用主要是起到對穩(wěn)壓管vd5的保護作用，r1的阻值取1得到二極管中的電流id： （2-16）最大電流if： （2-17）濾波后輸出電壓u0: （2-18）二極管承受的最高反向電壓： （2-19）橋式整流電路中的二極管選用最大反向工作電壓為1000 v，額定工作電流為1 a的硅整流二

24、極管1n4007。由濾波電容選取公式的： （2-20）電容耐壓值： （2-21）取標稱值為400 v，電容量為4.7的電容，選擇12 v的穩(wěn)壓二極管。2.5 整機電路總結(jié)前面的單元電路設(shè)計可以得到如圖2-23所示的整機電路圖。圖2-23 整機電路原理圖工作原理：駐極體話筒將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號經(jīng)過c4隔直耦合后送到vt進行放大，放大后的信號經(jīng)過c3隔直后送入74ls00的13腳，光敏電阻和r2分壓后將光信號送入12腳。有聲有光時：74ls00的13號引腳為高電平12號引腳為低電平，經(jīng)過兩次與非后由8腳輸出低電壓，低電壓再經(jīng)過兩次與非后仍然為低電壓。因而3號引腳輸出的為電壓為低電壓可控硅斷開，燈

25、泡不亮。有聲無光時：74ls00的13號引腳和12號引腳都為高電平，經(jīng)過兩次與非后由8腳輸出高電位。因而3號引腳輸出的電壓電壓為高電壓可控硅導(dǎo)通，燈泡亮，由于rc電路的延時作用使3腳持續(xù)輸出高電壓，起到延時的作用。無聲無光時：74ls00的13號引腳為低電平12號引腳為高電平，經(jīng)過兩次與非后由8腳輸出低電壓，低電壓再經(jīng)過兩次與非后仍然為低電壓。因而3號引腳輸出的為電壓為低電壓可控硅斷開，燈泡不亮。無聲有光時：74ls00的13號引腳為低電平12號引腳為低電平，經(jīng)過兩次與非后由8腳輸出低電壓，低電壓再經(jīng)過兩次與非后仍然為低電壓。因而3號引腳輸出的為電壓為低電壓可控硅斷開，燈泡不亮。第3章 電路仿

26、真3.1 系統(tǒng)仿真及原理圖制作使用平臺系統(tǒng)仿真采用interactiveimagetechnologies公司推出的windows環(huán)境下的電路仿真軟件multisim10.此軟件最適合于模電數(shù)電仿真，不僅可以完成電路瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域和頻域分析、噪聲分析和直流分析等基本功能，而且還提供了離散傅里葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析和電路容差分析等電路分析方法，并具有故障模擬和數(shù)據(jù)儲存等功能。 原理圖的制作則是protel99se，此軟件是一個32位的設(shè)計軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計，印制電路板設(shè)計和可編程邏輯器件設(shè)計等工作，可以設(shè)計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層。3.

27、2 整機仿真測試（1）無聲有光將連接好的電路原理圖對照設(shè)計的電路圖認真核對一遍,若無錯誤（阻值的大小，導(dǎo)線連接短路等）現(xiàn)象，將光敏電阻阻值調(diào)小和mic及函數(shù)信號頻率調(diào)到最低，打開右上腳的run開關(guān)，發(fā)現(xiàn)燈泡不亮。圖3-3 無聲有光電路仿真圖（2）無聲無光即y=a&b(y=1&0=0),此時燈泡應(yīng)該不亮，（y為滿足條件，a代表光線，b代表聲音，“1”表示滿足條件“0”則反之）當光線暗與上有聲時才為真（1），調(diào)節(jié)滑動電位器r7，將其阻值逐漸增大，mic(即函數(shù)信號發(fā)生器)頻率信號最低，此時發(fā)現(xiàn)燈泡不亮。圖3-4 無聲無光仿真圖（3）有聲有光即y=a&b(y=0&1=0),此時燈泡應(yīng)該不亮，將滑動電位器調(diào)到最小，函數(shù)信號的頻率逐漸增大（50hz以上），此時只有聲音信號放大了，而光控則最低。圖3-5 有聲有光仿真圖（4）有聲無光即y=a&b(y=1&1=1),此時燈泡應(yīng)該亮，調(diào)節(jié)滑動電位器，將其阻值增大（至少為50%），再將函數(shù)信號的頻率增大（50hz以上）。圖3-6 有聲無光仿真圖第4章 實物制作4 實物制作測試所設(shè)計電路分為強電部分和弱電部分，因為我們是在面