傳感器課程設計9號設計doc

1、題 目基于壓電陶瓷制作聲控延時小夜燈 摘要隨著電力電子的蓬勃發(fā)展和迅速換代促進了壓電陶瓷壓電式傳感器的發(fā)展,壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應。正壓電效應是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時,內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應制成的。逆壓電效應是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應。用逆壓電效應制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電陶瓷聲控延時照明夜燈是采用壓電陶瓷片作為聲控元件，由數(shù)

2、字集成電路和晶閘管等組成的控制電路，電路功能說明圖(壓電陶瓷聲控延時小夜燈電路原理圖)所示是光控、聲控延時照明樓道燈電路。該燈白天由于光線的照射，始終處于關閉狀態(tài)，一到晚上，該燈只要收到猝發(fā)聲響（如腳步、擊掌聲等），燈就會自動點亮，延時一段時間后又會自行熄滅。這是一種十分實用的節(jié)能照明燈電路，不僅適用于住宅樓的樓道，也同樣適用于其他公共照明場所。關鍵詞：壓電式傳感器 晶閘管 目 錄一 、設計目的1二、設計任務與要求12.1設計任務32.2設計要求4三、設計步驟及原理分析53.1設計方法103.2設計步驟113.3設計原理分析11四、課程設計小結(jié)與體會12五、參考文獻13前言 當你夜晚走在大街小

3、巷、上廁所等，是否在為找不到開關而絞盡腦汁？是的，在日常生活中我們可以發(fā)現(xiàn)很多時候我們需要燈的時候卻沒有或者不能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制，而聲控燈的設計就能夠滿足人們的需求?？萍及l(fā)展為我們帶來了許多方便，同樣在燈光控制方面它也給我們帶來便利。公共場所照明越來越朝著智能化、人性化的方向發(fā)展?，F(xiàn)在市場上不僅有聲光控開關，還有微波感應開關和熱釋遠紅外感應開關。目前，微波感應開關的抗干擾性能尚不理想，紅外感應開關在性能上較為理想，但安裝復雜，價格也偏高。而聲光控不僅價格低廉，安裝方便，而且也能有很好的控制效果，因此聲光控可以有一個很好的應用前景。本次課題設計是聲光控燈控制系統(tǒng)設計的前身設計聲控燈系統(tǒng)，此控制燈系

4、統(tǒng)的設計采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要有聲控電路，延時電路等。在設計此控制系統(tǒng)時，采用模塊化的設計思想，使設計起來更加簡單、容易、條理清晰。這種設計思路可以應用于以后的大型產(chǎn)品設計中，團隊分配工作中發(fā)揮重要作用，能夠大大的降低難度也不會因為一個小模塊沒出來而影響總體的進度。聲控燈控制系統(tǒng)有對聲音信號進行識別并通過延時電路使燈泡亮的功能。利用3V直流穩(wěn)壓電源供電，用壓電陶瓷片檢測聲音信號并通過555時基集成芯片對信號進行放大，對聲音信號進行邏輯分析，RC充放電電路控制驅(qū)動燈泡。當有聲音會亮，無聲音則不亮，該聲控燈控制系統(tǒng)能很好的實現(xiàn)設計要求，相比市場上的一些產(chǎn)品而言，具有成本低廉性能良好的優(yōu)點。同時，為了

5、讓我們更清楚地理解怎樣通過所學的知識和自己的動手實踐能力來掌握對模擬電路知識的應用，為我們今后的學習奠定基礎和對自己專業(yè)的深入認識，為自己步入社會做一定的基礎。而且本實驗著重在于對如何做到用聲音來控制電路，從而將其更好的應用至我們的日常生活中來，對于我們專業(yè)而言并不是在紙上如何談兵而需要的是實踐操作能力的提升。通過一定的知識和動手能力，達到初步了解即拍延時小夜燈的原理，繼而才可以再次擴寬自己的視野.241. 設計目的 了解和學習壓電陶瓷聲控延時照明夜燈內(nèi)部元器件的組成，方案是如何設計的，了解壓電陶瓷聲控延時照明夜燈的工作原理.2. 設計任務及要求1.1設計任務1.夜晚聽到聲響時自動點亮2、具有

6、節(jié)能優(yōu)點。3、走廊聲控燈白天呈關閉狀態(tài)。1.2設計要求 壓電陶瓷聲控延時照明夜燈是采用壓電陶瓷片作為聲控元件，由數(shù)字集成電路和晶閘管等組成的控制電路，壓電陶瓷聲控延時照明夜燈的設計要求是它以拍手聲作為遙控指令，拍一下手掌，照明燈就點亮；再拍一下手掌，照明燈就熄滅. 3. 設計步驟及原理分析 3.1設計方法 3.1.1本方案是在開放性實驗中老師要求的一電路，就是將壓電陶瓷片改成咪頭（話筒），其原理大致是相同的。如圖： 將兩方案進行比較，其實原理都一樣，只是因為希望和以前的實驗有所改變，進而再了解一下不同的振蕩源（發(fā)生裝置）產(chǎn)生的效果。所以采用方案一，看看其是否能夠有同樣的效果。 3.1.2總體設

7、計思路 聲控燈主要是依據(jù)聲控原理來設計的。利用聲控電路是為了節(jié)約能源。整個電路由電聲控電路、延時電路等部分組成。電源由實驗提供穩(wěn)壓電壓。通過聲控電路使燈泡自動點亮，聲控電路主要將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，從而來實現(xiàn)自動控制，延時電路聲音消失后延長一段光照時間?？傮w方框圖如圖3.1.1所示。 3.1.3電路各模塊設計簡介3.2.1 聲控電路如圖3.2.1聲控電路為聲音信號采集電路，利用壓電陶瓷片在聲音變化下電壓發(fā)生改變的特性。當聲音達到4.1KHZ以上的諧振頻率時在out端將輸出一個大于2V的高電平，當?shù)陀?.1KHZ或沒有聲音時在out端產(chǎn)生一個小于0.8V的低電平。 3.1.4延時電路本延時電路

8、采用RC充放電電路作為延時部分，通過555內(nèi)部結(jié)構(gòu)（與非或關系）等使充電放電電路分開。這樣極短的聲音刺激就能實現(xiàn)電路的延時工作。信號由FT-27經(jīng)9014單向C1充電。所以充電后555芯片的7腳電位高于1腳，3腳就輸出正電位，此時輸出小于2V，此時三極管VT2開啟，繼而VT3也導通，點亮小燈泡H。在聲音信號刺激結(jié)束后，電容向電阻R3R4R5等放電，其中R3為1M電位器，使其放電時間為0s到51.7s可調(diào)。如圖： 3.1.5綜合控制模塊的設計思路 在設計之初，首先要明確所設計電路的功能為在保證充分電的條件下還要能做到延時性、精確性好，即信號不失真。根據(jù)這一設計思路，在有聲音時將產(chǎn)生大于2V的信號

9、，而實際也是要求這種情況下控制燈亮。給555時基集成電路的輸出端3管腳一個不大于3V的高電平信號，才能控制燈亮，而在其他情況下都將產(chǎn)生低電平，約接近于0V。根據(jù)這些，選擇9014,9012三極管等就能達到設計要求。4.2延時控制模塊原理聲控夜燈的延時控制模塊總體參考方案圖如圖4.2所示。它包括RC電路和555芯片兩個個模塊組成。從外界進行信號識別，從而達到燈泡發(fā)亮的功能。 3.1.6 555集成電路的框圖及工作原理 電路和數(shù)字電路的混合體，如圖4.3所示。555集成電路開始是作定時器應用的。但后來經(jīng)過開發(fā)，它除了作定時延時控制 外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計量檢測。此外，還可

10、以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個元器件，有分壓器、比較器、基本R-S觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，電路比較復雜，是模擬 10 圖4.3 555芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)555集成電路是8腳封裝，雙列直插型，如圖2(A)所示，按輸入輸出的排列可看成如圖2(B)所示。其中6腳稱閾值端(TH)，是上比較器的輸入；2腳稱觸發(fā)端(TR)，是下比較器的輸入；3腳是輸出端(Vo)，它有O和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7腳是放電端(DIS)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空

11、和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復位端(MR)，加上低電平時可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端(Vc),可用它改變上下觸發(fā)電平值；8腳是電源端，1腳是地端。由于晶體三極管VT1的偏流電阻R1取值較大，所以VT1趨于截止狀態(tài)，其集電極輸出電壓高于1/3VDD=1.0V（VDD等于電源電壓，即3.0V，與之相連的時基集成電路IC的低電位觸發(fā)端2腳處于高電平，單穩(wěn)態(tài)電路處于穩(wěn)態(tài)。電容器兩端通過IC的7，1腳被IC內(nèi)部導通的三極管短路，IC的3腳輸出低電平，VT2，VT3均無偏流而截止，小燈泡H不發(fā)光。當在有效距離范圍內(nèi)拍一下手掌時，突發(fā)的聲波被壓電陶瓷片B接收，并轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，該

12、信號的正半周經(jīng)VT1放大后，從其集電極輸出負脈沖，時基集成電路IC的2腳獲得瞬間低于1/3VDD=1.0V 的低電平觸發(fā)信號,使IC組成的單穩(wěn)態(tài)電路受觸發(fā)進入暫穩(wěn)態(tài)(即延時狀態(tài)),IC的3腳輸出高電平,VT2獲得適合的偏流而導通,VT3進入完全飽和導通狀態(tài) 小燈泡通電發(fā)出亮光，隨著IC的3腳變成高電平，IC內(nèi)部導通的三極管截止，解除對電容器C的短路，電池GB通過電阻R3向電容器C開始充電，當C兩端的充電電壓（即IC的高電位觸發(fā)端6腳電位）達到2/3VDD=2V時，單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)恢復穩(wěn)態(tài)，IC內(nèi)部三極管重新導通，C通過IC的7，1腳放電并被再次短路，IC的3腳重新輸出低電平，導通到VT2，VT3

13、失去偏流而截止，H斷電自動熄滅。電路中，小燈泡H每次延時點亮的時間長短，取決于單穩(wěn)態(tài)電路中電阻器R3，電容器C的時間常數(shù)，具體可以通過公式：T=1.1R3C 可通過一電位器來達到對延時時間的長短。在晶體三極管VT1電流放大系數(shù)，R1電阻值確定的情況下，通過改變R2的電阻值，可調(diào)整靜態(tài)時IC的2腳電位高低，也就是說，通過適當調(diào)整R 2的電阻值，可以控制聲控靈敏度。4.5設計方法與參數(shù)的確定IC選用靜態(tài)功耗很小的CMOS時基集成電路（又稱“555時基集成電路），這種CMOS時基集成電路的靜態(tài)電流很小，而且工作電壓低（實測不低于2V就能工作）。常用的普通TTL工藝生產(chǎn)的“555”時基集成電路，因其功

14、耗大，要求工作電壓較高，所以不適宜在本制作中使用。 VT1，VT2均選用9014（集電極允許最大電流ICM=0.1A，集電極最大允許功耗PCM=310mW），要求VT1的電流放大系數(shù)>200，VT2的電流放大系數(shù)>100，VT3選用9012（ICM=-0.5A,PCM=625mW),要求電流放大系數(shù)>50。 R1-R5均選用RTX-1/8W型碳膜電阻器。C用漏電很小的優(yōu)質(zhì)CD11-10V型電解電容器。B用27mm壓電陶瓷片F(xiàn)T-27，要求配上簡易塑料或金屬共振腔盒，當助鳴箱。H用手電筒常用的2.0V小電泡。電壓用實驗室的直流穩(wěn)壓電源3.0V. 3.2設計步驟 反相器D5和D6

15、組成雙穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。這兩個穩(wěn)定狀態(tài)是靠電阻器R9和R10交連獲得的。電平一路經(jīng)R11加到晶閘管VTH的門極上，使其開通，故EL通電發(fā)光；另一路經(jīng)R10加到11腳，反相后10腳輸出低電平，此低電平又經(jīng)R9加到13腳。R9和R10交連獲得的。若10腳輸出高電平，12腳輸出低電平，則晶閘管VTH無觸發(fā)信號而處于關斷狀態(tài)，這時照明燈EL熄滅不亮。電阻器R7和R8和電容器C4和C5及二極管VD7和VD8組成引導門，其作用是將8腳輸出的低電平信號（即負脈沖）每次都加到輸人端為高電平的反相器D5（或D6）的輸人端。假設12腳為低電平，則13腳必為高電平，12腳的低電平經(jīng)電阻器R10加到11腳，

16、反相后10腳輸出高電平。此高電平又經(jīng)電阻器R9加到13腳，反相后使12腳為低電平，所以這個狀態(tài)是穩(wěn)定的。如果這時拍一下手掌，8腳就輸出一個負脈沖，因13腳為高電平，所以VD8導通，8腳輸出的負脈沖就通過C5和VD8加到13腳，反相后12腳輸出高電平，此高電平一路經(jīng)R11加到晶閘管VTH的門極上，使其開通，故EL通電發(fā)光；另一路經(jīng)R10加到11腳，反相后10腳輸出低電平，此低電平又經(jīng)R9加到13腳。所以拍手聲過后，雖然8腳不再輸出低電平，由于R9的禍合交連作用，故此狀態(tài)就能保持下來，12腳始終輸出高電平，EL一直點亮發(fā)光。需要關燈時，只要再拍一下手掌，3.3設計原理分析 采用壓電陶瓷片的聲控照明

17、燈電路原理圖如圖所示。壓電陶瓷片B為換能器，它接收到拍手聲波信號后就輸出相應的電信號送到由反相器D1, D2和D3組成的高增益放大器進行放大，放大后信號由6腳輸出，經(jīng)VD6整流使反相器D4的輸人端獲得高電平，反相后8腳輸出低電平，此低電平作為觸發(fā)信號使雙穩(wěn)態(tài)電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)。 反相器D5和D6組成雙穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)。這兩個穩(wěn)定狀態(tài)是靠電阻器R9和R10交連獲得的。若10腳輸出高電平，12腳輸出低電平，則晶閘管VTH無觸發(fā)信號而處于關斷狀態(tài)，這時照明燈EL熄滅不亮。電阻器R7和R8和電容器C4和C5及二極管VD7和VD8組成引導門，其作用是將8腳輸出的低電平信號（即負脈沖）每次都加到輸人端

18、為高電平的反相器D5（或D6）的輸人端。假設12腳為低電平，則13腳必為高電平，12腳的低電平經(jīng)電阻器R10加到11腳，反相后10腳輸出高電平。此高電平又經(jīng)電阻器R9加到13腳，反相后使12腳為低電平，所以這個狀態(tài)是穩(wěn)定的。如果這時拍一下手掌，8腳就輸出一個負脈沖，因13腳為高電平，所以VD8導通，8腳輸出的負脈沖就通過C5和VD8加到13腳，反相后12腳輸出高電平，此高電平一路經(jīng)R11加到晶閘管VTH的門極上，使其開通，故EL通電發(fā)光；另一路經(jīng)R10加到11腳，反相后10腳輸出低電平，此低電平又經(jīng)R9加到13腳。所以拍手聲過后，雖然8腳不再輸出低電平，由于R9的禍合交連作用，故此狀態(tài)就能保持

19、下來，12腳始終輸出高電平，EL一直點亮發(fā)光。需要關燈時，只要再拍一下手掌，8腳又輸出一個負脈沖，此負脈沖將通過C4和VD7加到11腳，使雙穩(wěn)態(tài)電路發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，這時12腳恢復低電平，VTH失去觸發(fā)電壓，當交流電過零時即關斷，EL熄滅。 VD1一VD4接成橋式整流電路，它和VTH組成EL的供電主回路。VD5、R1和Cl組成半波降壓整流電路，它與R3、R4和RP又構(gòu)成分壓器，輸出約為4V的直流電供集成電路IC使用。 IC選用一塊CD4069六反相器數(shù)字集成電路，它的六個反相器全部可用上。VTH選用普通小型塑料封裝單向晶閘管，如MCR100-8型IA/600V的晶閘管。VD1一VD5用1 N400

20、4型或1N4007型硅整流二極管；VD6一VD8用1N4148型硅開關二極管。RP選用WSW型有機實心微調(diào)電位器，其余電阻全部采用RTX-1/8W碳膜電阻器；C1采用CD11-10V型電解電容器，其余電容用CTl型陶瓷介質(zhì)電容器；B用27mm的普通壓電陶瓷片，如FT-27、HTD27A-1等型號。4.課程設計小結(jié)與體會 1.設計初期要考慮周到，否則后期改進很困難。應該在初期就多思考幾個問題，進行詳細了解，選擇最合適的方法動手設計?？傮w設計原理在整個設計過程中非常重要，應該充分了解電路的原理。2.設計時，多使用已學的方法，要整體考慮，不可看一步，做一步。在整體設計都正確后，再尋求簡化的方法。3.在設計某些模塊的時候無法把握住整體，這時可以先進行小部分功