開放實驗指導(dǎo)書

1、聲控與觸摸燈控制電路設(shè)計制作開放實驗指導(dǎo)書高玄怡 編寫信息與電子學(xué)院二零一六年一月實驗項目：聲控與觸摸燈控制電路設(shè)計與制作一、實驗?zāi)康?1.學(xué)習(xí)電子元器件的識別方法2.掌握面包板制作電路的方法3.培養(yǎng)學(xué)生的電子線路讀圖能力及畫電路圖的方法4.培養(yǎng)學(xué)生電路連接的動手能力5.掌握基本電子儀器：萬用表、信號源、示波器的使用方法6.掌握電路制作中電子線路故障排查能力二、實驗原理1.學(xué)習(xí)電路常用元器件的性能參數(shù)和特性1.1電阻1） 電阻的分類：電阻按材料分一般有：碳膜電阻、金屬膜電阻、水泥電阻、線饒電阻等。一般的機電產(chǎn)品中的測控電路使用碳膜電阻較多，因為它成本低廉，滿足測控的精度要求。金屬膜電阻精度高，

2、使用在要求較高的放大器電路，測試儀器電路，測控系統(tǒng)設(shè)備上。水泥電阻是能夠承受比較大功率的，常用在較大的電器產(chǎn)品中。線饒電阻的精度比較高，常用在要求很高的測量儀器上實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓。2）電阻值的表示：電阻的阻值和誤差用色環(huán)表示。在電阻上有三道或者四道色環(huán)。電阻端的是第一道色環(huán)，其余順次是二、三、四道色環(huán)，如圖1.1所示。第一道色環(huán)表示阻值的最大一位數(shù)字，第二道色環(huán)表示第二位數(shù)字，第三道色環(huán)表示阻值位應(yīng)該有幾個零。第四道色環(huán)表示阻值的誤差?？蛇@樣記憶：棕1，紅2，橙3，黃4，綠5，藍6，紫7，灰8，白9，黑0。電阻值最小0.01歐姆，電阻值的最大是1000000000歐姆，電阻分檔根據(jù)使用要求選擇不同

3、的電阻值。電阻值的誤差是10%，5%，1%，0.5%，0.1%，0.5%，0.01%。 四色環(huán)讀數(shù)五色環(huán)讀數(shù) 圖1.1 電阻色環(huán)表示圖3）光敏電阻器光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值，隨入射光的強弱而改變的電阻器，又稱為光電導(dǎo)探測器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。還有另一種入射光弱，電阻減小，入射光強，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。常用的光敏電阻器硫化鎘光敏電阻器，它是由半導(dǎo)體材料制成的。型號是2DU,3DU.光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.40.76）m的響應(yīng)很接近，只要人眼可感受的光，

4、都會引起它的阻值變化。設(shè)計光控電路時，都用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使設(shè)計大為簡化。通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當(dāng)它受到光的照射時，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)光敏電阻外形圖和電路符號,如圖1.2所示。就激發(fā)出電子空穴對，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案，它是在一定的掩膜下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成。 圖1.2 光敏電阻外形圖 圖1.3光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光敏電阻結(jié)構(gòu)圖如圖1.3所示，光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達110M歐,在強光條件（100LX）下，它的

5、阻值（亮阻）僅有幾百至數(shù)千歐姆。亮阻小于5K，暗阻大于5M。1.2電容1）電解電容：多數(shù)在 1 F 以上,直接用數(shù)字表示。如： 4.7 F 、 100 F 、 220 F 等。這種電容的兩極有正負之分,長腳為正極，短腳為負極。2）瓷片電容：電容多數(shù)在 1 F 以下,直接用數(shù)字表示。如： 10 、 22、 0.047 F 、 0.1 F 等等,這里要注意的是單位。凡用整數(shù)表示的,單位默認 pF ;凡用小數(shù)表示的,單位默認 F 。如以上例子中,分別是 10P 、 22P 、 0.047 F 、 0.1 F 等。 現(xiàn)在國際上流行另一種類似色環(huán)電阻的表示方法（單位默認 pF ）： 如：“ 473 ”即

6、 47 000 pF=0.047 F “ 103 ”即 10 000 pF=0.01 F 等等 “ XXX” 第一、二個數(shù)字是有效數(shù)字,第三個數(shù)字代表后面添加 0 的個數(shù)。1.3二極管1）結(jié)構(gòu)和符號 ：二極管具有兩個電極，在半導(dǎo)體二極管內(nèi)部有一個PN結(jié)兩個引線端子，這種電子器件按照外加電壓的方向，具備單向電流的傳導(dǎo)性。如圖1.4所示。 圖1.4 二極管結(jié)構(gòu)圖2）理想二極管的等效電路：（1）對二極管加的正向電壓稍大于零，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)閉合。（2）對二極管加反向電壓時，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)斷開。1.4穩(wěn)壓二極管1） 穩(wěn)壓管符號：穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二

7、極管。其表示符號為圖1.5所示，穩(wěn)壓管的工作特性如圖1.6所示。D正極負極 圖1.5 穩(wěn)壓管符號圖 圖1.6穩(wěn)壓管工作特性圖2）穩(wěn)壓管的特性：穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然劇增，穩(wěn)壓管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起到穩(wěn)壓的作用。1.5可控硅1）可控硅結(jié)構(gòu)圖1.8和符號圖1.7所示，它是N-P-N-P-N五層三端半導(dǎo)體器件，也有三個電極，但它沒有陰、陽極之分，而統(tǒng)稱為主電極T1和T2，另一個電極 G也稱控制門極。 圖1.7 可控硅符號圖 圖1.8可控硅結(jié)構(gòu)圖2） 管腳判別：G與T1之間正反向

8、電阻都很小，因此在用萬用表的R×1擋測量晶閘管任意兩引出腳間的電阻值時，正常時有一組為幾十歐，另兩組為無窮大，阻值為幾十歐時表筆所接觸的兩管腳為T1和G，剩余的引出腳是T2。判別出T2后，可以進一步區(qū)分T1和G。假定T1和G兩電極中的任意一腳為T1,用黒表筆接T1，紅表筆接T2，將T2與假定的G 瞬間短路，如果萬用表的讀數(shù)由無窮大變?yōu)閹资畾W，說明晶閘管能被觸發(fā)并維持導(dǎo)通。調(diào)換兩表筆重復(fù)上面操作，結(jié)果相同時，說明假設(shè)正確。如果調(diào)換表筆操作時，萬用表指示為幾十歐又指示為無窮大，說明晶閘管沒有維持導(dǎo)通，說明原來的假定是錯誤的，原假定的T1極實際是G極，假定的G極實際上是T1極。3）工作特點

9、:它的主電極T1和T2無論加正向電壓還是反向電壓，其門極G的觸發(fā)信號無論是正向還是反向，它都能被“觸發(fā)”導(dǎo)通，實現(xiàn)導(dǎo)通。a） u2為正半周時，晶閘管VT承受正向電壓，此時沒有加觸發(fā)電壓，則晶閘管處于正向阻斷狀態(tài)，負載電壓uL=0；如圖1.8所示。 圖1.8 工作輸出特性圖b）當(dāng) t= 0 時，門極加有觸發(fā)電壓ug，晶閘管具備了導(dǎo)通條件，由于晶閘管正向壓降很小，電源電壓幾乎全部加到負載上，uL u2；c）在0 t 期間，盡管ug在晶閘管導(dǎo)通后即已消失，但是晶閘管仍然保持導(dǎo)通，因此，在這期間，負載電壓uL依然和次級電壓u2保持基本相等；d）當(dāng)t=時，u2=0，晶閘管自行關(guān)斷，uL=0。 e）當(dāng) t

10、2 時，u2進入負半周后，晶閘管承受反壓，呈反向阻斷狀態(tài)，負載電壓uL=0。在u2的第二個周期里，電路將重復(fù)第一周期的變化。如此不斷重復(fù)，負載RL上就得到單向脈動電壓。改變觸發(fā)延遲角的大小，即改變觸發(fā)脈沖在每周期內(nèi)觸發(fā)的時刻，負載電壓的波形不同。1.6三極管全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱雙極型晶體管、晶體三極管，是一種電流控制電流的半導(dǎo)體器件·其作用是把微弱信號放大成輻值較大的電信號，具有電流放大作用，也用作無觸點開關(guān)，是電子電路的核心元件。 從左倒右依次是E、B、C 三極管符號ECBT1）三極管工作原理：晶體三極管(以下簡稱三極管)按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP

11、兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，(其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電)。2）電流放大原理：下面的分析僅對于NPN型硅三極管.我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib;把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流 Ic.這兩個電流的方向都是流出發(fā)射極的,所以發(fā)射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向.三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制(假設(shè)電源 能夠提供給集電極足夠大的電流的話),并且基極電流很小的變化,會引起集電極電流很大的變化,且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極

12、電流的變化量是基極電流變 化量的倍,即電流變化被放大了倍,所以我們把叫做三極管的放大倍數(shù)(一般遠大于1,例如幾十,幾百).如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射 極之間,這就會引起基極電流Ib的變化,Ib的變化被放大后,導(dǎo)致了Ic很大的變化.如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的,那么根據(jù)電壓計算公式 U=R*I 可以算得,這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化.我們將這個電阻上的電壓取出來,就得到了放大后的電壓信號了。  晶體三極管具有電流放大作用，其實質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將Ic/Ib的比值稱為晶體

13、三極管的電流放大倍數(shù)，用符號“”表示。電流放大倍數(shù)對于某一只三極管來說是一個定值，但隨著三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。1.7集成芯片性能特點和應(yīng)用方法1）555集成芯片（1）各引腳的功能如圖1.9所示。 圖1.9 555集成芯片各引腳的功能圖（2）555集成芯片定時器的電路原理結(jié)構(gòu) 如圖1.10所示。 圖1.10 555集成芯片定時器的電路原理結(jié)構(gòu) 2）駐極體話筒 駐極體話筒是一個電容式傳感器，有一只引腳和外殼連接的那個是負極，另一個是正極，通過與接口電路實現(xiàn)聲波信號的測試。如圖1.11所示。 圖1.11 駐極體電容式傳感器二電路設(shè)計制作1用555芯片實現(xiàn)觸摸開關(guān)電路設(shè)計制作。（

14、1）根據(jù)電路圖2.1所示，選擇器件制作。 圖2.1 觸摸開和關(guān)的電路原理圖（2）工作原理是：觸摸A一次燈亮，再觸摸B一次燈滅。當(dāng)人手碰一下金屬觸片A，人體上的雜波信號便通過C3加到時基電路的腳，腳被觸發(fā)，整個觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，腳輸出高電平，輸出經(jīng)限流電阻R加到可控硅控制極，可控硅VS導(dǎo)通，ZD燈被點亮。需要關(guān)燈時，用手碰一下金屬片B，感應(yīng)信號經(jīng)C4加到時基電路的腳，腳被觸發(fā)，腳輸出低電平，可控硅失去觸發(fā)電流而截止，電燈熄滅。2采用芯片TT6061A實現(xiàn)四檔燈泡的亮度控制電路設(shè)計制作 1）根據(jù)圖2.2電路原理圖選擇器件，設(shè)計制作電路 圖2.2 四檔控制燈泡的亮度電路原理圖3） 電路工作原理 用專用芯片

15、TT6061A完成四檔控制燈泡的亮度：通電后臺燈不亮， 當(dāng)人手觸摸金屬片時（IC第4腳為觸摸端，金屬片可以與臺燈外部金屬外殼連接），人體感應(yīng)的雜波信號經(jīng)過C加至到IC的第4腳（TI），該芯片經(jīng)過內(nèi)部處理后，從第8腳（AT）輸出控制信號，使雙向可控硅導(dǎo)通，燈泡點亮。 第一次導(dǎo)通角度小，燈泡發(fā)光亮度較弱； 第二次用手觸摸金屬片時，IC8腳輸出相應(yīng)的控制信號，從而使可控硅的導(dǎo)通角度增大，燈泡亮度增強； 第三次用手觸摸金屬片時，IC8腳輸出相應(yīng)的控制信號使可控硅的導(dǎo)通角度為最大，燈泡為最亮； 當(dāng)人手第四次觸摸時，IC8腳的控制信號消失，可控硅在交流電過零位時截止，燈泡熄滅。 第五次用手觸摸時，IC的8

16、腳又輸出觸發(fā)控制信號，可控硅又導(dǎo)通，燈泡發(fā)出較弱光連續(xù)觸摸，燈光會按照上述過程循環(huán)變換。管腳 說明 1.CK 振蕩電路端口，適當(dāng)改變電阻大小，可改變燈的輸出亮度 2.FI 交流信號同步輸入端（采用AC頻率） 3.VDD 電源正端，供IC使用 4.TI 手觸摸控制端。觸摸一次可以改變燈的輸出角度 5.SI 觸摸靈敏度控制端。適當(dāng)改變R3、C3大小可改變靈敏度 6.NC 空腳，不需要接元件 7.VSS 電源負端 8.AT 信號輸出端，驅(qū)動可控硅。根據(jù)負載大小，可選用MAC97A6（1A） 3. 聲光控智能開關(guān)電路設(shè)計制作 圖2.3 聲光控智能開關(guān)燈電路 1）根據(jù)電路原理圖選擇電路器件設(shè)計制作，如圖

17、2.3所示。2）聲光控智能開關(guān)燈電路工作原理: 天亮?xí)r，光敏二極管VP受到光線的影響，阻值變小，（亮阻小于5K，暗阻大于5M。） V與RP2分壓值較低，555的4腳電壓很低，芯片被強制復(fù)位即3腳輸出低電平，此時即使柱體揚聲器BM接收到聲音，555的3腳輸出仍是低電平，即控制雙向晶閘管VR無觸發(fā)信號，呈截止關(guān)斷狀態(tài)，燈泡EL不亮 天黑時，光敏二極管VP不受光照影響，因此阻值增大。與RP2分壓后電壓增大，使555芯片4腳電壓升高，強制復(fù)位消除，當(dāng)有聲響時，柱體揚聲器BM將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號，并加在三極管VT的基極，VT放大的信號加在555的2腳，使555芯片的3腳輸出由低電平轉(zhuǎn)為高電平，雙向晶閘

18、管VR被觸發(fā)導(dǎo)通，燈泡EL 點亮。 聲音消失后，整個電路仍處于暫穩(wěn)態(tài)，當(dāng)電容C3上的電壓充至555的6腳的閾值電壓時，電容C3通過7腳放電，整個電路又回到初始狀態(tài)。 555的暫態(tài)工作時間長短決定了燈泡的延時長短，可由1.1RP1C3進行估算，調(diào)整電位器RP1可改變燈泡的延時時間。功能：是一種節(jié)能方便的開關(guān)，天黑時，用于人到燈亮，人走燈滅的一切場合。4.PCB板設(shè)計與制作根據(jù)以上設(shè)計的測控電路圖，自選設(shè)計制作PCB板，并焊接完成成品制作。三實驗基本要求1.掌握實驗中應(yīng)用到的電阻、電容、555芯片、TT6061芯片、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、三極管、可控硅、光敏電阻、柱體揚聲器等元器件的結(jié)構(gòu)，識別及

19、用法。2.掌握二極管的單向?qū)щ娦裕娙莸臑V波，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓作用。3.掌握555芯片的工作原理和測控電路的實現(xiàn)方法。4.掌握可控硅的工作原理和應(yīng)用方法。5.了解光敏電阻和柱體揚聲器的用法，6.了解三極管實現(xiàn)放大功能的原理。四實驗儀器和材料1.儀器：萬用表VC9802A，示波器DS1052E，穩(wěn)壓電源，函數(shù)發(fā)生器，整流實驗箱提供交流12V電壓。2.材料：電阻、電容、555芯片、TT6061芯片、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、三極管、可控硅、光敏電阻、柱體揚聲器，燈泡、導(dǎo)線等。五實驗學(xué)時數(shù)與實驗內(nèi)容1. 按照電路圖3.1由555芯片組成的電路選擇器件進行設(shè)計制作調(diào)試，實現(xiàn)觸摸A金屬片燈泡亮，觸摸B金屬片燈泡暗的功能。（6學(xué)時）2. 按照電路圖3.2由TT6061芯片組成的電路選擇器件進行設(shè)計制作調(diào)試，實現(xiàn)觸摸4次金屬片燈泡亮暗程度不同，亮，稍亮，微亮，熄滅四個狀態(tài)的功能。（10學(xué)時）3. 按照電路圖3.3由555芯片組成的電路選擇器件進行設(shè)計制作調(diào)試，模擬實現(xiàn)白天無論是否有聲音燈泡都不亮，模擬晚上時由聲音控制燈泡的亮暗，并可調(diào)節(jié)延長時間。實現(xiàn)聲控功能。（10學(xué)時）4. 設(shè)計內(nèi)容1,2和3的PCB電路圖，并焊接調(diào)試完成電路板制作實現(xiàn)各功能。